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扫描激光测距技术(激光成像雷达)
编辑:北京丰通丰创光电科技有限责任公司

   1、激光扫描成像技术(激光成像雷达)概述

 近年来随着激光技术、激光接收技术的快速发展,以及各研究领域对高精度探测应用需求的日益增长,高精度高分辨率的激光测距技术正在越来越多的受到人们的关注,其中尤其与激光扫描成像技术的发展尤为迅速,其在遥感、测绘、勘探、资源调查、大气观测、目标探测与识别领域逐步得到了实际的应用,成为各领域的研究热点,极大地拓宽了激光测距技术的应用范 。

激光扫描成像技术是利用传统的遥感手段与先进的激光的激光测距技术相结合形成的一种新技术。它能够有效的给出目标物的三维位置和地面影像的一体化信息,因而也称作成像激光雷达,是相关领域中一个最前沿的发展方向。激光扫描成像技术是基于高速激光测距技术,利用激光对目标物进行逐点扫描完成测量。通过测量激光发射与接收之间的时间间隔或者相位变化得到地面和测量平台之间的距离;利用对于回波信号大小的检测来确定地物对于特定波段的激光(取决于发射激光的频率)的反射率大小 。

扫描激光测距设备的关键技术指标有:

1)测量范围:指有效的测量范围,一般激光测距系统在近距离处均有测量的盲区。

2)测量精度:长距离测距机的精度多为米量级,百米级测距机精度多为厘米级。

3)重复频率:单位时间内的有效测距次数。

4)工作波长:指发射激光的波长,不同用途的测距机工作波长有差异,多工作于红光和红外段、1064nm,905nm等。

   2、扫描激光测距应用

激光扫描成像系统工作时由扫描机构完成一维扫描,通过载体的运动来实现另一维的扫描。将扫描成像系统搭载于飞行器上,便形成机载激光探测雷达(ASLRIS)。利用光学扫描成像、激光测距、全球定位(GPS)、平台姿态测量等技术,机载激光探测雷达可实现高效快速的生成目标物的数字高程模型(DEM)、表面编码信息图像、正射投影图、城市鸟瞰图等多种图像。

近地表观激光扫描成像-丰通丰创 

图1.1 近地表观激光扫描成像 
高空上海浦东激光扫描成像-丰通丰创
 图1.2高空上海浦东激光扫描成像

除了航空遥感领域的巨大应用之外,近年来激光扫描成像技术开始逐步应用于日常民用领域,其发展方向由远程遥感测量拓展至近距离范围内高绝对精度的测量。对于近距离下工作的小型激光扫描成像系统研发成为当前激光技术应用发展的一个新方向。

在工业生产领域,利用激光扫描成像技术可以实现产品流水线生产的智能化监控,完成产品的智能识别、体积测量、防撞告警、出入口超限检测等。民用上激光扫描成像技术最重要的应用在于交通和测绘领域。在国外,激光扫描成像技术被应用于智能交通行业,可实现高速公路对于车流量的智能化检测。该技术在几十米的范围内能够利用高速发射的激光脉冲对路面的情况进行探测,利用反射信号中所携带的距离信息描绘出车辆的表面轮廓。在自由流的状态下,能够有效的获取路况表面信息,精确的获得扫描范围内过往车辆的三维外形信息,实现无人监控智能化交通管理。将扫描激光测距技术应用于汽车可设计成为车载激光雷达,可实现汽车前后方向内的目标检测,实现自适应巡航控制、防撞预警等功能。

在测绘领域,激光扫描成像技术主要用于古建筑和传统历史街区的保护工作,代替传统的人工测绘,自动完成街区的三维可视化模型的构建。2008年南京大学建筑学院受江阴市规划局的委托,对长泾镇老街由传统建筑特色建筑物进行测量,所采用的技术即为三维激光扫描技术,快速有效的得到了建筑物和街巷的精度数据,大大缩短了测量周期。此外,将之激光扫描测距技术应用于水利枢纽工程,可对于工程环境的构筑物形变实现全天候的无间隔的监测,提高工程的安全等级等 。

  3、扫描激光测距原理

激光测距技术可以分为激光飞行时间测距和非飞行时间激光测距两类,其中飞行时间测距根据所发射激光状态的不同,可分为脉冲激光测距和连续波激光测距,后者根据起止时刻标示的不同又分为相位激光测距和调频激光测距 。  

  3.1脉冲法测距原理

脉冲法测距即激光飞行时间(Time-of-Flight 简称TOF)测距,它是指发射端发射出一系列光脉冲,经物体反射后被接受电路接收,通过测量接收到的光脉冲和发射的光脉冲之间的时间差,可以得到目标物距发射端的距离 。

脉冲测距原理-丰通丰创
图2.1 脉冲测距原理

假设所测得的发射脉冲和接收脉冲之间的时间差位T,则脉冲法所得到的距离为L=(CT)/2,其中C为光速。在脉冲测距法中,时间差T的计算是通过计算这段时间内计时脉冲的个数得到的。脉冲发出时计数电路开始计数,接收到回波信号后计数结束。设每个脉冲的周期为t,这段时间内的计数个数为N,则,对应距离为L=(CNt)/2。  
   3.2相位法测距原理
   相位法激光测距常用于近距离范围内测距(一般为百米以内),具有很高的测量精度(测量精度可达到毫米级别)。相位法利用调制光往返于发射端和目标之间所产生的相位差来反映二者之间的距离信息。相位法通常采用调制和差频测相等技术,因而具有较高的测量精度,其相对测量误差只有百万分之一,适用于有合作目标的精密测距场合 。

位法测距原理-丰通丰创

图2.2相位法测距原理

相位激光测距中,利用对相位的测量来间接实现对时间的测量。

设相位法的调制频率为f,在目标测量距离上光信号的往返时间为t2d,相位为phi。

    3.3 三角法测距原理

激光三角法测距的基本原理是基于平面三角几何,其方法是让一束激光经发射透镜准直后照射到被测物体的表面上,物体表面上的反射光线被接收透镜接收聚焦到高分辨率的光电检测器件上,形成一个散射光斑。该散射光斑的中心位置由传感器与被测物体表面之间的距离决定,而光电检测器件输出的电信号与光斑的中心位置有关,因此通过对光电检测器件输出的电信号进行运算处理即可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息。三角法测距主要有三种分类方式:按照检测方式可分为反射型和透射型两种;按照入射光线与被测工件表面法线的关系可分为直射式和斜射式;按入射光的形态可分为单束光和片光。以反射型直射式三角法为例,则其测距原理如下:

三角法测距原理-丰通丰创

图2.3三角法测距原理

为满足高精度测量的要求,光电探测器平面与成像透镜光轴的夹角和激光束与成像透镜光轴的夹角必须满足斯凯普夫拉格条件(成像面、物面和透镜主面必须相交于同一条直线)。
   通过测量成像光斑中心的位置变化即可间接得到被测物体的距离信息。

    3.4脉冲-相位法测距原理

脉冲-相位法是基于脉冲法和相位法基础上发展起来的一种新型激光测距技术。它将脉冲法和相位法完美的结合起来,不仅具有脉冲式激光测距仪无合作目标的优势,而且具有相位式激光测距仪高测量精度的特点;不仅能实现被测目标的连续跟踪测量,而且能进行漫反射无合作目标和有合作目标两种方式测距。采用半导体激光器,光调制设备简单;采用集成电路,仪器体积小、重量轻。整个测量过程自动化程度高,并有预置功能。脉冲-相位法激光测距原理如图2-4所示,其中T1为发射波形前沿时刻;T2为回波前沿时刻;T为信号时间差;L为测量距离值。激光以一定频率发射脉冲光,计时电路以发射脉冲的前沿T1和接收脉冲的前沿T2作为计时的起点的终点,计时结束后得到两个时刻的时间差T,则L=CT/2。

脉冲-相位法测距原理图-丰通丰创
图2.4 脉冲-相位法测距原理图

在脉冲—激光测距方法中,其关键技术主要包括窄脉冲发射技术、弱信号检测技术、时刻鉴别技术、时间测量技术等。该方法是根据激光飞行时间计算出距离,因此提高精度的关键是如何精确稳定地确定起止时刻和精确测量激光飞行时间T。

    3.5扫描激光测距技术

针对3.1节至3.2节所介绍的激光测距的基本方法进行了对比,对比结果如表2-1中所示。

表3.1四种测距方法对比

名  称

优  点

不  足

脉冲法

抗干扰能力强、测量频率快,能够实现对目标物的连续测量和对运动物体的测量。可通过提高单次发射峰值功率完成远距离测量

主要受限于计数脉冲的频率,测量精度相对较低;要想得到较高的测量精度,要求计数脉冲的频率达到GHz;统计性脉冲失真、系统信噪比等将对测量结果产生较大的影响。

相位法

能够实现高精度的测量,测距精度可达到几个毫米;测量距离较小,无合作目标时一般在100m 受制于光尺频率的限制,测量速度较低,无法满足高重复频率下的测量要求,不能用与测量运动的物体。

三角法

结构和原理简单,测量精度高;适合于微小位移和中近程距离测量;精度范围在厘米、毫米级别内。 受外界环境干扰因素影响比较大;光学系统像差、成像光斑特性等对系统精度影响较大;系统精度首先与CCD成像分辨率,对成像器件性能要求较高。仅能测量匹配表面特征的物体

脉冲-相位法

兼具脉冲法和相位法二者的共同的优势,能够在高重频的测量下保证较高的测量精度。 对发射激光脉冲信号特性、接收电路带宽等有较高的要求;受系统输入噪声引起的时间抖动影响较大,对信号的离散性要求较高。

从表3.1中可以看出,四种测距方式具有各自的优缺点:

1)脉冲法测距:脉冲法测距的特点是抗干扰能力强、精度高。目前主流的脉冲式激光测距产品的测量精度可达到厘米级别。脉冲激光测距测量系统中影响误差的主要因素分为系统误差和随机误差两种。系统误差包括计数器频率误差、大气折射误差、电光延迟误差。随机误差主要包括噪声引起误差、计数器频率不稳定引起的误差、起动与停止脉冲时脉冲前沿不同引起的漂移误差等。

2)相位法测距:由于鉴相的精度很高,所以该方法的测量精度很高,可达到毫米级别。但是相位法测距中测量速度直接受到调制速度的影响,由于调制频率无法做到很高,因此相位法无法满足高重频的要求。与此同时,测距的精度受大气温度、气压和湿度等因素产生影响较大。测距仪自身的光发射峰值功率、测量平均次数、调制频率及其稳定性等电子噪声(特别是由大功率调制引入的电子相干噪声)等因素同样对探测精度影响很大。此外,调制源存在的泄漏场,由于泄露信号与调制源具有相同的频率,因此能够发生相干作用,从而极大降低了信噪比,影响测量精度。

3)对于三角激光测距来说,其影响精度的因素主要分为内部因素和外部因素。其内部因素主要包括发射光强的稳定度、光学系统的像差、光斑大小和形状、光电检测器件固有的位置检测误差和分辨力、检测电路的测量精度和噪声、电路和光学系统的温度漂移等。外部因素则主要是指被测表面倾斜度、光泽、粗糙度、颜色及测量速度。三角法仅限于中近程测量,远程测量情况下受行程衰减和光路偏折,成像光斑中心位置难以分辨。此外,要实现高精度的测量,要求光电探测器平面的法线与入射光轴必须严格同面,被测物面的倾斜角度也将对测量的精度和可行性有较大的影响。

4)脉冲—相位测距中由于大气折射率受环境温度、气压及大气湍流等因素的影响,激光脉冲在空中传输过程中的将产生衰减和畸变,导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上都有很大不同,从而在时刻鉴别过程中获取准确的起止时刻带来困难,引入漂移误差。另外,由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来了数据离散性误差。如何设计时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动,是脉冲激光测距的重要研究课题之一。

通过上述分析可知,与其他测距方式相比,脉冲—相位测距通过快速发射一系列激光脉冲能够在实现对物体的高速测量。同时,由于采用时刻鉴别技术,其测量精度可以做到较高。目前主流的扫描激光测距设备多采用脉冲—相位测量法完成高重频、高精度的激光测距。
 


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