机载激光雷达原理与应用科普（六）

内容摘要：激光扫描仪由激光测距单元、光学机械扫描单元以及控制、监测、记录单元等组成。

激光扫描仪组成

1、激光测距单元
激光测距仪包括两个组成部分：激光发射器以及激光接收机。它利用激光作为媒介，获取被测目标到激光发射器之间的距离。激光测距的基本原理是利用光在空气中的传播速度已知这一特性，测定光波在被测距离上往返传播的时间来求得距离值。设光波在某一段距离上往返传播时间为t，待测定距离可表示为：

其中，c为光波在真空中的传播速度，约为3x108m/s。只要精确地求出时间t就可以求出距离图片。
目前，激光测距仪进行距离量测的方式有脉冲式及连续波式两种。图2-1表示了脉冲式及连续波式的基本原理。

图2-1 激光测距原理(脉冲式和连续波式)
脉冲式激光测距量测激光脉冲发射至接收的时间差(tR)，以计算距离(图片)，其测距公式为：

(2-2)

连续波式激光测距则量测发射与接收的连续光波的相位差(φ)，来计算距离，其测距公式为：

(2-3)
其中，T为连续波的周期，图片为波长。鉴于目前绝大多数机载LiDAR测量系统的激光测距都采用脉冲式测距，本书中如未特别说明则只讨论脉冲式测距。目前商业机载LiDAR 系统激光测距精度达到2-5cm。

距离的测量主要有四个过程：
① 激光发射，在触发脉冲的作用下，激光器发出一个极窄脉冲(约几纳秒)，通过扫描镜的转动并反射向地面，同时激光信号被取样而得到激光主波脉冲；
② 激光探测，通过同一个扫描镜和望远镜收集经地面反射回来的激光回波信号，并转换为电信号；
③ 时延估计，对不甚规则的回波信号进行相应的处理，估计出对目标测距的可能时延，给出回波脉冲信号，该脉冲信号的时延就代表目标回波时延；
④ 时间延迟测量，通过距离计数等方法测量出激光回波脉冲与激光发射主脉冲之间的时间间隔。
2、光学机械扫描单元
激光测距仪只能实现某一具体方向上的单点测量，借助于安装平台的飞行，可以实现沿飞行方向的扫描测量，而要实现沿整个目标表面逐点测量的目的，就需要借助于机械扫描装置以实现垂直于飞行方向的扫描测量。目前机载LiDAR系统共有四种典型的机械扫描方式(图2-2)：摆镜扫描、旋转多面镜扫描、圆锥扫描以及纤维光学阵列扫描。

(a) 摆镜扫描镜 (b) 旋转棱镜扫描仪 © 旋转正多面体扫描仪 (d) 光纤扫描仪
图2-2 机载LiDAR扫描方式

2.1 摆镜扫描方式
摆镜扫描方式是目前比较成熟的扫描方式，很多高端的LiDAR系统都采用这种方式，例如，Leica的ALS60型和Optech公司的ALTM3100EA型。其原理（如图2-2(a)：系统通过电动机带动反射镜，围绕转轴按照某一固定角度图片反复摆动，当反射镜在不同位置时，入射光线与镜面的夹角(入射角)周期性变化，与此对应反射光线也将以不同的反射角出射，这样在地面上的激光脚点就会落在不同的位置。摆镜周期性地摆动，激光脚点的位置就会周期性地在地面扫过，从而形成了垂直于转轴轴向的地面扫描。
激光脚点分布(如图2-3所示)特点：由于摆镜在两个方向往复摆动，对于地面产生的扫描线也是双向扫描；由于飞行方向与扫描方向垂直，结果在地面上形成Z状扫描线；由于机械运动的原因，摆镜在最边缘处加速度最大、速度最小，从而使激光脚点在边缘处扫描速度慢，具有过多的采样点，数据点密集；同样在航线正中间由于摆镜速度最大，则激光束扫描速度快，导致地面采样点稀疏。
优缺点：具备不间断对地扫描的能力，并可根据需要来调节扫描视场角的大小以及扫描速度；对飞行高度没有限制，飞机可以飞得比较高。其缺点在于：由于机械装置不可避免存在机械磨损，设备使用一定时间后摆动的步进会不均匀，设备的稳定性和可靠性会变差，需要进行校准，有时还需要进行返厂检校；此外，该方式采样率较低，为了保证足够的激光脚点密度，须限制飞行速度，不能过快；采用不断变化的镜面转动速度，因此，也就需要不停的加速、减速，而加速、减速往往会成为一种系统误差源；不断变化的镜面转动速度也使得地面上扫描点的间距不一致，往往是一条扫描线的边缘地区点的密度大，即点的间隔小，而在天顶角方向上，点的密度会明显得变小，即点的间隔大。

(a) ALTM系统

(b) ALS系统
图2-3 摆镜扫描方式激光脚点分布
2.2 旋转多面镜扫描

旋转多面镜扫描方式在主流LiDAR系统不常使用，在海洋LiDAR中使用较多，我国自行研制的机载激光遥感基础系统使用的是这种方式。其原理如图2-4(a)所示：使用一个可沿转轴旋转的棱镜作为反射镜，棱镜的法线方向与旋转轴的轴向有一个夹角图片，镜面与旋转轴不垂直，它与旋转轴垂面的夹角为(与图片相等)图片，旋转轴线与水平面的夹角图片为45°。激光器发射出的激光束照射到反射镜面，经过反射指向地面。反射棱镜每旋转一周，激光束在地面上激光脚点的轨迹就形成一个椭圆。随着飞机飞行，激光脚点形成沿飞行方向前进的无数椭圆。
激光脚点分布特点：通过倾斜扫描镜使扫描镜的镜面具有一定倾角，旋转轴与发射装置的激光束成45°夹角，随载体的运动光斑在地面上形成一系列有重叠的椭圆，如图2-4(b)所示。
优缺点：机械结构简单，运行平稳，适于高速旋转，有利于提高效率；可以获得具有一定重叠度的椭圆扫描轨迹，从而使测量的点的密度增大，并且可以对某些遮挡地区进行测量(在当前扫描视场角中被遮挡的地区，在下一个扫描角中，往往可以被测量到)。但是，其缺点也是明显的，测度分布不均匀，数据处理比较麻烦。

(a) 原理

(b) 激光脚点分布
图2-4 旋转多面镜扫描方式

2.3 旋转正多面体扫描
旋转正多面体扫描是一种比较常用的扫描方式，有些商业LiDAR系统如Riegl公司的 LiteMapper 5600就是采用这种方式。其原理是：将正多面体棱镜作为反射镜，沿其中一轴设一转轴，通过电动机带动转轴转动，使正多面体棱镜做匀速转动。随着镜面的转动，其位置不断变化，入射角也不断变化，反射光束的方向也随之变化。假设转速为，由于各个镜面都是相同的，则每隔360/图片的时间，镜面将回到初始位置。同样，反射光束方向也将回到初始位置。这样，镜面位置的变化时周期性的，反射光束方向也周期性地变化，地面上激光脚点的位置也在一定范围内往复变化。若沿转轴的轴向飞行，即可实现激光束对地扫描。
激光脚点分布特点：由于转轴只沿着一个方向旋转，激光束的方向也将沿着一个方向扫描，一旦达到扫描边缘即立刻回到初始位置，然后再沿同一方向进行扫描。因此，其激光脚点在地面形成单向扫描平行线轨迹；反射镜被匀速旋转，其地面扫描点的分布也比较均匀和规则，如图2-5所示。

图2-5 旋转正多面体扫描方式激光脚点分布
优缺点：可通过调整扫描速度和脉冲频率来调整扫描点在横向和纵向的间距，从而控制地面脚点密度，为不同用户提供满足其要求的产品；反射镜被匀速旋转，不需要任何的加速和减速运动，从而避免了因加速、减速带来的系统性误差，匀速运动也增加了系统的稳定性。缺点在于：由于是机械装置，也存在发热和磨损问题，需要不断进行检校和标定；在每一旋转周期里，总有一段时间，激光束无法被反射到地表面上，因此，这段时间也就不能用于测量；采用恒定转速镜面扫描，扫描视场角将是一定的，无法根据任务的不同性质，进行相应的改变，一般来说，这种方式只适用于大视野扫描(大于40o)。
2.4 纤维光学阵列扫描
光纤扫描是一种线扫描方式。目前商用LiDAR系统只有TopoSys公司的部分产品(Falcon II/III)使用这种扫描方式。在光纤扫描仪中，发射光路与接收光路一一对应，如图2-6(a)所示，两组光纤排列成一行，分别安置在发射透镜和接收透镜的焦平面上。另外还有两个中心光纤分别与激光二极管和接收器前的滤波器相连接。两组光纤分别围绕中心光纤按顺序摆放成圆形光纤组，与两个旋转镜头一一对应。两个旋转镜同时旋转，激光从下方中心光纤中发射，经过透镜被旋转镜头反射，再通过透镜射到圆形光纤组中的某一光纤，然后射向地面。与此同时，被目标反射回来的激光经过上方光纤线组中某一根光纤，从右侧圆形光纤组上该光纤的位置上射出，经过透镜被旋转镜头反射，再通过透镜，进入中心光纤，到达滤波器，形成被接收信号。这样，在发射通路和接收通路上的每一根光纤都按顺序同步工作，并且发射通路的光纤与相应的接收通路上的某一根光纤形成对应关系。

(a) 原理

(b) 激光脚点分布
图2-6 光纤扫描原理及激光脚点分布
激光脚点分布特点：在前几种方式中，通过反射镜反射，激光束被直接打到目标表面点上，而在这种扫描方式下，被反射镜反射的激光束将进入一个线性光纤阵列中，然后再通过光纤阵列，打向目标表面点，在地面上产生的扫描线也是一个互相平行的扫描线。如图2-6(b)所示。
优缺点：光纤孔径很小，与其相联系的机械部分也很小，因此按这种方式的扫描速度非常快(高达630Hz)，采样点也非常密集；扫描点分布规则、比较均匀，可以进行前视和侧视采集，能充分使用旁向采集的所有点。缺点在不能灵活地调整视场角，且视场角较小，并且飞行速度不能过低，否则会造成航向的过采样。
注：在地面形成的扫描形状不仅取决于激光扫描装置及其工作方式，还取决于飞机飞行方向、飞行速度和地形。由于实际飞行时飞机速度和扫描速度都不是均匀的，因而机载LiDAR系统在地面上的激光脚点是不均匀的。
3、控制、监测与数据记录系统
计算机用于控制整个系统，包括协调各量测部件的运行、记录激光回波数据、GPS/IMU导航数据、激光脉冲信号传播时间以及脉冲发射时刻等相关信息，用于后续处理生成地面点三维坐标。同时，控制监测系统在LiDAR数据采集的同时为操作人员提供有效的实时监控信息，这些信息包括传感器、GPS/IMU等部件的工作状态，以及飞机平台的飞行轨迹。飞行员也可以通过监控系统对飞行轨迹的追踪来调整飞行姿态及航向，以确保数据的采集工作按照事先设计的轨迹进行。

[参考文献] 王丽英. 机载LiDAR数据误差处理理论与方法[M]. 测绘出版社, 2013

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