脉冲三维激光扫描仪工作原理.docx

脉冲三维激光扫描仪工作原理三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。随着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这种技术已经引起了广大科研人员的关注。通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。分类按测量方式三维激光扫描仪可分为：基于脉冲式；基于相位差；基于三角测距原理。按用途可分为为室内型和室外型。也就是长距离和短距离的不同。按生产厂家不同可分为：Surphaser（美国），I-site (澳大利亚maptek)，riegl，徕卡，天宝，optect，拓普康，faro等产家图1：徕卡基于脉冲式三维激光扫描仪工作原理目前，大多数激光扫描仪所采用的工作方式是脉冲激光测距的方法，采用无接触式高速激光测量，以点云的形式获取扫描物体表面阵列式几何图形的三维数据。该类仪器主要包括激光测距系统、扫描系统和支架系统，同时集成数字摄影和仪器内部校正等系统。三维激光扫描仪基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重测量速度和操作简便的同时，保证了测量的综合精度，其测量原理主要分为测距、测角、扫描、定向四个方面。脉冲测距原理脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。如图 2 所示，激光发射器向目标发射一束脉冲信号，经目标漫反射后到达接收系统，设测量距离为 S，光速为 c，测得激光信号往返传播的时间差为 t，则有：S=ct 2 从式中可以看出，影响距离精度的因素主要有c 和 t，而的精度主要由大气折射率所决定，目前n 的精度很高，对测距影响很小；t 的确定可通过前沿判别，高通容阻判别，恒比值判别或全波形检测技术等方法，保证测定精度。脉冲法的测量距离较远，但是其测距精度较低，现在大多数三维激光扫描仪采用脉冲式。测角原理区别于常规仪器的度盘测角方式，激光扫描仪通过改变激光光路获得扫描角度。把两个步进电机和扫描棱镜安装在一起，分别实现水平和垂直方向扫描。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制微电机，它可以实现对激光扫描仪的精确定位。在扫描仪工作的过程中，通过步进电机的细分控制技术，获得稳步、精确的步距角=2N r mb 式中，Nr是电机的转子齿数,m 是电机的相数，b是各种连接绕组的线路状态数及运行拍数。在得到 的基础上，可得扫描棱镜转过的角度值，再通过精密时钟控制编码器同步测量，便可得每个激光脉冲横向、纵向扫描角度观测值为、扫描原理三维激光扫描仪通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动，决定激光束出射方向，从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。目前，扫描控制装置主要有：摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜，如图 3 所示。摆动扫描镜为平面反射镜，由电机驱动往返振荡，扫描速度较慢，适合高精度测量。旋转正多面体扫描镜在电机驱动下绕自身对称轴匀速旋转，扫描速度快。定向原理三维激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中，但是数据的后处理要求是大地坐标系下的数据，这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下，这个过程就称为三维激光扫描仪的定向。在坐标转换中