关于三维激光扫描仪测量方法的分析以及其发展前景|三维激光扫描原理
时间：2019-05-17 03:25:46 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】本文主要通过图表分析探讨了三维激光扫描仪测量距离、角度等方法，并针对三维激光扫描仪测量技术的不足之处讨论其未来发展趋势，为相关工作开辟思路。 【关键词】三维激光扫描仪；测量方法；发展前景
【 abstract 】 this paper mainly through the chart analyses and discusses the 3 d laser scanner distance is measured, Angle and other methods, and in the light of the 3 d laser scanner measurement technology deficiency discuss the future development trend, for related work open up ideas.
【 key words 】 3 d laser scanner; Measuring methods; Development prospect
中图分类号： P221+.3文献标识码：A 文章编号：
在科学技术高速发展的今天，人们认知事物的角度已经逐渐由二维空间向三维空间过度，与此同时，三维激光扫描仪测量技术被各个领域广泛应用，三维激光扫描仪测量又叫作实景复制，其具有扫描快、实时性、信息量大、自动化、精确度高等优势，在文物保护、医药研究、军事训练、工程勘测等领域都具有深渊的意义。
一、三维激光扫描仪的工作原理
三维激光扫描仪运用了激光的方向性、单色性、高亮性、相干性等特点，实现了测量速度快，操作简单，测量精确度高等目的，本文主要通过测量距离原理、测量角度原理、扫描原理、定向原理四个方面探讨三维激光扫描仪的工作原理，具体内容如下。
（一） 测量距离原理
距离测量是激光扫描的关键环节，其测量方法主要有三种：三角测量法、脉冲测量法、相位测量法。
1.三角测量法
三角测量法主要是通过几何关系来实现距离的测量，首先得出扫描中心与扫描对象之间的距离，之后再通过激光的发射点、接收点以及目标反射点组成空间三角形，如图1所示。
图1：三角测量法
图中，激光入射线、发射线与基线的夹角分别为角λ和角у，假设激光扫描仪的旋转角度为α，以发射点为原点，基线为X轴，基线方向为正向，使Y轴垂直于基线并且指向扫描对象，由此就可以建立几何坐标，即有：
在三角测量法中，由于基线较短，所以该方法更适合于测量较短的距离。
2.脉冲测量法
脉冲测量法是通过激光信号发射到回收的时间差来实现对距离的测量，如图2所示。
图2：脉冲测量法
图中，激光发射器向测量对象发射激光信号，激光信号又会发射到接受装置，假设S代表距离，C代表光速，激光信号由发出到回收的时间差为△t，即有：
S=0.5C△t
由此可见，脉冲测量法的精确度会受到光速等因素的影响，其测量距离的精准度相对较低，但脉冲测量法测量的距离很大，更适合于测量较远的距离。
3.相位测量法
相位测量法是通过电波频率来调节激光束，并通过激光信号在所测距离之间往返的相位差计算往返时间，进而得出往返距离，假设激光信号在所测距离之间往返的相位差为ф，脉冲信号的频率为f，所测距离为S，即有：
相位测量法是间接得测量距离，其测量精度非常准确，被广泛应用于精度测量工作中
（二）测量角度原理
对于三维激光扫描仪测量角度的原理，笔者在此主要从角位移测量原理、线位移测量原理两方面来研究。
1. 角位移测量原理
角位移测量主要是通过步进电机以及扫描棱镜来实现角度的测量，步进电机能够将激光信号转变为角位移，进而实现对扫描仪自身的准确定位，之后通过步进电机的细分原理即可得出步距角，假设步距角为θb，即有：
其中，Nr代表转子齿数，m代表相数，b则代表运行拍数。由此，即可通过扫描棱镜和编码器计算出所测量角度。
2.线位移测量原理
线位移测量主要运用了直角棱镜以及CCD部件，当信号射到直角棱镜上面时，会发射向测量对象，此时转动扫描仪即可得到线性区域，最终通过CCD部件的记录结果即可得到所测角度值。
（三）扫描原理
三维激光扫描仪能够控制棱镜的转动，进而可以控制激光发射的方向，扫描镜主要有摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜两种，如图3所示。
图3：扫描镜种类
摆动扫描镜旋转正多面体扫描镜
摆动扫描镜是一种平面反射镜，其扫描速度较慢，但精确度较高，适用于要求较高的精准测量，而旋转正多面体扫描镜的扫描速度快，但精准度相对较差，适用于多数要求较低的测量工作。
（四）定向原理
三维激光扫描仪的定向原理即是将扫描结果转化为实际数据的过程，具体如图4所示。
图4：三维激光扫描仪的定向原理
二、三维激光扫描技术的发展现状及前景 （发展前景要有一定的文字说明，在下面的文章中没有描述）
目前，三维激光扫描仪的种类十分繁多，按照测量距离的方法可以将其分为三角式激光扫描仪、脉冲式激光扫描仪、相位式激光扫描仪以及脉冲--相位式激光扫描仪，按照测量平台又可将其分为地面固定式激光扫描仪、车载式激光扫描仪、手持式激光扫描仪、机载式激光扫描仪，按照扫描距则可将其分为短距离激光扫描仪、中距离激光扫描仪以及远距离激光扫描仪，各种扫描仪都具有各自的特点和优势，在当今各领域的测量工作中被广泛应用，在此，笔者对各国生产的不同型号的激光扫描仪的有关参数进行汇总，具体如表1所示。
表1：各国生产的不同型号的激光扫描仪的有关参数
仪器型号 测距方法 测距范围
（m） 像场范围
（度） 测距精度 测角精度 最高速率
（点/秒）
VX 空间测站仪 脉冲 150 360×310 ±3mm+2ppm ±1″ 15
MENSI S10 三角 0.8～10 320×46 ±0.1mm ±4″ 100
HDS3000 脉冲 2～100 360×270 ±6mm/50m ±60mrad 4000
LPM-321 脉冲 10～6000 360×150 ±15mm 0.009° 1000
GLS-1000 脉冲 1～330 360×70 ±4mm/150m ±6″ 3000
ILRIS-36D 脉冲 3～1500 360×110 ±7mm/100m ±4″ 2500
GS 100 脉冲 1～100 360×60 ±6mm/50m ±6″ 5000
ILRIS-3DHD 脉冲 3～1200 360×310 ±4mm/100m 0.00075° 10000
GX 3D 脉冲 1～350 360×60 ±12mm/100m ±12″ 5000
LMS-Z620 脉冲 2～2000 360×80 ±10mm/100m 0.002° 11000
LS880 相位 0.6～76 360×320 ±3mm/25m 0.009° 120000
ScanStation2 脉冲 2～300 360×270 ±6mm/50m ±12″ 50000
VZ-400 脉冲 1～500 360×100 ±2mm/100m 0.0005° 300000
HDS6000 相位 1～79 360×310 ±6mm/50m ±25″ 500000
Photon 80 相位 0.6×80 360×320 ±5mm/100m 0.009° 120000
由此可见，现阶段，三维激光扫描仪已经被人们广泛的开发研制，不同类型的扫描仪也具有其不同的应用领域，对于其中存在的一些弊端，还有待于我们去探索和创新。
在未来的发展中，三维激光扫描技术势必要突破以下几方面壁垒：1.成本昂贵。2.仪器精度难以校验。3.各厂家生产的扫描仪的应用软件不统一。4.扫秒速率对精确度的影响较大。综上所述，我国的三维激光扫描技术在未来将会实现以下几点：1.设备国产化，自主研发高精度扫描设备。2.应用软件多功能化。3.改进现有测量方法。4.增大扫描范围。5.与其他测量设备结合使用，共同提高测量结果的精确性等等。
【总 结】
现今，人类社会已经进入了高度文明的时代，各行各业都在寻求更好的发展途径，三维激光测量技术的应用越来越广泛，在今后的发展中，我国必定会不断完善测量技术，为相关领域的稳定收益保驾护航。
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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
