三维激光扫描仪基础知识浅谈

大空间三维激光扫描仪基础知识浅谈湖北省海达文化遗产保护科技研究院武汉海达数云技术有限公司主讲人:张镇联系电话:027-8767102818620294355目录1、三维激光扫描仪构成......................................................................................32、三维激光扫描原理..........................................................................................33、三维激光扫描仪应用方法..............................................................................34、三维激光扫描仪应用领域..............................................................................45、三维扫描仪分类..............................................................................................45.1测量原理...................................................................................................45.2两种方式三维激光扫描仪主要性能特点...............................................75.3三维激光扫描仪的操控方式...................................................................86、激光发射器原理及发射器的寿命..................................................................96.1激光发射器分类及组成部分.................................................................106.2各类激光器的区别.................................................................................107、小结................................................................................................................138、为何推荐相位式三维激光扫描仪................................................................141、三维激光扫描仪构成三维激光扫描仪主要由激光发射器、接收器、时间（相位差）解码器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑和软件等组成。2、三维激光扫描原理激光发射器周期地驱动激光二极管发射激光信号，由接收透镜接受目标表面后向反射信号，产生接收信号，利用稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数（或者相位解码器计算激光波长周期）最后由微电脑通过软件，按照算法处理原始数据，从中计算出采样点的空间距离;通过传动装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描;然后进行数据整理从而获取目标表面的点云数据。三维激光扫描原理示意3、三维激光扫描仪应用方法量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、逆向三维建模空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、虚拟现实应用正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、逆向制图还原结构特性分析、试验工程仿真、后数据测计量、目标形变监测工程技效评估、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修4、三维激光扫描仪应用领域核电站，文物，考古，建筑业，航天，航空，船舶，制造，军工，军事，石化，医学，水利，能源，电力，交通，机械，影视，教学，科研，汽车，公安，市政建设。5、三维扫描仪分类目前市场上销售的地面式三维激光扫描仪按扫描方式划分有两种：1、基于时间-飞行差，又称脉冲式，主要计算原理是S=C·T/2,（C是光速，T是扫描仪时间解码器所记录的激光脉冲的飞行时间）。2、基于相位差，又称相位式，S=△·λ/2π（△是波长周期数，λ是单个周期波长）。5.1测量原理脉冲式测量原理由激光发射器发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收.测距仪同时记录激光往返的时间.光速和往返时间的乘积的一半.就是测距仪和被测量物体之间的距离，设备记录本身在水平和垂直方向的旋转角度，再通过软件，计算出三维数据。相位式测量原理相位式测量是用无线电波段的频率.对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟.再根据调制光的波长.换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，设备记录本身在水平和垂直方向的旋转角度，通过软件计算出三维数据。如下图：相位式扫描仪测量原理两种测量原理的差异及原因影响脉冲式测量精度的主要原因是记录激光脉冲飞行时间的时间解码器的灵敏度，因为目前工艺水平的限制，脉冲式激光时间解码器的核心部件的灵敏度受到限制，若激光脉冲的飞行时间过短，时间解码器的灵敏度过低，不足以记录如此短的时间，就不会发生数据的记录，这同时也就是为什么市场上脉冲式扫描仪的盲距都在1.5M之外的原因，时间解码器的灵敏度同时也是限制脉冲式激光扫描仪精度提高的一大技术瓶颈，假设时间解码器的分辨率是1/1010，在最好的情况下，脉冲式扫描仪的精度才可以达到3cm。一般情况下，激光的波长都非常短，维持在纳米级别，通过鉴相器记录发射激光和接收激光的相位差，进行解算得到的距离，通过水平和垂直角度解码器，记录激光发射角的发射方向，得到点的三维坐标。因为激光波长非常短，通过鉴相器解算得到的距离相对于脉冲式扫描仪时间解码器解算得到的距离会精确很多，直接导致相位式扫描仪的精度比脉冲式扫描仪的精度高几个量级。脉冲式和相位式三维激光扫描仪发射激光信号，都是通过电信号触发激光发射器，发射激光，不同的是脉冲式扫描仪是间歇性发射激光信号，相位式扫描仪是连续性发射激光信号，激光发射器在发射激光的同时，会产生大量的热，过多的热量会对激光发射器的核心部件造成损害。在设计之初，脉冲式扫描仪的激光发射器的发射频率是可调的，激光发射器间歇性的发射激光时产生的热量比相位式连续性的发射激光产生的热量要小很多，但是脉冲式扫描仪为了获得更远的激光飞行距离，所以在发射激光的时候，需要更大的功率，使得单束激光具备更多的能量，这样激光才能飞行的更远，在激光接触到物体发生漫反射之后，还具备返回到扫描仪激光接收器的能量，但是在单束激光获得能量以换取更远的飞行距离的时候，激光发射器的发射频率会自动的降低，这是为了避免激光发射器产生过多的热量，起到保护的作用。这也就是为什么当脉冲式三维激光扫描仪，在调高扫描频率，以期获得更为精细的扫描数据时，扫描仪的扫描距离会降低的原因，因为在调高扫描仪激光发射频率时，单束脉冲激光的能量会小很多，这时的激光脉冲所具备的能量，不足以支撑激光飞行足够远的距离，并且在接触到物体之后，还具有足够的能量使得激光可以返回。例如美国的激光炮，为了摧毁敌方的电子装置，激光需要携带非常强大的能量，但是激光炮的发射频率从通常是半小时左右。在为了使得激光可以飞行更远的距离加大单束激光的发射功率的时候，存在一个非常大的风险，那就是当激光具备足够多的能量时，在离激光扫描仪很近的距离存在高反射率的物体或者会发生镜面反射的物体（玻璃，不锈钢平面等），激光在接触该物体时，发生镜面发射，能量降低很小，返回扫描仪时，依然携带巨大的能量（但是因为脉冲式扫描仪在想要获取更远距离的激光发射时，接收器的阈值会设置的很低，这样接收器才能接收到具备更小能量的激光束），具备巨大能量的激光束会对激光接收器造成伤害，这也是就是脉冲式激光在工作时尽量避免在周围存在会发生镜面反射的物体的直接原因。相位式的扫描仪，激光发射器一直处于触发状态，因为连续发射激光，所以相位式扫描仪的激光发射频率很高，激光发射器的发射频率固定。因为发射频率固定，并且激光发射器产生的热量也必须限制在一定的范围内以确保发射器不会被烧坏，所以单束激光具备能量也就必须固定，功率不能太大，小的能量不足以支撑激光飞行更远的距离，这就是相位式扫描仪距离较近，并且固定的一个最根本的原因。因为激光发射器的发射功率很小，所以相位式三维激光扫描仪一般用电量很少。5.2两种方式三维激光扫描仪主要性能特点脉冲式a.射程：大于200米，最远的甚至达到6,000米；b.精度：对于中距离脉冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程：2,000米）：±7mm（测量距离50米时）；对于超长距离脉冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程：6,000米）：±15mm（测量距离50米以内时）。c.最大激光发射频率：2,000–300,000赫兹。d.扫描速度：受脉冲式影响，扫描速度受到限制。e.太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响：一般。g.应用于以下领域:测绘.矿山.隧道.电力.水利.通讯.环境.建筑.地质.警务.消防.爆破.航海.铁路.反恐/军事.农业.林业.房地产.休闲/户外运动等.相位式a.射程：受相位式影响，扫描射程会受限制，最远距离小于200米。b.精度：一般小于2mm(距离：100米）。c.最大激光发射频率：100万赫兹。d.扫描速度：随所设定的激光发射频率变化。e.太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响：影响不大。5.3三维激光扫描仪的操控方式目前三维激光扫描仪操控方式大体可以分为三种：1.数据线连接PC2.无线遥控（笔记本、PDA）3.集成控制面板数据线连接PC数据线可分为两种，以太网线和USB数据线，PC可以用工业PC，笔记本电脑，移动工作站。优点：a.可以直观显示扫描过程和扫描结果；b.方便设置各种参数，便于学习和上手使用；缺点：需携带附件电脑；续航能力有限。无线遥控无线遥控方式有：WiFi，WLAN，蓝牙。可用笔记本电脑，PDA，HTC甚至手机。主要用于不适合人长时间停留的恶劣环境，如岩洞、地下。优点：a.操作人员不必停留在工作现场；b.可通过屏幕观察扫描过程和扫描结果；c.附件携带方便。缺点：a.PDA或HTC屏幕较小,反应结果不够直观；b.受设备本身和环境影响信号不稳或延迟。集成控制面板操控功能集成在设备上。优点：a.高度集成无需配件，操作简便，单人可完成；b.集成度高，对不同被扫描物体设定参数过程简单，便于新人学习和操作。缺点：无法直观反应扫描过程和结果。6、激光发射器原理及发射器的寿命激光发射器的使用寿命用英文字母LMTTF（LaserMeanTimeToFailure，平均失效前时间）值表示，可以理解为激光发射器在规定的环境下，正常生产到发生下一次故障的平均时间。6.1激光发射器分类及组成部分一般按照激光工作物质分类，可以将激光发射器主要分为以下四类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体（有机染料）激光器。一般激光器的三个主要组成部分：激光工作物质、光学谐振腔、激励能源。激光器的组成6.2各类激光器的区别固体激光器固体激光器一般由激光工作物质、激励源、聚光腔、谐振腔反射镜和电源等部分构成。这类激光器所采用的固体工作物质，是把具有能产生受激发射作用的金属离子掺入晶体而制成的。在固体中能产生受激发射作用的金属离子主要有三类：⑴过渡金属离子（如Cr3+）；⑵大多数镧系金属离子（如Nd3+、Sm2+、Dy2+等）；⑶锕系金属离子（如U3+）。固体激光器目前市场上最常见的