激光雷达基础知识讲解

    光开启了生命的篇章,也照亮了前行的道路。它与我们生活息息相关,也不断地改革着生产方式。那我们今天就来讲讲一个关于光的故事。
    1969年,人类把激光射向月球表面,测得了地月的准确距离。通过发射到接收的时间,乘以光速,所得距离再减半,这就是激光测距的基本工作原理。

     

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    通过这种方法可测量出物体与激光器之间的距离。再通过转动激光发射的角度,可探测不同方向上的距离,以大疆Livox激光雷达为例,Livox安装有两个棱镜,通过旋转棱镜使激光改变发射方向,射往不同点,从而获得多点的距离信息。

     

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    如果要对一块区域进行测量,又该如何?首先,需要激光雷达的移动数据,通过惯性导航设备(IMU)测量得到激光器的移动速度、偏航角和距离等信息。再将这些信息结合激光发射的速度、角度和时间信息,进行计算,最后就能得到这个区域内的点与激光器不同位置之间的距离,从而完成对这块区域的测量。

     

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    由于激光雷达可测量的特性,其可应用于测绘行业。例如无人机测绘。通过与无人机的RTK系统相结合,对测量出每个点赋于位置信息,就可以对地表及其表面物体实现测绘工作。
     
    例如,测量地面的海拔高度。我们从无人机RTK系统获取飞行器的飞行高度(海拔高度),再减去激光雷达测量的飞行器到地面的距离,就可以计算出地面的海拔高度。
     
    但是计算高度还需要考虑两个因素,首先飞行器在空中并不稳定,需要飞行器上的飞控、RTK系统及激光雷达的惯导模块数据相结合才能测量出准确信息;另外机载激光雷达会对地面进行扫描,其中有些脉冲是垂直于地面发射的,但大多是倾斜发射出去的,计算高度时还要考虑脉冲发射的角度。

     

     

    总之,无人机在测量地面海拔高度时,激光雷达将激光发射向地面,然后通过发射到接收的时间,根据光速计算出距离,系统根据飞行器的高度、姿态及发射角度计算地面高度,再通过根据RTK系统得到地面物体的坐标。

     

    激光雷达的几个关键参数

     

    波长

     

    测距时所采用的激光光源大都是近红外波段,使用较多的波长是905nm和1550nm。DJI L1采用的Livox激光雷达波长为905nm,905nm相对于1550nm波长短,在大气中光损小。

     

    量程

     

    激光雷达发出的光能量有限,存在最远的探测距离。探测距离在实际使用过程中受环境影响较大。主要影响因素有:目标物体表面反射率、形状、环境光干扰等等。一般情况下厂家会标明在物体表面不同光照及反射率情况下激光雷达的测量距离。

     

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    DJI L1采用的激光雷达在0klx被测物体反射率为80%时量程为450米;在100klx被测物体反射率为10%量程为190米,在实际使用中可参考10%反射率下的探测距离。

     

    点云数据率

     

    点云数据率又称采样频率、脉冲频率,是单位时间内激光器所能发射激光束的数量。相同条件下,频率越高探测点的数目越多、作业效率越高。DJI L1激光雷达点云数据率最高达240000点/秒。

     

    视场角范围

     

    视场角(FOV)表示激光束的扫描角,指激光束通过扫描装置所能达到的最大角度范围。DJI L1采用的Livox激光雷达重复扫描水平FOV为(70.4°×4.5°),非重复扫描水平FOV为(70.4°×77.2°)。

     

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    重复式扫描

     

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    非重复式扫描

     

    距离精度

     

    激光雷达测距值与真实值的差值,Livox AVIA 激光雷达距离精度为2cm。(测试条件为环境温度25℃,目标物体距离20m,反射率80%)。

     

    激光发散角

     

    如同手电筒一样,激光发出的光存在发散角,会产生光斑。例如激光雷达发散角为0.1*0.1°,在100m外光斑大小为17cm×17cm。
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    多回波

     

    由于光斑的存在,激光雷达可收到多次回波,我们可以利用这一特性检测物体边缘。DJI L1支持多回波模式,最多支持三回波。在多个回波中,第一回波可获取测量对象的高度信息;中间的回波通常对应物体的结构;而最后的回波则对应裸露的地表。在植被茂密的区域,通过多次回波就可以获取树木的数量、冠幅、树高等信息。
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    影响激光雷达测距的几个因素

     

    被测目标物体表面反射率会影响激光雷达测量能力,影响物体表面反射率的因素主要有物体表面颜色和表面类型(亚光、高亮、平滑、粗糙等),通常定义柯达白板(Kodak white material)表面反射率为100%。
    表面粗糙的漫反射物体如水泥墙面,激光可能向任意方向反射,部分会返回激光雷达。
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    表面光滑的镜反射物体如镜子,如果激光束入射角较小,就会造成激光束的反射光束不能返回到接收器。在该点的测量值就会显示为无物体,会造成数据丢失的情况。
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    目标物体表面形状也会影响激光雷达测量距离和效果。当被测的平面物体大于光束直径,此时激光雷达会收到单次回波。
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    当被测的平面物体小于光束直径,此时激光雷达会收到多次回波(被测物体及背景反射),产生测量误差。
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    来源慧飞
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