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激光雷達是什么?怎么選?怎么用?-華測導航

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激光雷達是什么?怎么選?怎么用?
作者:    時間: 2019-12-06    瀏覽量:7205
近年來,一個叫激光雷達的家伙進入了測繪各個領域,很多人對它感覺很陌生,其實不然,他可是老家伙了,我們所熟知的地球與月亮的距離,就是通過激光測距技術實現的。激光測距的原理很簡單,就是通過測量激光從發射到月面反射光到達地球的時間,乘以光速再除以2,就是地月距離了。 為了保障激光能夠很好地反射回來,登月的美國人特地在月球上放置了這樣一面反射鏡,以保障激光很好地反射回來。


人類登錄月球


隨著GPS和IMU(慣性導航技術)的發展,使精確的即時定位、定姿成為可能,很多廠商發現,這家伙用來干測繪非常適合,所以近年來激光雷達就被推到了各位的面前。有人看見激光雷達,心中會冒出來一個疑惑:


激光雷達和雷達有什么區別?

激光雷達是雷達么?

答案:是!

不信我們看下圖:


激光雷達和雷達的區別


他們的區別就和名字一樣簡單易懂 ,激光雷達就是,發射激光的雷達。在原理上基本類似,只是激光雷達發射的是一條直線的光束,而雷達發射出去的是一個錐狀的電磁波波束。 

按照用途,我們可以把激光傳感器分為兩類,即避障級和高精度測繪級,通過對比我們可以發現在一些關鍵參數上,如角分辨率、視場角、測量距離、測量速率、測量精度、多次回波技術、多周期回波技術等,這兩類激光傳感器有較大差別。接下來我們著重聊一下測繪激光雷達。

測繪激光雷達是將激光傳感器、GNSS、IMU和相機集成在一起的一個系統,通過各個傳感器的參數標定,可以精確計算出傳感器之間的位置偏差,以及不同坐標系間轉換所用到的旋轉角,從而將獲取的點云數據的相對坐標轉換成大地坐標??傊梢赃呑哌厭?,而且掃出來的點全是大地坐標!就是這么炫酷!


測量型激光雷達系統組成

測量型激光雷達系統組成


在使用激光雷達做測繪時,我們一般可以采用汽車、無人機、有人機等移動平臺作為載體,將移動中的激光原始數據、GNSS數據、IMU數據,后期通過Post-processing模式的后處理得到厘米級精度POS數據,基于POS和原始激光數據生成我們常??吹降募す恻c云成果。


機載彩色點云

機載彩色點云

車載彩色點云

車載彩色點云 


那么各搭載平臺間有什么差異,該如何選擇?

追求效率直接裝到直升機或者固定翼飛機上!

測量效率直接拉滿,但由于直升機或固定翼飛的較高,所以精度就差一些,一般在10CM左右,做大面積地形測繪可選取這種手段。 


直升機搭載激光雷達,有人機機載雷達

直升機搭載激光雷達


測區適合飛行,且對精度有要求,就用旋翼無人機。

使用旋翼無人機效率略遜于固定翼無人機,但在精度控制方面更能得心應手,可以達到5cm精度。機載激光雷達是一種萬金油的組合,無論何種地形都能一顯身手。


無人機機載雷達,機載Lidar

旋翼無人機作業模式


特定城區或者街道環境,選用車載模式激光雷達車載模式。

只能掃描道路兩邊200米內的數據,掃描區域受限,一般道路改擴建項目或者帶狀地形圖項目可以使用此種作業模式,100米內的精度在5cm。       


 車載激光雷達,車載作業模式

車載作業模式

背包作為補充手段,填補最后的空白

由于我們是多平臺激光雷達,甚至可以背在背上進行測量。背包模式的存在,是為了補充以上幾種作業方式的不足,用于測量一些汽車和飛機都進不去的地方,比如地下空間測量,礦山測量、方量計算等地方。由于人在背負設備步行時存在一定人為抖動,一般經過處理后在10cm左右。


背包激光雷達

背包作業模式


激光雷達這么多參數,我應該關注什么指標? 

1、角分辨率,也就是測角精度

角分辨率是掃描儀分辨目標的能力,測角分辨率越小,則表明能夠分辨的目標越小,這樣測量出的點云數據就越細膩。一般避障級激光傳感器的測角精度只有0.1°左右,而測繪級激光傳感器角分辨率一般是0.001°甚至更低。 


2、測量距離

測量距離與激光發射頻率和實際地物反射率有關,最大測量距離和反射率有關,一般是指ρ≧60%(部分甚至到ρ≧90%)的情況下的最大掃描距離,同時測量距離與激光發射頻率成反比,發射頻率越大,測量距離越小不同的物體(山坡,植被,水泥建筑物,金屬管道,土壤礦物,煤等)具有不同的反射率,大多數建筑物的反射率為50%左右,煤和瀝青路面在20%左右,因此在實際應用中,我們要對設備的最大射程打折。 


3、測量速度
一般通過激光脈沖的最大發射頻率來體現,例如RIEGL的VUX-1UAV其最大激光發射頻率為550 000點/秒,而mini VUX-1UAV 是100 000點/秒。

4、測量精度

它指測量一定數量后得出的真實值,是與真實一致性的度,重復精度也叫再現性或可重復性,是用于表示多次測量得到同一結果的可能性的量。一般測繪級的激光傳感器測量精度都在1cm左右。 


5、視場角

視場角=激光束的掃描角,指激光束通過掃描裝置所能達到的最大角度范圍,而有效視場角一般還會與實際作業時的航高、有效測量距離有關。雖然很多激光傳感器的水平視場角是360°的,我們實際應用時一般只會用到90°-120°。 


好處說了這么多,那么激光雷達的不足在哪?

1、受天氣和環境的影響。

無論是哪種模式的激光雷達工作方式,由于激光的物理特性的限制,激光傳感器受環境因素影響較大,在室外和在煙霧、粉塵、雨雪、沙塵和強光環境中均無法穩定可靠地工作。

2、貴

工業用品的價格是理性的,它的研發成本很高,而這只能靠量產去攤薄,現階段激光雷達的需求還沒有那么大的量,這讓成本難以降低。 另一塊是邊際成本,激光雷達屬于高精密機械,能用于測繪激光頭比避障級更是貴得多,產品制作不容易,制作成本本身就很高了。


雖然目前激光雷達還算不上完美,但由于它能夠透射植被的特點,能夠直接測量地表,很好地解決密林測量難題,因此受到了很多客戶的青睞。未來,隨著技術的進步以及量產的增加,成本過高的問題可以有效降低,目前雖然激光雷達不算完美,但它未來可期!
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