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【劉博士談光達 激光雷達掃描儀的掃描方式】 |
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劉燕京博士 |
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激光雷達激光器的掃描方式
目前市場上的脈衝式激光器有四種掃描方式
- 振盪(或叫鐘擺)式 (Oscillating Mirror)
- 旋轉菱鏡式 (Rotating Polygon)
- 章動(或Palmer)式 (Nutating Mirror, or Palmer Scan)
- 光纖掃描式 (Fiber Switch)
鐘擺式掃描方式
原理:光直接入射到反射平面鏡上,每一個鐘擺週期在地面上生成一個週期性的線性圖案,Zig-Zag型,或稱為”之”字形。
生產廠商:Optech和Leica公司
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鐘擺式掃描時,反射鏡面需要在一秒內振盪數百次,同時要不斷地、循環地從一端開始進行啟動、加速,達到鐘擺的最低點後減速,直到速度為零,到達鐘擺的另一端。因此它的掃描方向是左右兩個方向的。
優點：
- 對於掃描視窗角(FOV),掃瞄速度有許多種選擇,使得地面的覆蓋寬度和激光點密度的選擇有較多的機會
- 大的光窗數值孔徑
- 較高的接收信號比
缺點：
- 由於在一個週期內,不斷地經歷了加速、減速等步驟,因此,所輸出得激光點的密度是不均勻的。這種不均勻性在掃描角度很小(如±2°)時,因為過程短並不顯著,當掃描角逐漸增大＞±4°時,不均勻性會越來越顯著。
- 由於反射鏡的加速、減速,造成了機光點的排列一般是在鐘擺的兩端密、中間疏。而中間的數據是較受關心的、更關注的。由於在鐘擺的兩端,鏡面的擺動速度較低或停止,並掃描兩次,因此所得的數據精度差需要剔除,約佔總數據的10%。
- 由於不斷地變化速度,造成了機械的磨損,使得IMU的配置發生了飄移,因此每一次飛行前都需要進行”boresight”檢校飛行。
- 消耗更多的功率
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旋轉菱鏡式掃描方式
原理:激光入射到連續旋轉的多菱鏡表面上,經反射在地面上形成一條條連續的、平行的掃描線。
激光器生產廠商:Riegl
激光雷達生產廠商: IGI,TopSys,Flimap,iMAR,Fugro/Chance
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優點:
- 需要的功率小
- 菱鏡旋轉的角速度不便使得激光點的密度均勻,尤其是沿飛機飛行的方向的線間距完全相同
缺點:
- 因為使用了對眼睛安全的波長,為了減少色散度,選擇了較小的光窗數值孔徑,一般為5cm
- 因為在光通過每一個多菱鏡的表面時,都會經歷一段較多的不能接受光信號的時間,相對低的反射信號接收比。最大信號接收比一般低於70%
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鐘擺式掃描與旋轉菱鏡式掃描的激光點密度的比較
一般情況鐘擺式掃描的信號接收比最大在83%左右,但是要扣除約10%的鐘擺端的數據,因此,最後所獲得的信號接收比最大約在75%左右。旋轉菱鏡式掃描的信號接收比最大約在67%左右。
如果激光器的最大發射頻率相同的情況下,鐘擺式掃描的信號接收比要比旋轉菱鏡式掃描的多8%。但是,如果最大發射頻率不同,如Riegl的LMS-Q560的最大發射頻率是240,000赫茲,而萊卡和Optech的最大發射頻率約為150,000赫茲。在同樣的飛行高度和速度等條件下,Riegl的激光器的信號接收為160,000赫茲,而萊卡和Optech的僅為112,000赫茲。
具體的數據還要考慮飛行的速度、飛行的高度、地面的地形地貌、地面物的反射係數等。
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