科普连载 | 激光雷达分类

随着激光雷达技术的不断发展,激光雷达的种类不断增加。

  • 按照测距原理,激光扫描仪主要分为脉冲式和相位式两类:

脉冲式是指激光器向目标发射一束很窄的光脉冲,系统通过测量从信号发出和信号返回的时间间隔来确定激光器到目标物的距离。与此相对,相位式测距则是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,利用调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离。不同于脉冲式激光测距发射的离散的激光脉冲,相位式采用的是连续波激光,由于激光发射能量的限制,此类设备一般用于较近距离的测量。

  • 按照承载平台的不同,激光雷达可以分为地基激光雷达(Terrestrial Laser Scanner, TLS),机载激光雷达(Airborne Laser Scanner, ALS)和星载激光雷达。

由于不同激光雷达平台工作方式和工作原理的区别,不同激光雷达平台的组成部分和应用尺度也不尽相同。

不同类型的激光雷达传感器搭载平台及适用尺度

  • 地基激光雷达,也常称为地面激光雷达扫描仪,通常用于单一目标或者小尺度精细三维数据的采集。地面激光雷达测距系统通常由激光测距系统、激光扫描系统、CCD数字摄影以及仪器内部校正系统等,扫描仪的扫描距离从几米到几千米不等。根据地基激光雷达工作方式的不同又可以细分为固定站式激光雷达扫描仪和移动式激光雷达扫描仪。固定站式激光雷达扫描仪以单站扫描、多站拼接的方式实现对整个测区的覆盖;
  • 移动式地面激光雷达,以背包式和车载激光雷达系统为代表,通常整合了激光雷达传感器、全球卫星定位系统(Global Positioning System, GPS)、惯性导航测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)等硬件,来辅助实现所获取的激光雷达数据的自动拼接。由于地基激光雷达可以详细准确地提供目标的高质量三维点云数据,它的出现弥补了现有观测手段的不足,正逐渐地成为林业调查的一个有力工具。其可以用于获取从单株到林分水平的高精度三维信息,为我们提供了一种非破坏性的高分辨率冠层三维测量手段,为实现单木几何结构参数的自动获取和重建真实三维森林场景提供了可能。
  • 机载激光雷达是以飞行器为搭载平台,通常用于区域尺度三维信息数据的快速获取。其核心的硬件组成有激光雷达传感器、GPS和IMU。目前机载激光雷达主要搭载的飞行器平台有航天器、飞机、汽艇、动力三角翼、无人机等,飞机平台和无人机平台是其中两个典型的代表。由于机载激光雷达平台可以用于快速获取区域尺度上的三维数据,其为大面积森林清查和森林结构参数提取提供了一种全新的技术手段。目前,机载激光雷达系统已被应用于获取景观到区域尺度上的森林结构参数上,在接下来的连载中将对如何从激光雷达数据中获取各种森林结构参数进行详细的介绍。
  • 星载激光雷达是以卫星平台为依托进行大尺度三维信息数据的获取。其研制和应用是在20世纪90年代逐步发展成熟的,相比于机载激光雷达,星载激光雷达运行轨道高、观测视野广,理论上具备提供全球数据的能力。这些特点使它在地形测绘、环境监测、森林调查等方面的应用具有独特的优势(Lefsky 等, 1999;Lefsky,2010;Saatchi 等, 2011)。但是,由于星载激光雷达的轨道高度和发射频率的限制,星载激光雷达的数据密度较低,难以实现空间上连续的观测。目前,全球较为成熟的星载激光雷达系统主要为NASA于2003年发射的搭载于ICESat卫星上的地球科学测高仪GLAS,但该传感器已于2009年退役。其运行期间获取的数据在当前研究中普遍使用,可以用于获取陆地表面高度、粗糙度和反射率、植被冠层高度以及雪盖面和冰面的表面特征等信息(Tao 等, 2014;Su 等, 2016)。NASA计划于2018年发射新一代星载激光雷达传感系统,将搭载于ICESat2卫星上;我国也计划于在2020年发射搭载于林业局碳卫星上的星载激光雷达传感器系统。
商业激光雷达设备简介

目前商业激光雷达的系统主要还是以地基和机载系统的开发为主,星载激光雷达系统由于开发、维护和发射等成本过高,还很少有商业系统出现。

  • 国外商业激光雷达设备简介

国外的商业激光雷达设备的开发技术比较成熟,制造厂商非常多,如加拿大Optech公司、奥地利Reigl公司、瑞典HEXAGON公司旗下的徕卡测量系统(Leica Geosystems)、美国Trimble公司、Velodyne公司、Faro公司等。

表1.1中介绍了目前具有代表性的主流商用激光雷达系统及其参数信息。Riegl VZ系列,Trimble VX, Faro Focus3D等是固定式地基激光雷达扫描仪的典型代表。这类设备的特点是其体积和重量中等,测距距离在数百米到数公里不等,测距精度和发射频率相对较高。Velodyne Puck VLP16, Velodyne HDL系列, Rigel VUX系列等是轻便型激光雷达扫描仪的典型代表。受平台载荷的限制,这类设备是移动式激光雷达系统和无人机激光雷达系统的首选。尽管这类设备的单次扫描范围相对较小,但是由于平台的可移动性,整套系统的作业效率和作业范围都大幅提高。Optech ALTM系列, Rigel LMS系列, Leica ALS系列等设备是目前机载激光雷达系统的主流。这类设备通常较为笨重且昂贵,但是其测距范围和测距精度较高,能够很好的适应于快速移动的飞机平台。

常见商业地基激光雷达设备

  • 国内商业激光雷达设备简介

国内商业激光雷达设备的开发起步相对较晚,还处在原型产品开发阶段。虽然也有很多院校研发激光雷达传感器,但是真正商业化的激光雷达设备鲜有报道。近些年来,我国在轻便型激光类雷达设备的开发中取得了较大的进展,如上海禾塞光电科技有限公司、镭神智能系统有限公司和北京北科天绘科技有限公司等。其设备的主要参数已经可以和国外厂商相媲美。此外,国内厂商在激光雷达系统集成方面开展了大量研究并已实现商业化,如北京数字绿土有限公司、北京金景科技有限公司和吉鸥信息技术有限公司等。其中,北京数字绿土有限公司是这一类型厂商中的典型代表,其所开发的背包式激光雷达系统LiBackpack、无人机激光雷达系统LiAir和机载激光雷达系统LiEagle都处在国内外领先水平。此外,该公司还开发了配套的数据处理软件系统LiDAR360,其软硬件系统已在林业、电力业、测绘、农业、生态等领域被广泛应用。

 

表1.1 主流商业激光雷达扫描仪型号及性能指标

厂商 国家 型号 扫描类型 射程 扫描视场 测距精度 最大扫描速率 激光级别a
Leica 瑞士 HDS3000 脉冲 2-100m 360°×270° 6mm@50m 4000点/s III
HDS6000 相位 1-79m 360°×310° 6mm@50m 500000点/s III
ScanStation2 脉冲 2-300m 360°×270° 6mm@50m 50000点/s III
HDS C10

ALS70-HP

脉冲

脉冲

0.1-300m

1-3500m

360°×270°

75°

2mm@100m

10cm@1000m

50000点/s

1500点/s

III

III

Trimble 美国 GS 100 脉冲 1-100m 360°×60° 6mm@50m 5000点/s II
GX 3D 脉冲 1-350m 360°×60° 12mm@100m 5000点/s III
GX 脉冲 ≤350m 360°×270° 7.2mm@100m 50000点/s 3R
VX 脉冲 >150m 取决于取景窗口 10mm(<150m) 15点/s
Riegl 奥地利 LPM-2K 脉冲 2-2000m 360°×190° 50mm 3600点/s I
LPM-321 脉冲 10-6000m 360°×150° 15-25mm 1000点/s I
LMS-Z620 脉冲 2-2000m 360°×80° 10mm 11000点/s I
VZ-400

VUX-1

脉冲

脉冲

1-500m

3-300m

360°×100°

330°

5mm

10mm

12500点/s

550000点/s

I

I

Faro 美国 LS420 相位 0.6-20m 360°×320° 3mm@20m 120000点/s III
LS840/880 相位 0.6-40m/70m 360°×320° 3mm@25m 120000点/s III
Photo 20/80 相位 0.6-20m/76m 360°×320° 2mm@25m 120000点/s III
FOCUS 3D 相位 ≤153m 360°×305° 2mm@25m 976000点/s 3R
Optech 加拿大 ILRIS-3D/3Dvp 脉冲 3-1500m 40°×40° 7mm@100m 2500点/s I
ILRIS-36D 脉冲 3-1500m 360°×110° 7mm@100m 2500点/s I
ILRIS-3D/3DER

ALTM Gemini

脉冲

脉冲

3-2000m

150-4000m

40°×40°

50°

7mm@100m

5-30cm

2500点/s

280点/s

I

I

Z+F

Velodyne

德国

美国

Imagery 5010

VLP16

HDL-32E

HDL-64E

相位

脉冲

脉冲

脉冲

0.3-187m

1-100m

1-70m

1-120m

360°×320°

360°×30°

360°×40°

360°×26.9°

 

1mm@50m

±3mm@100m

±3mm@100m

±2mm@120m

1016700点/s

300000点/s

700000点/s

>1330000点/s

I

I

I

I

根据激光对人体造成的伤害程度来分类。I级激光属于最低能量激光设备,II级对人体安全且避免静电危险;III级激光是连续的激光波,人眼直视有危险。