基于激光三角测距法的激光雷达原理综述
基于激光三角测距法的激光雷达原理综述
基于激光三角测距法的激光雷达原理综述作者：周俞辰来源：《电子技术与软件工程》2016年第19期摘要本文主要介绍了激光雷达系统的特点和基本结构，着重讨论了基于激光三角测距法的激光雷达的工作原理，详细论述了二维激光扫描的测量方法，并延伸讨论了三维激光扫描的测量方法及光路结构。
【关键词】激光雷达激光三角测距法 2D/3D激光扫描1 引言激光雷达LiDAR（Light Detection and Ranging），是激光探测及测距系统的统称，是一种通过位置、距离、角度等测量数据直接获取对象表面点三维坐标，实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术。
激光雷达最基本的工作原理与普通雷达相似，均是通过发射系统发送一个信号，由接收系统收集并处理与目标作用产生的返回信号，来获得对象表面的三维信息。
目前激光雷达的测量原理主要分为脉冲法，相干光法和三角法三种，本文主要讨论基于激光三角测距法的激光雷达系统的工作原理。
2 激光雷达基本理论2.1 激光雷达系统的特点及应用前景激光雷达相比于传统接触式测量具有快速、不接触、精度高等优点，同时该技术受成像条件影响小，反应时间短，自动化程度高，对测量对象表面的纹理信息要求低。
在激光雷达应用的主要测量原理中，脉冲法和相干光法对激光雷达的硬件要求高，但测量精度比激光三角法要高得多，故多用于军事领域。
相比于此，激光三角测距法因其成本低，精度满足大部分工业及民用要求，得以受到关注。
目前移动机器人的导航方式主要包括：磁导航、惯性导航和视觉导航，其中视觉导航由于具有信号探测范围广，获取信息完整等优点，是移动机器人导航的一个主要发展方向。
目前机器人的SLAM（Simultaneous localization and mapping，同步定位与地图构建）算法中最理想的设备仍旧是激光雷达，机器人通过激光扫描得到所处环境的2D或3D点云，从而可以进行诸如SLAM等定位算法，确定自身在环境当中的位置并创建出所处环境的地图。
激光三角原理
激光三角原理
激光三角原理是一种应用于测距的原理，通过激光束发射和接收的时间差来计算目标物体与仪器的距离。
该原理基于光的传播速度恒定的性质，利用光速和时间的线性关系实现精确测量。
激光三角原理的测距方法主要有两种：一种是激光测距仪，另一种是激光雷达。
激光测距仪通常采用TOF（Time of Flight）方式，即测量激光束从发射到接收所花费的时间。
激光雷达则利用相位差测量原理来确定距离，通过测量激光波束在传播过程中的相位变化，计算目标物体与激光雷达的距离。
在实际应用中，激光测距仪和激光雷达都能够实现高精度的距离测量。
它们广泛应用于测绘、建筑、无人驾驶等领域。
激光三角原理的优势在于非接触性、高精度性和适用于各种目标物体。
但同时也存在一些限制，比如对目标物体的表面反射率要求较高，对环境光的干扰敏感等。
总之，激光三角原理是一种重要的测距原理，其应用广泛且具有很高的精度和可靠性。
它的发展将为各行各业的测量和探测工作提供更加准确和可靠的手段。
基于激光雷达的三维测绘技术解析
基于激光雷达的三维测绘技术解析激光雷达技术在三维测绘领域的应用日益广泛，它通过发射激光束并测量其返回时间来获取地面、建筑物等物体的准确三维坐标信息。
本文将对基于激光雷达的三维测绘技术进行解析，探讨其原理、应用和未来发展趋势。
一、激光雷达三维测绘技术的原理激光雷达三维测绘技术基于激光原理和雷达测量原理，通过激光脉冲以及其返回时间来测量目标物体的距离、位置和形状。
通常，激光雷达系统包括发射器、接收器和控制系统。
激光雷达的发射器通过激光二极管或固态激光器产生激光束。
该激光束经过光学系统聚焦，然后以高频率和高功率瞬态脉冲形式发射出去。
当激光束击中目标物体时，部分光会被反射回来，并被接收器接收。
接收器会记录下光的返回时间，并通过计算得出与目标物体的距离。
通过控制系统的帮助，激光雷达还可以测量激光束的角度，从而计算出目标物体的准确三维坐标。
二、基于激光雷达的三维测绘技术应用案例基于激光雷达的三维测绘技术在各个领域的应用越来越多，以下将从建筑设计、工程监测和自动驾驶等方面介绍几个应用案例。
首先是在建筑设计中的应用。
传统建筑设计需要通过手工绘图或测量来获取建筑物的准确尺寸，在效率和准确度上存在一定的问题。
而基于激光雷达的三维测绘技术能够快速、准确地获取建筑物的三维数据，帮助设计师更好地理解现有建筑结构，提高设计效率和准确度。
其次是在工程监测中的应用。
基于激光雷达的三维测绘技术能够实时监测土地表面的变化和建筑物的沉降情况。
工程监测人员可以通过长期监测数据的分析，及时发现问题并采取措施预防和解决潜在风险。
再次是在自动驾驶领域的应用。
自动驾驶汽车需要实时获取周围环境的准确三维信息，以确保安全行驶。
基于激光雷达的三维测绘技术能够为自动驾驶汽车提供高精度的三维地图和高程数据，使其能够在复杂的道路环境中进行准确导航和规避障碍物。
三、基于激光雷达的三维测绘技术未来发展趋势基于激光雷达的三维测绘技术在精度和应用范围上已经有了较大的提升，但仍存在一些挑战和改进空间。
基于激光雷达的三维测绘技术的原理与应用
基于激光雷达的三维测绘技术的原理与应用激光雷达是一种通过发射激光束并接收反射回来的光来测量目标物体距离和形状的一种测绘技术。
它具有高精度、高速度和无接触的特点，广泛应用于地理信息系统（GIS）、建筑物模型、自动驾驶等领域。
本文将详细介绍激光雷达的原理与应用。
一、激光雷达的原理激光雷达主要由激光发射器、接收器、计时器和扫描装置组成。
激光发射器发射高能激光束，激光束经过镜面反射、聚焦后，照射到目标物体上，并发生反射。
接收器接收到反射回来的激光束，并将其转化为电信号。
计时器记录下激光束发射和接收的时间差，根据光速和时间差可以计算出目标物体到激光雷达的距离。
扫描装置负责调整激光束的方向，使其能扫描整个目标区域。
激光雷达的工作原理基于时间差测量原理和三角测量原理。
通过测量激光束从发射到接收所经历的时间差，再结合已知的激光速度，可以计算出目标物体到激光雷达的距离。
而激光雷达的角度信息则通过测量激光束的入射角度和出射角度来获取，通过三角测量原理计算出目标物体的水平位置和高度。
二、激光雷达的应用1. 地理信息系统（GIS）激光雷达在GIS中的应用非常广泛。
通过激光雷达扫描地面，可以获取大范围的地形数据、建筑物模型等信息，并生成高精度的地图。
这些地图可用于城市规划、土地利用、环境保护等方面，为决策者提供准确的数据支持。
2. 建筑物模型激光雷达可以快速、精确地获取建筑物的三维模型。
通过将激光雷达扫描的数据导入建模软件，可以生成真实且精细的建筑物模型，用于建筑设计、景观规划等领域。
这对于建筑师、设计师等专业人士来说，提供了非常有价值的工具和参考。
3. 自动驾驶激光雷达在自动驾驶领域起到了重要作用。
通过激光雷达扫描周围环境，可以实时获取障碍物的位置和距离信息，以及道路、交通标志等信息。
这些数据可以为自动驾驶系统提供高精度的感知和定位，提高行车安全性和辅助驾驶功能。
4. 航空航天工程在航空航天工程中，激光雷达被广泛应用于地形测绘、目标识别、导航与定位等方面。
三角法雷达原理
三角法雷达原理三角法雷达原理雷达技术是一种通过射频信号来探测和跟踪目标的技术。
它通过测量目标与雷达设备之间的距离、方向和速度，从而实现对目标的掌握和追踪。
雷达技术被广泛应用于气象预报、航空航天、军事防御等领域。
其中，三角法雷达是一种基于三角函数的雷达原理。
三角法雷达原理是基于三角函数的数学原理而产生的。
它利用了三角函数的周期性特点，通过测量射频信号的频率和波长，来计算被测目标与雷达之间的距离。
首先，我们需要知道射频信号的频率和波长之间的关系。
在自由空间中，射频信号的频率f和波长λ之间有如下关系式：c = f × λ其中，c是光速，约为3×10^8 m/s。
根据上述关系式，我们可以计算出射频信号的波长。
当雷达发射器发射信号时，这个信号会遇到被测目标并返回。
雷达接收器会接收到返回信号，并对其进行处理。
在三角法雷达中，我们需要测量信号的相位差，从而计算出目标与雷达之间的距离。
信号的相位差是指两个信号的相位之差。
在三角法雷达中，我们可以利用三角函数的周期性特点来测量相位差。
具体的测量方法是，我们将雷达设备的发射信号与返回信号进行叠加，然后比较它们的相位差。
假设雷达设备发射的信号为S1(t)，返回的信号为S2(t)，它们的相位差为Δφ。
我们可以得到如下关系式：S1(t) = A × cos(ω1t + φ1)S2(t) = B × cos(ω2t + φ2)其中，A和B分别表示发射信号和返回信号的幅度，ω1和ω2表示它们的角频率，φ1和φ2表示它们的初始相位。
叠加后的信号为：S(t) = A × cos(ω1t + φ1) + B × cos(ω2t + φ2)我们可以利用三角函数的加法定理将叠加后的信号进行简化，得到如下关系式：S(t) = C × cos(ω0t + φ0)其中，C表示叠加信号的幅度，ω0表示叠加信号的角频率，φ0表示叠加信号的初始相位。
基于PSD的激光三角测距法原理、系统和精度分析
基于PSD的激光三角测距法原理、系统和精度分析激光三角测距法原理、系统和精度分析1.三角测距方式三角测距是一种测量距离的方法，通过测量三角形的三个角度或三个边长来确定目标物体与测量仪之间的距离。
激光三角测距法就是利用激光束发射器向目标物体发射激光束，然后通过接收器接收反射回来的激光束，最后利用三角形计算目标物体与测量仪之间的距离。
2.激光三角法原理分析激光三角测距法是利用激光束在空间中直线传播的特性，通过测量激光束的发射方向和反射方向之间的角度差，来计算目标物体与测量仪之间的距离。
在实际应用中，通常采用相位测量法来测量激光束的相位差，进而计算出角度差，从而得到目标物体与测量仪之间的距离。
3.激光三角法距离计算激光三角测距法的距离计算涉及到角度测量和相位测量两个方面。
角度测量是通过测量激光束的发射方向和反射方向之间的角度差来实现的，而相位测量则是通过测量激光束的相位差来计算角度差。
最终，通过三角形计算公式，可以得到目标物体与测量仪之间的距离。
4.激光三角法精度分析激光三角测距法的精度受到多种因素的影响，包括系统探测能力、像点弥散斑等。
系统探测能力是指系统对光信号的接收能力，它受到PSD接收光功率、光能质心等因素的影响。
像点弥散斑是指激光束在目标物体表面反射时产生的光斑扩散现象，它会对系统的探测能力产生影响。
5.系统探测能力的影响因素5.1 PSD接收光功率对系统探测能力的影响PSD接收光功率是影响系统探测能力的重要因素之一，它受到激光束功率、反射率等因素的影响。
当PSD接收光功率较小时，系统的探测能力会受到限制，从而影响测量精度。
因此，在实际应用中，需要采用一定的技术手段来提高PSD接收光功率，以提高系统的探测能力。
5.2 光能质心对探测能力的影响光能质心是指激光束在PSD上的位置，它受到激光束发射方向、反射面形状等因素的影响。
当光能质心偏离PSD中心时，会导致系统的探测能力下降，从而影响测量精度。
激光三角法测量原理
激光三角法测量原理
激光三角法测量原理是一种常见的测量方法，它利用激光束的直线传播特性和
三角形的几何关系，通过测量三角形的边长和角度来确定目标物体的位置和形状。
激光三角法测量原理广泛应用于工程测量、地质勘探、建筑施工等领域，具有测量精度高、操作简便、适用范围广等优点。
首先，激光三角法测量原理的基本原理是利用激光器发出的一束平行光束照射
到目标物体上，然后由接收器接收反射回来的光线，通过测量光线的方向和距离来确定目标物体的位置。
在实际测量中，通常会使用两个或多个激光器和接收器，通过它们之间的相对位置和角度来构建一个三角形，从而实现对目标物体的测量。
其次，激光三角法测量原理的关键在于测量三角形的边长和角度。
在测量过程中，需要准确地测量激光束的方向和距离，以及激光器和接收器之间的相对位置和角度。
通过这些数据的测量和计算，可以确定目标物体的位置和形状，实现对目标物体的精确测量。
此外，激光三角法测量原理还需要考虑到测量误差的影响。
由于测量过程中存
在各种误差，如激光束的发散、接收器的精度、环境因素等，因此在实际测量中需要对这些误差进行补偿和校正，以确保测量结果的准确性和可靠性。
总的来说，激光三角法测量原理是一种基于激光技术的高精度测量方法，具有
广泛的应用前景和重要的实际意义。
通过对其原理和关键技术的深入理解和研究，可以进一步提高测量精度和测量效率，推动激光测量技术在各个领域的应用和发展。
激光雷达三角测距原理
激光雷达三角测距原理毫米波激光雷达三角测距原理一、什么是毫米波激光雷达三角测距原理？毫米波激光雷达三角测距原理是一种应用毫米波激光技术，通过三角测距方式来测量物体间的距离和位置信息的测距技术。
它可以定位物体精确到几毫米，用来测量物体的位置和距离，通常应用于陆地、空间和深海等领域。
二、毫米波激光雷达三角测距原理原理介绍：1、基本原理：毫米波激光雷达三角测距原理基于三角测距法，即三点确定一个物体的方法。
原理如下：发出一束激光信号，从一个固定的发射点P1发出，经过一定的弹道后射入物体上，照射出的反射光束接收器可以接收到反射光，并记录接收时的时间和强度；再用另一个接收点P2进行同样的操作，以此类推。
三个接收点的时间和反射强度，即可确定这个物体的距离。
2、工作原理：激光雷达原理很简单，它是用一个激光发射器（发射口）发出一束激光光束，激光光束穿透物体后会发生反射，然后由一个接收器（接收口）接收到反射的光束，再用一定的方程可以计算出物体与接收机之间的距离。
毫米波激光雷达三角测距原理应用了三角测距原理，即通过三个激光接收点（将激光反射来的光束收集在接收器上，可以接收到反射光），以及记录到反射光束接收时间与强度，能够确切定位到发射接收器与物体之间的距离，用来测量物体的位置和距离，通常应用于陆地、空间和深海等领域。
三、毫米波激光雷达三角测距原理的优点：1、准确性高：毫米波激光雷达三角测距原理能够精确测量物体的距离；2、灵活性强：发射端口、接收端口可随意设置，可以实现多种不同的测距模式；3、测量距离远：激光可以穿过气体、雾霾和其他物质，可以实现远距离测距；4、快速精准：可以快速准确测量物体的位置，有利于改进测量精度和效率；5、耐受高温：激光雷达的发射和接收器都耐高温，一定程度上可以克服环境温度变化对测距的影响。
四、毫米波激光雷达三角测距原理的应用：毫米波激光雷达三角测距原理主要应用在构建视觉巡线、路径规划、回避行为等实现自动导航、跟踪抓取、安全停止等功能，还可以应用在消防、机器人抓取、机器物料用夹具、物体检测等领域。
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基于激光三角测距法的激光雷达原理综述
作者：周俞辰
来源：《电子技术与软件工程》2016年第19期
摘要
本文主要介绍了激光雷达系统的特点和基本结构，着重讨论了基于激光三角测距法的激光雷达的工作原理，详细论述了二维激光扫描的测量方法，并延伸讨论了三维激光扫描的测量方法及光路结构。
【关键词】激光雷达激光三角测距法 2D/3D激光扫描
1 引言
激光雷达LiDAR（Light Detection and Ranging），是激光探测及测距系统的统称，是一种通过位置、距离、角度等测量数据直接获取对象表面点三维坐标，实现地表信息提取和三维场景重建的对地观测技术。
激光雷达最基本的工作原理与普通雷达相似，均是通过发射系统发送一个信号，由接收系统收集并处理与目标作用产生的返回信号，来获得对象表面的三维信息。
目前激光雷达的测量原理主要分为脉冲法，相干光法和三角法三种，本文主要讨论基于激光三角测距法的激光雷达系统的工作原理。
2 激光雷达基本理论
2.1 激光雷达系统的特点及应用前景
激光雷达相比于传统接触式测量具有快速、不接触、精度高等优点，同时该技术受成像条件影响小，反应时间短，自动化程度高，对测量对象表面的纹理信息要求低。
在激光雷达应用的主要测量原理中，脉冲法和相干光法对激光雷达的硬件要求高，但测量精度比激光三角法要高得多，故多用于军事领域。
相比于此，激光三角测距法因其成本低，精度满足大部分工业及民用要求，得以受到关注。
目前移动机器人的导航方式主要包括：磁导航、惯性导航和视觉导航，其中视觉导航由于具有信号探测范围广，获取信息完整等优点，是移动机器人导航的一个主要发展方向。
目前机器人的SLAM（Simultaneous localization and mapping，同步定位与地图构建）算法中最理想的设备仍旧是激光雷达，机器人通过激光扫描得到所处环境的2D或3D点云，从而可以进行诸如SLAM等定位算法，确定自身在环境当中的位置并创建出所处环境的地图。
激光雷达的非
接触式测量特点，具有快速、精度高、识别准确等优点，广泛应用于移动机器人视觉系统的距离、角度、位置的测量方面，成为测量研究领域的热点。
2.2 激光三角测距法的基本原理
用一束激光以一定的入射角度照射被测物体，激光在物体表面发生反射和散射，在另一角度利用透镜对反射激光汇聚成像，光斑成像在CCD（Charge-coupled Device，感光耦合组件）位置传感器上。
当被测物体沿激光方向发生移动时，位置传感器上的光斑将产生移动，其位移大小对应被测物体的移动距离，因此可通过算法设计，由光斑位移距离计算出被测物体与基线的距离值。
由于入射光和反射光构成一个三角形，对光斑位移的计算运用了几何三角定理，故该测量法称为激光三角测距法。
按入射光束与被测物体表面法线的角度关系，一般可分为斜射式和直射式两种测距方式。
2.2.1 斜射式激光三角测距法
当光路系统中，激光入射光束与被测物体表面法线夹角小于90°时，该入射方式即为斜射式。
如图1所示的光路图为激光三角法斜射式光路图。
由半导体激光器发射的激光与物体表面法线成一定角度入射到被测物体表面，反（散）射光经B处的透镜汇聚成像，最后被光敏单元采集。
由图1可知入射光AO与基线AB的夹角为α，AB为激光器中心与CCD中心的距离，BF 为透镜的焦距f，D为被测物体距离基线无穷远处时反射光线在光敏单元上成像的极限位置。
DE为光斑在光敏单元上偏离极限位置的位移，记为x。
当系统的光路确定后，α、AB与f均为已知参数。
由光路图中的几何关系可知△ABO∽△DEB，则有边长关系：
在确定系统的光路时，可将CCD位置传感器的一个轴与基线AB平行（假设为y轴），则由通过算法得到的激光光点像素坐标为（Px，Py）可得到x的值为：
其中CellSize是光敏单元上单个像素的尺寸，DeviationValue是通过像素点计算的投影距离和实际投影距离x的偏差量。
当被测物体与基线AB产生相对位移时，x改变为x’，由以上条件可得被测物体运动距离y为
2.2.2 直射式激光三角测距法
如图2所示，当激光光束垂直入射被测物体表面，即入射光线与被测物体表面法线共线时，为直射式激光三角法。
由光路图，仿照斜射式激光三角测距法的结论可知：
2.2.3 两种激光三角测距法入射方式的比较
斜射式和直射式激光三角测距法均可实现对被测物体的高精度、非接触测量，但两者之间存在区别，主要有以下几点：
（1）斜射式激光三角法可以测量被测物体表面接近镜面的反射光，但斜射式激光三角法主要接收物体表面的散射光，因此对被测物体表面的散射性能要求较高。
（2）斜射式激光三角法成像的光斑较大，光强不集中，随入射角度的变化有差异，体积比直射式大，测量范围小，但直射式的分辨率没有斜射式的高。
（3）斜射式激光三角法在被测物体发生位移时，被测物体上的光斑将照射在不同位置，对被测物体上某一定点，无法确定其位移情况，而直射式的光斑与位置是一一对应的。
基于直射式激光三角法在几何算法上更为简单，误差较之斜射式小，且体积可以设计得更为紧凑小巧，故工程应用上常采用直射式激光三角法。
2.2.4 三维激光扫描原理
以上的激光三角测距原理给出了2D激光扫描的方式：点状激光器产生的激光在被测物体表面形成入射光点，其发射光和散射光在CCD位置传感器上形成光斑，通过算法测定出入射光点距离基线的距离，通过旋转物体可得到物体表面相对于基线的二维信息。
但二维激光扫描的效率低，不利于快速获取被测物体表面的三维信息，因此常采用线状激光器代替点状激光器以实现三维扫描。
图3为3D扫描测距原理示意图。
由线状激光器产生的激光在被测物体表面形成光斑，图中P1点位于CCD投影画面高度的中点，易知该点在光敏单元上的投影P1’到B点处透镜的距离应为焦距f，则P1点到基线的距离可按上文的公式求出。
任取光斑上的另一点P2，其在光敏单元上的成像点为P2’，记f ’为投影点P2’到透镜中心B的距离，由△AP2B∽△CBP2’，则P2到基线的距离d ’为：
其中P1’.y和P2’.y分别为点P1’、P2’在成像元件上的实际高度，均可由各自点像素坐标Py乘以像素高度计算得出。
3 总结
激光雷达作为非接触式测量领域的新技术，可以快速、准确地获取测量物体的高精度三维坐标数据、建立数字线画地图、数字正射影像图、数字高程模型等，在各个领域得到广泛的应用。
激光三角测距法作为低成本的激光雷达设计方案，在近距离、低速的条件下，可以获得高精度、高性价比的应用效果，并可作为室内机器人导航的首选方案，已成为行业研究的热点，备受关注。
随着激光雷达性能的不断改进和提高，其应用领域及作用将会不断扩大。
参考文献
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作者简介
周俞辰（1996-），男，江苏省宜兴市人。
现就读于重庆科技学院，机械与动力工程学院，机械电子工程系本科。
作者单位
重庆科技学院机械与动力工程学院重庆市 401331。