Topographic Laser Ranging and Scanning_Principles and Processing——第一章 1.6

1.6 激光测距

激光测距仪是一种对反射性目标进行斜距测量（slant range）的仪器设备，测量目标例如地面、建筑物或者是树木植被等，这类目标通常被称为“非合作目标”（non-cooperative target，非合作目标指的是雷达搜索识别的目标的一种，在雷达目进行目标识别（target identification）的过程中，被测对象与雷达之间没有任何通信情况，与之相对的是合作目标，以飞机敌我识别技术为例，搜素雷达发射的编码信号在被目标上的接收机接到之后，对应地返回一组特定的信号，这种形式的目标就是合作目标）， 激光测距仪除了被用作测量、军事、甚至体育用途的距离测量仪器外，还构成了所有激光分析仪和扫描仪的基础。正如本章的引言中所提到的，有两种测距技术用于地形测绘：（1）TOF或定时脉冲或脉冲回波法;（2）多频相位比较或相移方法。

 

1.6.1计时脉冲法

 

正如上文所介绍的使用TOF方法进行测量仪器与被测对象之间的斜距的测量需要对一个极短的脉冲在被测物体与测量设备之间往返的时间进行精准的测量。这类方法在地基测距仪、剖面仪以及扫描仪设备上应用的时候能够达到几十到几百米的测量距离。机载平台上的设备就需要更远的测距能力，需要达到几百甚至几千米的测距性能，搭载在航天飞机或者是卫星上的设备需要的测距距离达到了几百公里。图1.11给出了计时脉冲法的工作原理。实际的设计和具体的组件根据特定的应用场景有所不同，例如其应用平台是地基的、机载的还是天基的，系统的组成也是不同的。在高能激光的前方会有一组棱镜来实现激光脉冲的放大和平行，目的是减小激光的发散角。如图中所示，当一个脉冲被发射时，有一小部分能量被转到一个光电二极管上，这个光电二极管发出的信号或者是启动脉冲能够触发计时装置的启动，图1.12当中显示激发出一个启动脉冲。这个触发通常只是设定一个简单的阈值，也就是脉冲强度达到某个值的时候，timer开始计时。实际上这个计时器是一个由非常稳定的振荡器控制的高速计数器。 为了达到1厘米的分辨率，计时器需要能够测量66皮秒（picosecond）的间隔，这就需要大约15 GHz的时钟频率。

 

在脉冲被测量对象返回之后，被接收镜头捕获，在天基平台部署的设备通常测距达到了数百公里，这就需要一个大孔径的镜头来接收和探测微弱的返回信号，此外，即便是近距离的测距，当发射的脉冲接触到被测物体之后也会发生散射，辐射会四散到空间当中，只有少量的能量能够原路返回达到测距仪，所以，即便是对于短距离的测量，也需要对返回信号进行放大。

 

接收镜头无论是大是小，都会讲接收到的返回脉冲（也有可能是多路径反射回来的脉冲）聚焦到另一个非常灵敏的光电二极管上，在激光测距设备上，典型的是采用硅雪崩光电二极管，或者是 InGaAs PIN (positive–intrinsic–negative) 半导体二极管，不同的类型的选择取决于这些设备所使用的激光辐射的波长。除此之外，为了减少或者是消除阳光或者是环境光的干扰而导致虚假信号，会在光电二极管上放置窄带光学滤波器（ narrowband optical filters）。如图1.12所示，最简单的激光测距仪在接收到反射脉冲之后，二极管会传递一个停止脉冲给计时器， 通常，在脉冲前缘的特定点，由二极管产生的电压达到预定的阈值，被用来启动和停止时间计数器。实际上在更先进的系统当中有着更复杂的触发机制。在得到测距时间之后， 用已知的光速将计时器计数的测量时间转换为相应的范围或距离值是一个简单的过程了。

如果一系列的返回脉冲从一个特定的被测对象上返回，例如一棵树或者一个电塔，计时器能够记录下一段时期内的返回脉冲的时间，这样就能够通过整个的返回信号得到的完整波形实现对物体的形状的测量和数字化，正如图1.13所示，该部分内容将会在后续章节详述。

对于任何一个激光系统，其脉冲的实际长度都是一个重要的特征，这对系统的回波接收能力和区分能力有着重要影响。如果脉冲持续了10ns（1ns=10负九次方秒），那么这个脉冲长度在光速下就是3m， 因此，利用定时脉冲的测距装置的测量分辨率，首先取决于发射脉冲的长度，以及返回脉冲的中心或前缘或后缘的程度。通常情况下提高测距精度是一个很难的任务，因为激光脉冲在反射的过程中会失真，并且由于光速为30万公里每秒钟，若想达到1m的分辨率就需要计时器达到1/300,000,000(3X10的负九次方)的精度。若想达到1cm的分辨率就需要时间测量精度达到3x10的负十一次方秒的精度，要想达到1mm的分辨率就需要达到3x10的负十二次方的计时精度。如上文提及的，需要一个非常精确的石英稳定震荡器来进行测距时间的计量，事实上，计时器的质量、包括启动、停止触发组件的性能，确定了激光测距仪可实现的精度。

当激光测距仪进行短距离的测距时，在很短的一段时间内有可能会进行很大数量的测距，也就是所谓的脉冲重复率很高（  pulse repetition frequency ，PRF），比如说进行一个100m的测距，脉冲实际的飞行距离是200m，耗时为200/300,000,000=0.67μs（ 微秒，符号μs(英语:microsecond ).1微秒等于百万分之一秒(10的负6次方秒)，1毫秒等于千分之一秒(10的负3次方秒)。）。针对于较长的距离测量，例如从空基或者是天基平台上进行测距，测距脉冲的发射和接收的时间间隔会更长，对于记载激光测距仪来说，测距长度1000m的时候，脉冲飞行时间为1/6.7μs，对应的PRF就是150kHz，因此，一般来讲，当需要测量较长的距离的时候，通常需要一个较大的时间间隔来发射脉冲。然而多脉冲发射的的技术解决了这一问题，如图1.14所示，该技术使得激光测距系统能够在发射第二个测距脉冲的时候不必等到第一次脉冲返回。如此，在同一个时间段内，可以有多个测量脉冲的在空间中循环。多脉冲技术在传统的雷达系统中很早就已经应用（Edde, 1992）。如此，在多脉冲测量技术的前提下，测量脉冲数量的限制又回到了激光源上，换言之，就是激光的脉冲生成的频率是限制测距数量的主要因素。从2000年代早期开始，人们就实现了系统可以以减少发射脉冲的能量为代价增加PRF，这样，由于较少的能量导致信噪比降低（SNR，signal-to-noise ratio），导致了测距精度的降低。当前的激光设备性能更加强大，当前最先进的系统已经解决了这一问题。这样，问题就又回到了多脉冲处理的问题上来了，针对于测距空间中存在的多个往返的脉冲，就需要额外的处理来解决这种不确定性（正确地将发出的脉冲与接收到的脉冲相匹配）。

 

1.6.2 相位比对方法

相位比对方法是应用于使用连续波测量的激光测距系统的，通常对应的是连续波激光器而不是脉冲激光器。实际上考虑到连续波激光器的供能限制，相比较于脉冲式激光测距仪，该类型设备通常很少挂在于空基或天基平台上（一个例外是斯图加特大学的ScaLARS研究激光扫描仪，这部分内容将在第二章中描述）。通常此类型设备主要应用于＜100m的地面测距应用当中。使用连续波测量方法的设备，通常在发射的激光信号上叠加一个调制信号，如图1.15所示。 这个调制信号或测量波是由一个稳定的频率振荡器产生，并在其作用下保持一个恒定值。 因此，测量波被用来控制载波电波的振幅——这一过程被称为调幅。连续波激光的反射回波类似于脉冲式测距中的回波信号，只不过这是一个连续的。发射的连续波在碰到被测物之后又一少部分沿着原路径返回，被返回的这部分信号被硅光电二极管接收到。 被削弱的反射信号被放大并受到解调——这是测量和载波的分离。接下来，将被反射的信号与原始传输的信号进行比较。 如上所述，两个信号之间的相位（或相位角，φ）的差异被测量，通过比对，能够获得进行总倾斜计算所需的小数部分（如图1.2所示）。而波长的整数倍，M，从这个相位的比对当中是获取不到的，确定M的任务就是所谓的不确定性问题。有几种方法可以这个整数部分的不确定性，当前应用最广泛的方法是使用通过设备直接记录发射波的波长变化个数，以此来确定整数部分的M。

需要注意的是，当使用相位式测距时，系统精度的决定因素是波长和相位的测量系统。当多频率连续波激光测距系统进行工作时，最低的频率对应的是最长的波长，此时也对应着最大的斜距测量范围。例如频率为10MHz的模拟信号对应的波长为30m，对应的是1°的相位分辨率，决定了其8cm的测距精度（30/360）。

 

1.6.3 能量输出

通常，与激光相关的输出功率是用瓦特（W）或毫瓦表示的（mW），其中1W（功率的SI单位）=1/s。焦耳是能量或容量的SI单位对于做功，等于一秒钟1A的电流通过1Ω电阻时所做的功。激光的脉冲输出通常被描述为 曝辐量（radiant exposure），解释为激光能量在给定区域的聚集，记为焦耳没平方厘米J/cm²。

不同的激光类型决定了不同的能量等级，例如Z+F和faro采用的是连续波激光，通常的测距范围都比较短，在70m范围以内。使用相位测距技术，通常能量较低，，比如10-20mW的功率对应的测距为25m，20-40mW的功率对应的是50-70m的测距范围。相比之下，使用脉冲式的测量设备通常用于机载激光雷达，在1-2kw的输出功率下可以达到数公里的测距范围。在脉冲式测距系统上，如果脉冲持续时间为10ns，那么每个脉冲的峰值能量可以达到20μJ，对于50kHz的脉冲频率而言，其功率为1W。

 

对于实验室或制造厂商而言，激光功率的实际测量是基于另外的两种类型的方法：一个是使用量子探测器quantum detectors ，一个是使用热电探测器thermopile detectors.量子探测器是基于一个例如砷化镓的半导体材料，通过计量光子个数来确定激光的能量。将进入的光子转变为电荷载体（自由电子和空穴，半导体的两种载流子，更具体的内容可以自行百度），然后将其通过一个放大电路转成电压或者电流。 相比之下，热电探测器本质上是一个量热计。入射辐射加热设备，电路测量探测器和附加散热器之间的热差。两种设备都将最终结果以瓦为单位呈现给用户。量子探测器对于低功率设备更加敏感，比如毫瓦或者毫瓦以下的等级的能量的测量。 这两种仪器都可以在更高的功率水平上使用，但是如果需要测量很高的功率，那么热电探测器是最好的，因为量子探测器在这些级别上可能会受到饱和效应（以及可能的损害）的影响。

 

1.6.4  激光能量与激光安全问题

考虑到许多用于激光测距仪、剖面制图仪器和激光扫描仪等设备强大的脉冲型激光器，安全与安全标准问题是首先要注意的。 对于世界上大多数国家来说，适用的安全标准是由国际组织制定的， 这些被称为国际IEC 60825标准。到目前为止只有美国还没有采用这个标准。美国自己的标准是由设备与放射卫生中心（CDRH）和食品与药物管理局（FDA）这两家单位设立的，美国的标准是  ANSI Z136.1， 制造商标准叫做CDRH 21 CFR，10400.10和1040.11。在欧洲采用的是IEC的标准，名称为EN 60825，每一个国家也都有这一标准的本国版本，例如在英国，被称为 BS EN 60825， 最近，美国的CDRH已经决定将其标准与IEC 60825标准相协调，尽管这个过程还没有完成。想了解更多可以访问http://www.en.wikipedia.org/。

 

 

1.6.5 激光危险等级

当前无论是美国标准还是欧洲标准，其实对激光等级的分类都大致相同，对其分类的原则主要是基于对人类眼睛或皮肤造成伤害的风险。

1、Class I：

是指一类设备在地面运行时能够在已知的危险水平上对人员不造成危害的，例如上文中提到的Z+F和faro等采用连续波测量的激光扫描仪就是这类产品。

2、Class IA：

是指一类不超过4.0mW，并且发射Class I等级的激光不超过1000s的。实际当中，这类设备应用的激光被称为“不打算看的激光” （not intended for viewing），例如超实用的扫码器。
3、Class II：

是指在Class I等级之上的，低功率的可见光激光辐射。辐射功率不超过1mW，类似于强光对人眼的照射，人眼会本能反感并避免其伤害，在使用过程中受到一定程度的限制。

4、Class IIIA：

中等等级的功率水平的激光，通常能量在1-5mW范围内。在波束内观察的状态下会对人眼有伤害（intrabeam viewing， 眼睛暴露于激光辐射的全部观察状态），在操作过程中受到一定程度的限制。

5、Class IIIB：

针对于5-500mW的连续波激光器，或者是能够达到10J/cm²的脉冲激光器，在操作过程中有一系列的特殊控制标准要被执行。

6、Class IV：

是指比上Class IIIA能量等级级别更高的激光器，在任何情况下观察都会对人眼造成伤害，并且还会对人皮肤有害，且有潜在的引发火灾的风险。这类激光器主要应用于机载平台设备上，所以无论在空中还是地面，在操作过程中都需要有对应的安全措施。

 

特别需要注意的一点是，在电磁波谱的短波红外部分——在波长大于1400nm的波段上，这一部分是对人眼安全的。例如Optech ILRIS-3D底面激光雷达，该系统采用的是1550nm波段的激光器， 这一现象的产生是因为人类眼睛的角膜的含水量吸收了这些波长的辐射。然而，这个标签可能会误导人，因为它只适用于低功率的连续波。任何高功率的q开关激光器在这些波长下都可以对观察者的眼睛造成严重伤害。

 

1.6.6 波束发散

无论激光光束或脉冲在离开测距仪时是多么的好，它都将在到达地面或地面上的物体时形成一个圆形或椭圆形的区域。 对于给定的光束的角度分布，范围越大，覆盖面积的面积就越大。 因此，如果地面在形状或高度上不规则，返回信号将是在入射激光辐射照亮的圆形或椭圆形区域内的反射混合的平均值。该模型如图1.16所示。

当发散的光束达到目标的时候，其覆盖的区域A=  π(q/2R + d)/2，q指的是发散角度，d指的是镜头的半径，R指的是测距值。

Brenner (2006)对此问题给出了更多的信息。如果光束发散度为g，那么理论上由于光的衍射，g的极限为 g ≥ 2.44 λ/d, d指的是激光发射孔径的直径，这种情况下，一个1064nm波段的脉冲式激光雷达，其发射孔径为10cm，计算得到其发三度为0.026mrad。Brenner指出当前典型的发散度为0.3-0.2mrad之间，Optech ALTM 3100和徕卡的s50-ii机载激光扫描仪

的光束发散为0.3mrad。Riegl的 LMS-Q560激光雷达和采用Riegl激光设备的IGI litemapper以及 TopoSys Hirrier机载激光雷达，光束发散叫杜达到了0.5mrad。在1000m的飞行高度上，0.3mrad的光束发散角对应的激光脚点约为30cm，0.5mrad的对应的约为50cm。

 

1.6.7 反射率

对于激光扫描系统而言，地面目标的反射率是一个需要考量的重要因素。反射率的定义是： 在某一特定表面的入射辐射与来自该表面的反射辐射的比率。很明显如果反射率低的话，反射信号就会很弱，导致测距仪的测距范围降低。类似于建筑物、岩石、树干等通常被称为硬表面的漫反射目标，其反射辐射可以被抽象到一个半球形的空间当中，如图1.17所示，最大的反射发生在垂直于目标平面的地方，然后随着两侧角度的下降，辐射强度也迅速的减弱。

此外， 目标的反射特性会根据波长而变化，实际中很难获取到关于地物的这些自身属性的信息，因为关于反射率和反向散射的大部分发表的信息都来自于遥感。这些关于反射率的信息，其入射辐射都是来自于阳光，这种情况和来自于激光辐射的固定波段的连续照射是不同的，Wehr和Lohr（1999）根据riegl公司生产的机载和地面激光雷达的数据发布了一个表格，如表1.1所示，反映了在900nm波段的照射下不同地物的反射率。

 

 

这两位作者根据riegl公司的信息提供了进一步的数据，如图1.18所示。

 

其他的一些厂商也提供了更多的关于反射率的信息。riegl公司引用了其LMS-Z210i脉冲底面激光雷达的数据，在反射率≥50%的情况下，测距可达到350m，当反射率降到≥10%的时候，该测距范围降到了150m。澳大利亚i-site公司的4400LS激光雷达，对于黑煤块（反射率在5%-10%之间）的测距距离为150m，对于混凝土或者是岩石表面（反射率40%-50%之间）能够达到600m，对于更高反射率的表面能够达到700m的测距范围。两家公司的两款设备均采用的905nm波段的激光。

 

针对于高速短距离测量应用的连续波激光雷达及其采用的相位测量技术，莱卡公司提供的相关文献当中介绍了其HDS4500设备的性能，该设备采用780nm连续波激光器，在10m的测量距离上，对于反射率20%的表面，其测距精度可以达到≤1.6mm的测距精度，对于反射率100%的白板，其精度可以小于1.0mm。在25m的距离上，对于灰色表面的测量精度为≤4.4mm，对于白板的测量精度为≤1.8mm。

 

另一个影响反射率的重要因素是地表物体的反射角度，对于一个机载激光雷达而言，当照射到一个高反射率（比如说是镜面）的斜坡区域的时候，如图1.19所示，这种情况下大部分的入射脉冲会被反射到一个其他的方向上，而不会返回到接收器上。在森林覆盖的情况下，发射脉冲经过林冠的层层反射之后到达底面的能量也会极大减弱，因此返回也会很少，也就是说地表的地物复杂程度也是影响反射率的因素之一。