三维激光扫描原理

三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源系统、支架及系统配套软件组成。三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统的主要组成部分，由激光发射器、接收器、时间计数器、电机控制的旋转滤波器、控制电路板、微机、CCD机和软件等组成。激光测距技术是三维激光扫描仪的主要技术之一。激光测距的原理主要有脉冲距离法、相位测距法、激光三角法和脉冲相位法。目前测绘领域使用的三种激光扫描仪主要基于脉冲测距法，而三维激光扫描仪主要采用相位干涉法和激光三角法测量距离。激光测距技术的类型如下：

1） 脉冲测距法

脉冲测距是一种高速激光时间和距离测量技术。当脉冲扫描仪扫描时，激光器发射一个激光点，记录激光回波信号，并通过计算飞行时间（TOF）计算目标点与扫描仪之间的距离。基于这一原理的测距系统可以达到几百米到一公里以上的距离。激光测距系统主要由发射机、接收机、时间计数器和微机组成。脉冲测距法又称脉冲时差测距法。由于采用了脉冲激光源，适合于超长距离测量。测量精度主要受脉冲计数器工作频率和激光源脉宽的限制，精度可达到米级。

2） 相位测距法

相位扫描器发射连续的整数波长激光，通过计算物体反射的激光波的相位差来计算和记录目标物体的距离。基于相位测量原理，主要应用于中距离扫描测量系统中。扫描范围一般在100m以内，精度可达毫米量级。由于采用连续光源，相位扫描仪的功率一般较低，因此测量范围较小。测量精度主要受相位比较器精度和调制信号频率的限制。增加调制信号的频率可以提高测量精度，但测量范围也会缩小。因此，为了在不影响测量范围的前提下提高测量精度，一般会设置更多的调频频率。

3） 激光三角测量

激光三角测量是利用三角形之间的几何关系求出距离。首先，扫描仪向物体表面发射激光。然后利用基线另一端的CCD摄像机接收目标的反射信号。记录入射光和反射光之间的角度。已知激光源与CCD之间的基线长度，根据三角几何关系计算出扫描仪与目标之间的距离。为了保证扫描信息的完整性，许多扫描仪的扫描范围只有几米到几十米。这种三维激光扫描系统主要用于工业测量和逆向工程重建。它可以达到亚毫米级的精度。

4） 脉冲相位测距法

将脉冲测距与相位测距相结合，提出了一种新的测距方法&脉冲测距法-该方法采用脉冲测距法实现粗测距，相位测距法实现精密测距。

三维激光扫描仪主要由测距系统、测角系统和其他辅助功能系统组成，如内置摄像机、双轴补偿器等。其工作原理是通过测距系统获得扫描仪与被测物体之间的距离。然后利用测角系统获取扫描仪与被测物体的水平和垂直角度，计算被测物体的三维坐标信息。在扫描过程中，利用垂直和水平电机等传输装置完成对目标的全方位扫描。这样就可以得到被测物体密集的三维彩色散点数据，称为点云。