三维雷射扫瞄系统.PDF

第二章 三維雷射掃瞄系統 三維雷射掃瞄儀是在儀器內部的座標系之下 ，利用主動打出的雷 射光對目標物的表面 進行掃瞄 ，量測出儀器到目標物的距 離與角度， 並藉此定出目標物與測站相對的三維座標 。在 本章節中除了對三維雷 射掃瞄的構造及原理作一敘述之外 ，同時也將比較各種不同類型的 三 維雷射掃瞄儀 ，並對多測站點雲資料的疊合以及與地面座標的轉換進 行說明。 2-1 三維雷射掃瞄儀構造 三維雷射掃瞄儀的主要構造是由雷射測距儀與兩塊分別為水平 方向以及垂直方向等角速度旋轉的反射 稜鏡所組 成 ，如圖 2-1所示。 掃瞄時雷射光打出 ，經由兩片稜鏡的反射可控制掃瞄的水平角和垂 直 角 ，並藉由被目標物反射回來的雷射光量測與物體的斜距和角度 ，以 推求掃瞄點與測站的相對三維座標 。由圖 2-1可以看出 ，儀器內部的 座標系原點並不在雷射測距儀與反射稜鏡的連線中心因， 此必定有一 個系統的誤差量存在 ，必須經過嚴密的率定才能得此平移量 ，並加以 改正。 5 圖 2-1 三維雷射掃瞄儀的主要構造（Stafne et al.,2000） 2-2雷射測距原理 2-2-1 脈衝式與連續波式 三維雷射掃瞄儀是利用雷射光的發射與接收反射回來訊號的時 間差及相位差來測量儀器與掃瞄點之間的距離和角度 ，而依雷射材 料 可分為固體雷射和氣體雷射，依雷射發射種類又可分為脈衝式 （pulse）雷射與連續波式 （continuous wave）雷射 ；氣體雷射常搭 配連續波式雷射而用於全測站 固體雷射則通常搭配脈衝式雷射而， 用 於雷射掃瞄儀（張明政，2004）。脈衝式雷射的成本較連續波式雷射 低 ，且取得較容易 ，本研究所使用的 Mensi GS200即是使用脈衝式固 態雷射。 脈衝式雷射測距和連續波式雷射測距在光波訊號的形式和計算 6 公式上亦稍有不同圖， 2-2即為脈衝式和連續波式的波形和其測距的 計算公式 。從計算公式中可以發現 雖， 然公式不盡相同 ，但是其原理 都是根據雷射光發射與接收的時間差來計算出距離 ，將往返時間除 以 二 ，即可得到雷射光單向所需的時間 ，再把時間乘上光速即可求得測 站與掃瞄點之間的距離。 圖 2-2 脈衝式雷射測距和連續波式雷射測距的光波形式（Wehr and Lohr,1999） 首先看兩者的距離解析度 可，由式 2-1和 式 2-2 來比較之間的差 異 。脈衝式測距僅受時間解析度△tL影響 ，而連續波式測距則跟相位 解析度△ φ和頻率 f有關。 1 Pulse laser：R ctL (2-1) 2 7 1 c CW laser： R φ (2-2) 4π f 接著我們可以比較兩者的最大測距距離 （Maximum Range），從式 2-3 與式 2-4可以看出 ，脈衝式系統的最大測距距離受限於儀器所能 辨別的最大時間差tL max ，但 一般來說tL max 均夠大 ，而實際影響最大 的因素是雷射光在空氣中傳遞時能量的 損耗與地物反射面特性 ，導致 回傳的訊號太弱而無法測距 。在連續波式中當 φ=360時其最大測距距ْ 離只有波長的一半，因此連續波式系統中常會使用多重頻率的雷射