【知识点】激光,雷达,以及激光雷达之间的联系和区别

二、激光雷达测量原理

Lidar,英文名称为Light Detection and Ranging,是Laser Detection and Ranging System的缩写。接下来,我将解释激光、雷达和激光雷达之间的联系和区别。

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2.1激光

Laser,英文名laser,是“受激辐射光放大器”的英文缩写。原子中的电子吸收能量时,从低能级跃迁到高能级,当从高能级回落到低能级时,释放的能量以光子的形式释放出来。被诱导(激发)的光子束(激光)具有高度一致的光子光学特性。因此,与普通光源相比,激光具有更好的单色性、更好的方向性和更高的亮度。根据工作介质,激光可分为四类:气体激光、固态激光、半导体激光和染料激光(来自百度百科)

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2.2 雷达

雷达的英文名称,RADAR。来自Radio Detection And Ranging的缩写,意思是“无线电探测和测距”,即利用无线电的方法寻找目标并确定其空间位置。因此,雷达也被称为“无线电定位”。雷达是一种利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波照射目标并接收其回波,从而获得目标到电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位角、高度等信息(来自百度百科)

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2.3 激光雷达

激光雷达和雷达的英文名称:Light Detection And Ranging 和 Radio Detection And Ranging,从英文名称中可以查到。共同点是Detection And Ranging,即检测和测距。不同的Light和Radio不同,有什么区别。

无线电和激光的区别在于电磁波的不同波段。雷达的电磁波波长(通常在cm-dm级)远大于激光(通常在nm–um级)。

电磁波由不同的设备产生和接收。

激光雷达实际上是指激光探测和测量距离的技术。之所以增加雷达,主要是因为雷达作为一种探测测距技术和深入人心的手段,增加后更容易理解。

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2.4 激光雷达测量原理

2.4.1测距原理

激光雷达分为相位型和脉冲型雷达,它们的测量原理不同。相控雷达测距原理与全站仪相同,而脉冲雷达主要测量脉冲发射与返回的时间差进行测距。无人机激光雷达主要是脉冲的。

2.4.21D转2D,2D转3D

激光雷达一般是多线激光雷达,以HESAI Pandar 40为例,它从上到下共有40个线束,不同线束之间的角分辨率不同。由于线束是垂直分布的,当激光雷达旋转时,由于多束激光+不同激光束的测距不同,可以直接得到被扫描物体的三维坐标。当激光雷达安装在移动平台上时,可以获得现实世界的三维坐标,获得的数据量是全站仪无法比拟的。

2.4.3 平台

平台一般有机载、无人机机载、车载、舰载、星载等。

2.4.4 获取已知坐标

1)瞬时坐标

因为激光雷达在移动时gps坐标转换小程序坐标,如果要测量绝对坐标系gps坐标转换小程序坐标,就必须结合GPS来测量绝对坐标。 GPS与全站仪后视方位的已知坐标功能相同。

2)瞬间态度

当然,GPS 是不够的,还必须获取与北方的角度,测量水平角,天顶角。这里这三个角可以对应全站仪中的后视方向,以及水平和垂直刻度盘。这里的表盘类比有点不恰当。从逻辑上讲,当多线激光雷达旋转时,激光对物体的水平和垂直角度是已知的。准确的说,这里的“水平角、垂直角”对应的是全站仪中的调平,我们的载体在移动的时候是不可能调平的,但是我们需要测量这个不均匀的角度。

IMU 是一种可以测量角度的仪器。一般来说,一个 IMU 包含三个单轴加速度计和三个单轴陀螺仪。加速度计在载体坐标系的独立三轴上检测物体的加速度信号,陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度。信号,测量物体在三维空间中的角速度和加速度,并用它来计算物体的姿态。在导航中有非常重要的应用价值(来自百度百科)

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3)GPS+IMU组合导航

IMU 和 GPS 都可以测量当前位置,那么激光雷达可以只安装一个定位和测姿设备吗?答案是否定的。

首先,GPS的更新频率较低,一般在1-10HZ之间。由于无人机的飞行速度非常快,假设它是10m/S,那么在10HZ的情况下,它只能每秒测量一次。位置,每一秒之间的位置不可测量,导致误差。

其次,GPS姿态测量也需要IMU提供测量值。

第三,IMU的更新频率很高,达到数百赫兹,弥补了GPS的低频

四、IMU 位置会随着测量时间的增加而逐渐漂移。因此,GPS 需要在一段时间后进行位置修正。

因此,结合GPS和IMU进行导航必须结合使用,通过卡尔曼滤波估计方法可以得到最优的位置姿态估计。

利用激光雷达测得的位置、角度(GPS+IMU测量)和距离信息,就可以得到地面点的坐标。这就是激光雷达的测量原理

文章授权转载:爱学习的测量员

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