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Artec3D旗下的LiDAR测量系统：Artec Ray

在带大家了解激光雷达工作原理之前，首先有必要了解一下激光雷达的英文名称LiDAR是怎么来的。

LiDAR是一个英语缩写词，其全拼可以是“light detection and ranging”，即为“光探测和测距”；亦可以是“laser imaging, detection and ranging”，即为“激光成像、探测和测距”。上述两种方式的首字母缩写均为LiDAR。

激光雷达有着多种多样的应用场景。从测绘海拔、监测矿洞、评估植被乃至对整个城市进行建模，都离不开激光雷达技术。

为了方便大家更直观地感受激光雷达的功能，我们举一个小例子：谷歌地图就是基于激光雷达的空间数据、全彩照片和卫星图合成的。下图是谷歌地图提供的纽约市的俯瞰图。用户能够以超高的细节度，从各个角度查看摩天大楼、广场、纪念碑等地标建筑。在谷歌地图的数据采集过程中，激光雷达发挥着至关重要的作用。

激光雷达为工程、建筑以及城市规划等领域提供了无限的可能性。在上述领域中，决策者往往需要依据大型甚至超大型表面区域的形状和尺寸的精确信息，才有可能做出最佳决策。譬如，我们需要在崇山峻岭间修筑一条高速公路，那么如何精确预估土方量和工时呢？这时，机载激光雷达系统能够为您提供一个快速精确的解决方案。

#1 激光雷达工作原理

How does LiDAR work?

激光雷达通过发射激光束来扫描周围环境。当激光束照射到目标物表面时，部分光线会反射至激光雷达。此时激光雷达设备接收射入信号，通过相应计算完成测距和成像。

根据所接收的射入信号的类型，激光雷达大致可以分为两类：

01 飞行时间激光雷达

此类设备的工作原理是：发射器朝着目标物的方向发射激光脉冲。脉冲到达目标物表面后，即发生散射，部分脉冲反射回激光雷达设备所在方向。随后，接收器接收反射的脉冲信号。定时电子装置计算脉冲从发射器抵达目标物表面并返回接收器所用的时间，即返回延迟的时间。延迟越久，说明目标点与激光雷达之间的距离越远。

此外，移动式或航空激光雷达系统一般会配备惯性测量单元（由加速度计、陀螺仪等传感器组成）和GPS跟踪器，可以获得激光脉冲每个发射时间点上收发器的空间坐标。上述数据经过计算机处理后，最终输出点云格式的三维数据。

02 相移激光雷达

此类设备的工作原理是：激光雷达向目标物发射一束恒定的激光能量，接收器接收从目标物表面反射的激光信号，分析射入信号的相移，计算以相同频率发射的两个波形之间的延迟。

上述两类激光雷达设备的主要区别在于捕获速度和工作范围。飞行时间激光雷达的采集速度通常在每秒数百至数千点。相移激光雷达的采集速度可达到每秒数十万点。相移激光雷达数据采集速度更快，使之成为诸多应用场景下的首选工具。

飞行时间激光雷达的工作范围则更广，甚至在一公里外仍能采集有效数据，因此更适合远距测量的应用场景。

#2 激光雷达扫描仪精度

The precision of LiDAR

根据设备类型和环境条件，激光雷达系统的精度范围从亚毫米级到几十、几百毫米不等。有许多因素会影响到激光雷达采集数据时的精度。

激光雷达是工厂标定设备。在出厂前，设备必须经过严格的标定。激光雷达扫描仪需要在既定位置上，测量数百个反射率已知的目标物的距离，从而生成一个误差函数，作为标定文件预先存储在设备软件中。但是，工厂预设的标定无法涵盖设备在特定项目中需要扫描的全部表面类型。因此在实际使用情况中，与目标点的间距可能是基于反射率已知的类似表面的近似值计算的。

另一个重要的影响因素是区间噪点，即每次独立测量值与平均测量值之间的差异。区间噪点主要受到工作距离以及表面反射率等参数的影响。

随着使用年限的增长，激光雷达设备的机械部件也可能产生误差。因此，制造商通常建议每隔几年应返厂重新标定设备，以保障稳定的精度表现。

此外，风速、太阳光强度、温度和湿度等环境因素都会影响激光脉冲的反射，并使最终收集数据的质量出现波动。

Artec Ray是我司旗下的高精度LiDAR系统。Artec Ray擅长远距离捕获大型物体，如管道、风力发电机、船用螺旋桨、飞机和建筑等。Artec Ray在15米内测距精度达到0.7mm，角精度亦属同类产品前列，捕获数据干净，噪点水平相当低，生成的3D模型还原度高，品质一流。扫描仪内置电池组，续航时间4小时，方便野外考察使用。也可与手持式扫描仪配合使用，扫描远程扫描仪难以触及的结构，如汽车内饰等。Artec Ray在室内外均可使用，适合用于逆向工程和质量监测等应用场景。

#3 激光雷达类型和应用场景

Types and applications of LiDAR

01. 固定式激光雷达扫描仪

我们首先来介绍固定式激光雷达。固定式是最基础的技术类型，其它类型的设备都是在此基础上发展而来。和移动式、机载式激光雷达设备相比，固定式设备的精度更高，但通常适合用于采集相对较小的面积。

固定式激光雷达被广泛应用于逆向工程和质量检验领域。借助固定式激光雷达，用户可以扫描房间、建筑和车辆等各种各样的物体。此类设备的应用场景包括：基于3D模型数据开展逆向设计；对比网格模型和CAD模型，输出表面距离色差图进行质量检验；为博物馆展品制作数据孪生等等。

固定式激光雷达三维扫描仪Artec Ray采集的管道系统三维数据

Artec Ray的使用方法非常简单：将扫描仪固定在三脚架上，置于目标物或场景之前。只需轻点一下手机屏幕，Artec Ray就会开始创建该区域的预览图像。如果预览图像就是您希望扫描的区域，那么再次轻点手机屏幕，Artec Ray就会进行完整捕获，采集预览区域内的全部数据。

如果您希望在数据后处理阶段更快地完成对齐，或是希望进一步提高三维数据的精度，在扫描阶段时，您可以考虑在目标物表面放置标靶球。那么在数据后处理阶段，软件会以标靶球作为参照物，快速高效地对齐扫描数据。

市场上部分激光雷达设备，如Artec Ray，无需依赖标记点就能完成数据对齐和配准，同时还能保持极高的精度水平。Artec Ray是目前市场上前沿的固定式激光雷达设备。Ray的最大工作距离达到110米。在15米范围内，其距离精度达到0.7mm，角精度达到25角秒，是您采集大型目标和场景的理想解决方案。

工程师正在使用Artec Ray采集数据。数据不仅可以通过有线连接传输至笔记本电脑，也可无线传输至平板或手机

02. 机载激光雷达

如果给激光雷达“插上翅膀”，那应用范围就更广了。在修建高速公路、铺设输气管道、建设高尔夫球场前，航空激光雷达测绘是一道绕不开的工序。激光雷达安装在飞机或直升机上，能够采集数百平方公里范围内的数据。不过，机载激光雷达通常无法达到亚毫米级精度。其公差范围普遍在几厘米左右，但已经可以满足大型建设项目的需要。

03. 移动式激光雷达

移动式激光雷达在数据采集精度和扫描物体大小之间找到了完美的平衡点。此类设备解锁了更为激动人心的应用场景——自动驾驶。移动式激光雷达可以安装在自动驾驶汽车上，持续扫描周围环境，实时计算与其它车辆、行人和障碍物之间的距离，以避免碰撞。

借助激光雷达实现自动驾驶

04. 消费级激光雷达传感器

苹果公司使得激光雷达传感器走向了消费级市场，让普通用户也能玩转激光雷达。目前，苹果公司的iPad Pro和iPhone Pro均搭载激光雷达。这些设备可以扫描5米内的物体，随后与宜家APP整合，借助AR技术为用户布置房间。也可与部分游戏APP整合，为玩家营造AR游戏环境。

虽然苹果的激光雷达无法达到制造业的精度标准，但iPhone和iPad引入激光雷达传感器大大刺激了AR游戏和AR购物的发展，用户数量大幅上升。过去专属于计量工程师的小众技术已经来到了普通用户的指尖。