一、前言
最近做一個測量料堆形狀的項目，通過前期調研，最后決定用激光測距原理進行測量。通過旋轉雲台+激光掃描儀實現空間三維坐標的測量。其中激光掃描儀掃射的是一個二維的掃描面，再通過雲台旋轉，則形成一個空間的三維點雲。通過前期調研學習，加深了對激光掃描儀的了解，先整理一下收集的掃描儀的基礎知識。
資料參考網址：
https://www.sick.com/cn/zh/w/gcn_div08series/
http://www.gongkong.com/news/201703/357440.html
二、激光掃描儀主要參數
激光掃描儀的原理是脈沖時間飛行原理，通過激光掃描器連續不停的發射激光脈沖，由旋轉光學機構將激光脈沖按一定角度間隔（角度分辨率）發射向掃描角度內的各個方向而形成一個徑向坐標為基准的二維掃描面。被測物體位置信息通過掃描器到物體的距離及對應的角度數據給出。
做項目之前對激光掃描儀並不了解，通過查資料，找供應商咨詢，逐漸對激光掃描儀的參數和應用有所了解。掃描儀的主要參數就是掃描距離、測量精度、掃描角度、掃描頻率。需要注意的是這個掃描距離要看是多少反射率時候的數值，有一些國內的激光傳感器標注的是20%反射率的參數。激光對不同材質表面反射率是不同的，比如對黑色物體的反射率就比較低。
掃描距離
掃描距離是指激光掃描儀可以測量的最遠距離，此參數在實際使用過程中受環境影響較大。主要影響因素有：目標物體表面反射率，目標物體形狀，環境光干擾等等；一般情況下廠家會標明物體表面反射率為10%和90%情況下激光掃描儀的測量距離。
掃描角度
掃描角度是指即掃描器能覆蓋的角度范圍。一般有：70° … 360°
掃描頻率
掃描頻率是指激光掃描儀每秒鍾掃描的次數。
掃描角度分辨率
兩個相鄰發射激光束之間的夾角為角度分辨率。
掃描精度
掃描精度分為兩種表達方式：系統誤差和統計誤差；
- 系統誤差是指激光掃描儀多次測量的平均值與真值之間的誤差；系統誤差不能被完全消除，但可以通過預先的標定減小系統誤差影響；
- 統計誤差是指激光掃描儀多次測量的均方差；統計誤差可以采用多次測量取均值減小；
三、激光測距的影響因素
1 物體表面反射率
被測目標物體表面反射率是關系到激光掃描儀測量能力的關鍵參數。而影響物體表面反射率的因素主要有物體表面顏色和表面類型（亞光，高亮，平滑，粗糙等）。我們通常定義柯達白板（Kodak white material）表面反射率為100%。
2 物體表面輪廓
被測物體表面還有一個關鍵因素影響激光掃描儀測量距離和效果：目標物體表面形狀。
平面物體，大於光束直徑全部能量從被測物返回
圓形物體，小於光束直徑部分的能量從被測物反射回(1 echo) + 從背景反射 (1 echo) -> 多次回波multi echo -> 檢測不穩定
平面物體, 小於光束直徑 (邊沿檢測)，部分的能量從被測物反射回(1 echo) + 從背景反射 (1 echo) -> 多次回波multi echo -> 檢測不穩定
高亮、光滑表面 -> 鏡反射（反射角 = 入射角）
如果激光束入射角較小，就會造成激光束的反射光束不能返回到接收器。在該點的測量值就會顯示為無物體，也就是數據丟失的情況。
如：高亮汽車漆、拋光的金屬表面類似鏡反射
亞光、光滑表面 -> 漫反射（全方向反射）
反射光分布在所有的方向上，光的強度分布類似於高斯曲面
當激光與物體表面成一定入射角，則反射能力會有相應的損失，入射角越小，返回掃描器的光越少，檢測距離也就越近
亞光, 粗糙表面 -> 漫反射 （反射方向不確定）
反射可能向任意方向，由被測點實際形狀確定。無規律性
如：塊狀的礦料等
反射板/反射膠貼 -> 反射板反射
幾乎所有的激光都原路徑返回掃描器
用於激光導航等應用
3 光斑直徑（光斑大小 Beam diameter ）
激光掃描器所發出的激光光束， 光斑大小會隨着距離的增加而增大（如手電筒發出的光）
下面列出一些常用LMS產品的光斑直徑的計算公式：
LMS111 =距離(mm)×15mrad + 8mm
LMS511 HR=距離(mm)×4.67mrad+13.6mm
LMS511 SR=距離(mm)×11.9mrad+13.6mm
TiM3= 距離×22mrad+6.5mm
LD-LRS3110=距離(mm)×2.8mrad+40mm
例：LMS111在10米距離時光點直徑：
10000mm×0.015+8mm=158mm
4 光點（測量點）間距 ( Beam distance )
相鄰兩個光點中心之間的距離。光點間距與測量距離成正比；同時，角度分辨率越大，光點間距也越大。
測量點間距L=Tan(a/2)*d*2
例如：
當角度分辨率為0.5 °，工作距離為10米時，
光點間距=Tan（ 0.5 °/2)*10m*2=8.72mm
5 最小檢測物體體積(Minimum object size)
基於光斑直徑和光點間距可以直接計算激光測量系統能測量的物體的最小尺寸。最小物體尺寸與測量距離成正比；
最小檢測物體尺寸=光斑直徑+光點間距
四、激光掃描儀工作模式
基於如上原理和技術，激光掃描儀可以實現以下兩個功能：檢測和測量
檢測 Detection
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在掃描范圍內，設置不同形狀的保護區域
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(預設形狀或任意形狀）
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當有物體進入該區域時，輸出信號
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可用於包括設備防撞、區域安防等
- 測量 Ranging
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在掃描角度范圍內測量每個脈沖檢測點
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輸出位置數據 (極坐標角度及距離數據）
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可用於輪廓測量、導航等作用
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