激光原理考試復(fù)習(xí)資料

1、或“受激發(fā)射光放大1 .激光原理概念,產(chǎn)生：激光的意思是“光的受激輻射放大它包含了激光產(chǎn)生的由來.刺激、激發(fā),散發(fā)、發(fā)射,輻射2 .激光特性：1方向性好2亮度高3單色性好4相干性好：3 .激光雷達(dá)：激光雷達(dá),是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱.工作在紅外和可見光波段的雷達(dá)稱為激光雷達(dá).4 .激光的回波機(jī)制：激光雷達(dá)的探測(cè)對(duì)象分為兩大類,即軟目標(biāo)與硬目標(biāo).軟目標(biāo)是指大氣和水體包括其中所包含的氣溶膠等物質(zhì)等探測(cè)對(duì)象,而硬目標(biāo)那么是指陸地、地物以及空間飛行物等宏觀實(shí)體探測(cè)對(duì)象.軟目標(biāo)的回波機(jī)制：（1） Mie散射是一種散射粒子的直徑與入射激光波長(zhǎng)相當(dāng)或比之更大的一種散射機(jī)制.Mie散射的散射光波長(zhǎng)與入射光波

2、長(zhǎng)相當(dāng),散射時(shí)光與物質(zhì)之間沒有能量交換發(fā)生.因此是一種彈性散射.（2） Rayleigh散射瑞利散射：指散射光波長(zhǎng)等于入射光波長(zhǎng),而且散射粒子遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng),沒有頻率位移無能量變化,波長(zhǎng)相同的彈性光散射.（3） Rama©射拉曼散射：拉曼散射是激光與大氣和水體中各種分子之間的一種非彈性相互作用過程,其最大特點(diǎn)是散射光的波長(zhǎng)和入射光不同,產(chǎn)生了向長(zhǎng)波或短波方向的移動(dòng).而且散射光波長(zhǎng)移動(dòng)的數(shù)值與散射分子的種類密切相關(guān).4共振熒光：原子、分子在吸收入射光后再發(fā)射的光稱為熒光.當(dāng)入射激光的波長(zhǎng)與原子或分子內(nèi)能級(jí)之間的能量差相等時(shí),激光與原子或分子的相互作用過程變?yōu)楣舱駸晒?5吸收：吸收是

3、指當(dāng)入射激光的波長(zhǎng)被調(diào)整到與原子分子的基態(tài)與某個(gè)激發(fā)態(tài)之間的能量差相等時(shí),該原子、分子對(duì)入射激光產(chǎn)生明顯吸收的現(xiàn)象.硬目標(biāo)的回波機(jī)制：激光與由宏觀實(shí)體構(gòu)成的硬目標(biāo)作用機(jī)制反射、吸收和透射.當(dāng)一束激光射向硬目標(biāo)物體時(shí),一局部激光能量從物體外表反射、一局部激光能量被物體吸收、而剩下的激光能量那么將穿透該物體.硬目標(biāo)對(duì)激光能量的反射機(jī)制最為重要.硬目標(biāo)回波機(jī)制包括：鏡面反射、漫反射,方向反射1 .機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)組成：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)由測(cè)量激光發(fā)射點(diǎn)到被測(cè)點(diǎn)間距離的激光掃描儀、測(cè)量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)IMU、用于確定掃描投影中央的空間位置的動(dòng)態(tài)差分全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)DGP

4、S、保證所有局部之間的時(shí)間同步的同步限制裝置、搭載平臺(tái)等局部組成.另外,還配備有數(shù)據(jù)記錄設(shè)備及數(shù)據(jù)處理軟件等2 .機(jī)載激光雷達(dá)定位原理：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)采用極坐標(biāo)定位原理,其確定地面點(diǎn)三維坐標(biāo)的數(shù)學(xué)本質(zhì)是：對(duì)一空間向量,其模和其在物方坐標(biāo)空間中的方向,如果知道向量起點(diǎn)的空間坐標(biāo),那么該向量的另一端點(diǎn)的坐標(biāo)可唯一確定3 .機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量作業(yè)生產(chǎn)流程：主要包括航攝準(zhǔn)備、航攝數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)后處理等環(huán)節(jié).4 .機(jī)載LiDAR技術(shù)相關(guān)術(shù)語：點(diǎn)云：LiDAR獲取的是離散的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),數(shù)量多在空間分布毫無規(guī)律,人們形象稱之為點(diǎn)云.瞬時(shí)視場(chǎng)角：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)通過發(fā)射和接收激光脈沖的信號(hào)實(shí)

5、現(xiàn)測(cè)距,每束激光脈沖與發(fā)射器法線方向都不一致,因而視場(chǎng)角大小不同；瞬時(shí)視場(chǎng)角指的是每次激光脈沖的視場(chǎng)角.屢次回波：同一激光脈沖可以有屢次反射信號(hào).脈沖頻率：激光脈沖的頻率每秒出現(xiàn)的次數(shù)掃描頻率：以線掃描系統(tǒng)為例,指掃描鏡從一端旋轉(zhuǎn)到另一端所用時(shí)間的倒數(shù).激光腳點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè)激光脈沖在地面的反射區(qū)域.濾波分類Classification:對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不同類型的點(diǎn)的屬性按一定的規(guī)那么進(jìn)行劃分,形成不同的點(diǎn)集如地面點(diǎn)集、建筑物點(diǎn)集、植被點(diǎn)集等裸地或地表：指的是在濾波分類根底上形成的地面點(diǎn)集合.最小飛行高度：飛行位置相對(duì)基準(zhǔn)面的最短距離,它的大小取決于飛行平臺(tái)的類型、探測(cè)區(qū)域的地形、激光對(duì)人眼的平安距離和飛

6、行的平安距離等掃描帶寬：系統(tǒng)掃描時(shí)形成的帶狀掃描區(qū)域的寬度旁向激光腳點(diǎn)間距：在同一掃描線中,垂直于航線方向的激光腳點(diǎn)之間的距離.航向激光腳點(diǎn)間距：相鄰掃描線中,平行于航線方向的激光腳點(diǎn)的中央距離.5 .機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)組成及數(shù)據(jù)格式：組成：包含了激光測(cè)距數(shù)據(jù)、GPSa據(jù)、INS數(shù)據(jù)、同步時(shí)間數(shù)據(jù)、多波段傳感器的數(shù)據(jù)等.這其中有些是過程數(shù)據(jù),例如：INS數(shù)據(jù)、GPSa據(jù)等；有些是結(jié)果數(shù)據(jù),如：坐標(biāo)數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)等.根據(jù)目前的硬件情況,機(jī)載LiDAR系統(tǒng)提供的根本信息是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)和強(qiáng)度信息數(shù)據(jù),依據(jù)具體搭載和配置的傳感器的不同,很多機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備還能夠提供全波形數(shù)據(jù)、中等幅面的

7、數(shù)碼影像數(shù)據(jù),甚至還有多光譜數(shù)據(jù)等.數(shù)據(jù)格式：目前國(guó)際上常用的LiDAR數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式包括ASCII文本、柵格以及自定義二進(jìn)制格式及LAS格式等.6 .機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)特點(diǎn)：1.激光雷達(dá)數(shù)據(jù)是不連續(xù)的.2.激光雷達(dá)獲得的數(shù)據(jù)不僅是一次回波而是屢次回波3.強(qiáng)度數(shù)據(jù)：機(jī)載LiDAR系統(tǒng)除了能獲得多重回波數(shù)據(jù)之外,還能同時(shí)獲得回波信號(hào)的強(qiáng)度.4.激光腳點(diǎn)密度不均勻.5.海量數(shù)據(jù)6.航帶覆蓋面積較小7.獲取同名點(diǎn)困難8.存在數(shù)據(jù)盲區(qū)或者數(shù)據(jù)空洞區(qū)域9.缺少光譜信息7.機(jī)載LiDAR技術(shù)與航空攝影測(cè)量技術(shù)的比擬：1 .獲取數(shù)據(jù)的機(jī)理和采集到原始數(shù)據(jù)不同：1航空攝影測(cè)量依據(jù)透視幾何的原理成像,獲得的數(shù)據(jù)是

8、航空像片或數(shù)碼影像.2機(jī)載LiDAR技術(shù)依據(jù)的是極坐標(biāo)幾何定位原理,其獲得的原始數(shù)據(jù)是離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)2.硬件方面差異：激光雷達(dá)系統(tǒng)能耗大,操作復(fù)雜,可靠性差,系統(tǒng)本錢高機(jī)載,掃描器壽命短.攝影測(cè)量系統(tǒng)操作容易,簡(jiǎn)便,可靠性高,系統(tǒng)本錢廉價(jià).3.精度的差另IJ:機(jī)載LiDAR同攝影測(cè)量相比,所受的誤差影響和因素更多,推導(dǎo)誤差的傳播模型更為復(fù)雜.4.產(chǎn)品質(zhì)量的差異：與光學(xué)影像相比,機(jī)載LiDAR能夠穿透植被冠層而到達(dá)地表,一般認(rèn)為機(jī)載LiDAR是比擬理想的獲取森林地區(qū)DEM勺數(shù)據(jù)源.5.生產(chǎn)周期的差異：機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)直接獲取距離觀測(cè)值,其生產(chǎn)DE般比攝影測(cè)量快的多.6.生產(chǎn)本錢的差異：除去硬件

9、本錢,僅就獲取DEM三維模型而言,機(jī)載LiDAR的本錢要遠(yuǎn)低于航空攝影測(cè)量.8 .機(jī)載LiDAR系統(tǒng)誤差源分析：1 .量測(cè)誤差,主要包括激光測(cè)距誤差、GPS定位誤差、IMU姿態(tài)誤差；2.集成誤差,即系統(tǒng)各部件觀測(cè)值集成過程中的系統(tǒng)集成誤差,包括硬件安置誤差和數(shù)據(jù)處理誤差.2 .激光測(cè)距誤差：激光測(cè)距的誤約為23cm,2、DGPSt位誤差：GPS定位誤差主要誤差源為5cm左右,3、姿態(tài)量測(cè)誤差：目前,在國(guó)內(nèi)民用INS系統(tǒng)的精度水平為：航偏、側(cè)滾和俯仰.,采用GPS/INS組合的精度水平為°國(guó)外先進(jìn)的GPS/INS組合的精度水平為：航偏.、側(cè)滾和俯仰.4、掃描角誤差：固定的5、偏心距誤差

10、主要是GPS接收機(jī)天線中央到激光束在掃描鏡上發(fā)射點(diǎn)的距離的量測(cè)誤差.6、安置角誤差：安裝后IMU各軸指向與激光掃描儀的各軸指向間有一個(gè)微小的角度差,安置角誤差通常度度.1地面三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成：激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng),同時(shí)集成CCD和儀器內(nèi)部限制和校正系統(tǒng).攝像機(jī)主要用于目標(biāo)對(duì)象影像信息的數(shù)據(jù)采集,其獲取的彩色圖像中,包含了目標(biāo)對(duì)象的真彩色紋理,當(dāng)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行三維可視化的展示時(shí)需要用到此類信息.3 .儀器內(nèi)部限制與校正系統(tǒng)不僅可以限制儀器內(nèi)部各系統(tǒng)的聯(lián)合工作并且還可以進(jìn)行有效校正.3.激光測(cè)距系統(tǒng)采用非接觸方式,利用激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間差或者相位

11、差來精確、高速地測(cè)量掃描點(diǎn)與掃描儀的距離.2.地面三維激光掃描系統(tǒng)定位原理：激光測(cè)距系統(tǒng)采用非接觸方式,利用激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間差或者相位差來精確、高速地測(cè)量掃描點(diǎn)與掃描儀的距離.激光掃描系統(tǒng)通過勻速旋轉(zhuǎn)的反射鏡引導(dǎo)激光束以等角速度的方式發(fā)射,并測(cè)量激光束的水平方向與豎直方向的角度.兩系統(tǒng)相結(jié)合,即可計(jì)算出每一個(gè)掃描點(diǎn)的空間三維坐標(biāo).原始數(shù)據(jù)：1 .地面激光掃描儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)為與目標(biāo)對(duì)象外表對(duì)應(yīng)的密集三維離散點(diǎn),一般情況下將其稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù).2.兩個(gè)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的、用來反射脈沖激光的反射鏡的角度值,即橫向掃描角度觀測(cè)值a和縱向掃描角度觀測(cè)值.；通過脈沖激光傳播的時(shí)間或相位差計(jì)算得到的儀器到掃描點(diǎn)的

12、距離值S;該兩項(xiàng)數(shù)據(jù)用來計(jì)算掃描點(diǎn)的3維坐標(biāo)值.3 .掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度,用來給反射點(diǎn)匹配灰度信息.4 .三維激光掃描儀的點(diǎn)云誤差分析：測(cè)量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差.系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)偏差,可通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小.測(cè)量系統(tǒng)的偶然性誤差那么是隨機(jī)產(chǎn)生的.三維激光掃描誤差可分為點(diǎn)云的定位誤差儀器相關(guān)誤差、目標(biāo)相關(guān)誤差、環(huán)境相關(guān)誤差和點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差.1.激光的測(cè)距誤差：激光測(cè)距誤差綜合表達(dá)為測(cè)距中的固定誤差和比例誤差,可以通過儀器檢定確定測(cè)距誤差的大小.2.儀器的測(cè)角誤差：掃描角的影響包括橫向掃描角度和豎向掃描角度測(cè)量的影響.測(cè)角誤差包括視準(zhǔn)軸誤差、水平角誤差和垂直角誤

13、差3 .目標(biāo)顏色引起的誤差：作為一種特殊的電磁波,激光照射到不同目標(biāo)外表,其被反射和吸收的程度也不一樣,激光接收單元在單位時(shí)間內(nèi)接收到的激光能量的差異發(fā)生變化,造成測(cè)量結(jié)果的差異.一般而言,亮色的外表比暗色的外表測(cè)量精度高.4.外界環(huán)境條件引起的誤差：外界環(huán)境條件主要為溫度、氣壓等的變化.溫度得變化對(duì)精密儀器產(chǎn)生細(xì)微的影響、掃描時(shí)風(fēng)的作用、激光在空氣中傳播的折射效應(yīng)等.惡劣的外界環(huán)境也會(huì)使三維激光掃描儀產(chǎn)生較大的誤差.5 .三維激光掃描工作流程：地面三維激光測(cè)量技術(shù)工作流程大致分為準(zhǔn)備工作、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理三局部.在具體工作開展之前需要制定詳細(xì)的工作方案并做好準(zhǔn)備工作,主要包括根據(jù)掃描對(duì)象的不同和精度的具體要求設(shè)計(jì)一條合理的掃描路線、確定采樣密度、儀器至掃描物體的距離、設(shè)站數(shù)等；外業(yè)工作主要是數(shù)據(jù)采集；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理是最重要也是工作量最大的環(huán)節(jié),主要包括點(diǎn)云著色、點(diǎn)云去噪、濾波、數(shù)據(jù)壓縮、圖像處理、地物建模、特征提取、紋理映射等.6 .數(shù)據(jù)處理:1 .點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪：.曲率法采用點(diǎn)與相鄰點(diǎn)之間的矢量夾角判斷.弦高法采用點(diǎn)到相鄰點(diǎn)連線的距離判斷.距離值法采用點(diǎn)到利用相鄰點(diǎn)擬臺(tái)的直線段或平面之間的距離進(jìn)行判斷.2 .點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑：平滑算法主要有平均值法、投影法、高斯算法等.3 .點(diǎn)云數(shù)據(jù)的漏洞修復(fù)：當(dāng)空洞出現(xiàn)在平面區(qū)域內(nèi),比方窗戶或者墻面上的洞,可采用線性插值的方