光栅在激光扫描仪上的应用
概述
科技的进步为人们在生活中带来诸多的便利，现在人们只需要在导航设备上输入目标地点，系统就会一步一步把驾驶员带到目的地，同时提供行程距离、所需时间和路面状况等详细驾驶信息。而这一切都必须依赖一张强大而精确的地图作为支持。
LiDAR工作原理
车载LiDAR，简称光达，是一种光学遥感技术，它通过向目标发射一束光，通常是一束脉冲激光来测量目标的距离等参数，是测绘行业目前最先进的技术之一，或许大家曾经都在路上遇到过地图制作团队的车辆在大街小巷里穿梭以采集数据。车载LiDAR系统主要由激光扫描仪、POS（定位定向系统，包括GPS和IMU）和测速计等组成。其中激光扫描仪采用二维激光扫描，获取360度内扫描到的物体的坐标点，通过车辆前进获取车辆行驶路线两侧的三维数据。
从测量的原理来说，车载LiDAR主要采用测角和测距两种方法，前者根据设置参数，借助扫描仪的匀速扫描得到每个脉冲在扫描仪坐标系下的角度，后者则根据激光脉冲发射返回时间差计算扫描中心到被测点的距离。通过角度和距离求得测区内物体在扫描仪坐标系下的坐标点；通过实时POS数据经过坐标转换得到物体的地理坐标点。得到的数据即称为“点云”数据，配合数码相机获取的对应影像数据，最后经过后期点云和影像融合便可生成三维街道实景。
同时采用测角和测距两种方法的优点是工作效率得到大幅提升，因为如果单独采用测距的方法，激光需要到达每一个未知点。
图1：车载LiDAR作业示意图
图2：扫描仪工作原理
光栅系统在LiDAR上的应用
光栅在扫描仪上主要应用于测角部分，用以反馈每个发出的脉冲在扫描仪坐标系下的角度，再与测距数据组合进行计算。典型扫描仪一般设计有平行和垂直两个旋转轴，两轴均采用伺服电机，分别配置圆光栅系统作位置反馈。
激光通过两组以伺服电机带动且匀速旋转的棱镜，并以固定的脉冲发射间隔发射到被测物体进行扫描，从而收集三维空间数据。
光栅在整个系统中的作用可说是至关重要，如果反馈角度数据偏差，对应的角度值就会出现错误，从而导致系统生成扭曲的图像。
目前市场上的车载扫描仪最大测距范围可达道路两旁1000 m或以上，测角的分辨率和精度普遍也能达到0.001度和0.005度，另外测距精度可达每100 m误差仅10 mm以内。
零部件微形化
车载扫描仪在工作时被安装在车顶上，因此无论是体积或是重量都是使用者在购买时必定会考虑的因素。目前厂家开发的激光扫描仪都是朝着测距远、精度高、体积小且重量轻的方向发展。这意味着扫描仪的机构设计以至其他零部件的体积和重量都必须紧凑轻巧。由于扫描仪机构设计紧凑的原因，产品内部基本没有多余的空间，故对零件的体积有严格的要求。
雷尼绍ATOM圆光栅的微型设计，微形读数头和分离式玻璃码盘的设计使客户在机构设计上有更大的自由度。对于部分对精度要求更高的客户，雷尼绍可提供规格更高的TONiC系列产品，配置RESM圆环光栅。
另外，开放式光栅是LiDAR必然的选择，原因是封闭式光栅体积相对较大。另一方面，虽然光栅安装在机箱内，但长时间在户外工作难免受灰尘等污染物的影响。虽然封闭式光栅的抗污能力确实比开放式光栅优异，但雷尼绍的开放式光栅凭借其先进的技术仍在市场中独领风骚。
雷尼绍ATOM圆光栅系列读数头最小尺寸仅6.8 mm x 20.5 mm x 12.7 mm，与玻璃码盘搭配使用。ATOM光栅采用独有的光学滤波系统，可提供更好的信号稳定性和纯粹度，同时消除栅尺因安装在弯曲或高低不平的表面上而出现的波动误差，此外，TONiC也正是采用了这种先进的光学滤波系统。
安装简单便利
安装是否简单是用户在选择零部件时普遍会考虑的因素，对于如激光扫描仪这类高精密的设备，情况更是如此。玻璃码盘的安装最重要就是确保它与支架轴中心保持同心，在ATOM码盘的应用上，目前部分客户是通过显微镜以目测方法观察和调整位移减少偏心，调整后再以金属盖把码盘压紧并锁上螺丝，整个安装过程十分简单。另外，TONiC RESM圆环光栅的安装同样便利，系统也如其他雷尼绍光栅一样稳定可靠。
以目视进行校正虽然简单，但缺点是较为依赖操作员的经验。雷尼绍为用户提供另一种系统化的安装方法，使经验较少的操作员也能胜任。该方法主要是通过监控DSI双读数头系统（两个读数头安装角度呈180度）的输出信号，然后调整码盘减少两个读数头的计数差，重复调整直到将偏心误差减少到目标值。另外，ATOM和TONiC读数头还包含方便其进行快速安装的LED安装指示灯，以及可实现快速优化的自动校准程序。
3D未来轮廓初现
现在，工程师们正在努力创建真实、清晰、详细的街景级别3D城市模型。地球空间信息学（包括LiDAR技术）是一个拥有巨大发展潜力的学科，在未来必将深刻影响我们与虚拟世界交互的方式。高精度、超小型且设计精良的光栅系统是三维LiDAR扫描仪的关键部件，必将助力全球领先的激光遥感遥测设备制造商打造最优的产品设计方案。
如需了解雷尼绍全系列光栅的详细信息，请访问www.renishaw.com.cn/encoders
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