CN114858093A - 一种快速三维扫描仪的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速三维扫描仪的使用方法，涉及工程测量技术领域。该快速三维扫描仪的使用方法，包括快速三维扫描仪，包括多个测距相机、支撑架、整平台及其三角架、红外发射器，本装置包括顶部一个测距相机，周边上下两层，每层六个测距相机共十三个测距相机。该快速三维扫描仪的使用方法，通过对现有的三维激光扫描仪的测距系统进行了改进，采用测距相机代替单一激光测距系统，测距相机可以同时测距多个点的距离，提高扫描速度从而提高固定型三维激光扫描仪作业效率。

Description

一种快速三维扫描仪的使用方法

技术领域

本发明涉及工程测量技术领域，具体为一种快速三维扫描仪的使用方法。

背景技术

目前三维激光扫描仪用于隧道的超欠挖测量代替以往的隧道断面检测仪，以面测量代替点测量大大提高了隧道断面测量的密度和精度。三维激光扫描仪又分为固定型和移动型，固定型同全站仪或经纬仪一样架在固定位置；移动型可以做成背包外观单人背包使用，或者做成车载和机载使用，在移动中需要利用惯性系统测定设备姿态和GPS测定移动的位置，结构复杂价格也贵，精度也不如固定型高。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种快速三维扫描仪的使用方法，解决了目前三维激光扫描仪用于隧道的超欠挖测量代替以往的隧道断面检测仪，以面测量代替点测量大大提高了隧道断面测量的密度和精度。三维激光扫描仪又分为固定型和移动型，固定型同全站仪或经纬仪一样架在固定位置；移动型可以做成背包外观单人背包使用，或者做成车载和机载使用，在移动中需要利用惯性系统测定设备姿态和GPS测定移动的位置，结构复杂价格也贵，精度也不如固定型高的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种快速三维扫描仪的使用方法，包括快速三维扫描仪，包括多个测距相机、支撑架、整平台及其三角架、红外发射器，本装置包括顶部一个测距相机，周边上下两层，每层六个测距相机共十三个测距相机，本装置的测距相机包括雪崩二极管阵列、透镜组，拍照时进行自动对焦，本装置测距相机采样点前红外发射器先发射一次脉冲信号，测距相机利用雪崩二极管阵列的中心、左上、左下、右上、右下共五个点利用发射与接收信号的时间差乘以空气中的光速计算五点距离，并利用五点的加权平均值计算物距再利用透镜组焦距计算像距并移动透镜组让雪崩二极管阵列移动到像平面上，本装置测距时，每个雪崩二级管自带存贮器，记录发射器发射信号与收到信号的时间差，同步时间接收恒温的石英晶体或铷原子时间波频率和相位，再依一定的顺序将时差数据发送本装置的主内存，本装置整平台是自动整平装置，为一个摆，放入一个磁阻尼器中，重量大于支撑及以上的装置，只要圆气泡粗平后，再利用重力进行安平，具体操作如下：

本设备的关键部件是测距相机，采用雪崩二极管阵列代替普通数码相机的CCD或CMOS图像传感器。镜头采用微畸变光学透镜组，可以利用设备顶部的红外发射器产生的红外光照亮物体进行自动对焦。本相机的自动对焦系统利用相机雪崩二极管阵列长方形四个顶点和中心共五个点的雪崩二极管进行测距，测距采用从发射器发射红外光到雪崩二级管接收到反射信号的时间差与大气中光速计算。再利用中心与四个顶点的距离加权平均计算物距，利用中心权值0.6，四个顶点权值各为0.1，共0.6+0.1+0.1+0.1+0.1＝1.0计算物距，根据透镜组的焦距计算像距，再移动透镜组让实际像距等于理论计算的像距完成对焦。因为相对于雪崩二极管四个顶点的实物并不是平面，加中心的五个点并不在同一平面上，就是实物是平面也不会与像平面平行，加权平均计算的物距也是近似的物距。物距远大于像距，因而利用加权平均计算的物距对焦对所测距离的影响不大。靠近雪崩二极管中心的距离精度高于四周，本装置是利用多个相机从不同的角度测量距离再以中心的权高于四周的计算方法，再进行软件计算拼接成全方位的三维模型，相片之间误差利用最小二乘原理进行改正为合适值。

使用前选择通视条件好，位置合适点架设本装置，尽量让其前后左右对应于实物的距离差不大。对于隧道断面扫描，可让本装置立于洞的中心进行扫描，纵向每间隔一定距离扫描一次，纵向间隔以隧道洞横向跨距接近。因本装置架设时只要圆气泡粗平无需对中，精平靠设备内部的自动安平装置补偿。

本装置的测距相机分两次测距，先进行对焦测距，红外发射器发射红外脉冲一次进行对焦测距，再发射红外脉冲进行扫描测距，所有的雪崩二极管记录收到反射信号与发射信号的时间差。因光速很快，需要的时间分辨率高，时间记数器采用正弦波，本装置采用恒温的高精度石英谐振装置，频率500Mhz以上，采用多级倍频到1010Hz以上再利用频率与正弦波的相位差计算距离。也可以直接采用铷原子时间频率标准，利用铷原子时间校准石英晶体的频率标准。

本设备的对焦系统包括雪崩二极管阵列，透镜组和物平面。当然物平面只是对应于相机雪崩二极管阵列平面成像面假想的平面，实际外物不是平面，也不与雪崩二极管阵列平面平行。只能以雪崩二极管阵列对应的实物点距离联成的面(五点拟合的近似平面)。

(三)有益效果

本发明提供了一种快速三维扫描仪的使用方法。具备以下有益效果：

该快速三维扫描仪的使用方法，通过对现有的三维激光扫描仪的测距系统进行了改进，采用测距相机代替单一激光测距系统，测距相机可以同时测距多个点的距离，提高扫描速度从而提高固定型三维激光扫描仪作业效率。

测距相机同普通三维激光扫描仪对比：普通三维激光扫描仪都采用一个激光测距仪高速测距，利用主机激光测距仪上下左右转动快速采样点的三维坐标，对于一站采集数据也要几分钟时间；本快速三维扫描仪采用测距相机照相的原理方法，主要是对焦和“曝光”的时间，只要几秒完成一站的三维数据采集，因而相比普通移动式三维激光扫描仪，采集数据更快，特别适合于隧道断面测量，因隧道施工受进出车辆和其它施工机械的影响大，数据采集速度要求快。

附图说明

附图1是这种设备侧视图。

附图2是本设备顶视图。

附图3是底视图。

附图4是测距相机的对焦系统原理。

附图5是测距相机的雪崩二极管阵列示意图。

图中：1、测距相机；2、支撑架；3、整平台；4、三角架；5、红外发射器；6、雪崩二极管阵列；7、透镜组；8、光速计算五点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种快速三维扫描仪的使用方法，包括快速三维扫描仪，包括多个测距相机1、支撑架2、整平台3及其三角架4、红外发射器5，本装置包括顶部一个测距相机1，周边上下两层，每层六个测距相机1共十三个测距相机1，本装置的测距相机1包括雪崩二极管阵列6、透镜组7，拍照时进行自动对焦，本装置测距相机1采样点前红外发射器先发射一次脉冲信号，测距相机1利用雪崩二极管阵列6的中心、左上、左下、右上、右下共五个点利用发射与接收信号的时间差乘以空气中的光速计算五点8距离，并利用五点的加权平均值计算物距再利用透镜组焦距计算像距并移动透镜组让雪崩二极管阵列6移动到像平面上，本装置测距时，每个雪崩二级管自带存贮器，记录发射器发射信号与收到信号的时间差，同步时间接收恒温的石英晶体或铷原子时间波频率和相位，再依一定的顺序将时差数据发送本装置的主内存，本装置整平台3是自动整平装置，为一个摆，放入一个磁阻尼器中，重量大于支撑及以上的装置，只要圆气泡粗平后，再利用重力进行安平，具体操作如下：

本设备的关键部件是测距相机，采用雪崩二极管阵列6代替普通数码相机的CCD或CMOS图像传感器。镜头7采用微畸变光学透镜组，可以利用设备顶部的红外发射器产生的红外光照亮物体进行自动对焦。本相机的自动对焦系统利用相机雪崩二极管阵列6长方形四个顶点和中心共五个点的雪崩二极管进行测距，测距采用从发射器发射红外光到雪崩二级管接收到反射信号的时间差与大气中光速计算。再利用中心与四个顶点的距离加权平均计算物距，利用中心权值0.6，四个顶点权值各为0.1，共0.6+0.1+0.1+0.1+0.1＝1.0计算物距，根据透镜组7的焦距计算像距，再移动透镜组让实际像距等于理论计算的像距完成对焦。因为相对于雪崩二极管四个顶点的实物并不是平面，加中心的五个点并不在同一平面上，就是实物是平面8也不会与像平面平行，加权平均计算的物距也是近似的物距。物距远大于像距，因而利用加权平均计算的物距对焦对所测距离的影响不大。靠近雪崩二极管中心的距离精度高于四周，本装置是利用多个相机从不同的角度测量距离再以中心的权高于四周的计算方法，再进行软件计算拼接成全方位的三维模型，相片之间误差利用最小二乘原理进行改正为合适值。

使用前选择通视条件好，位置合适点架设本装置，尽量让其前后左右对应于实物的距离差不大。对于隧道断面扫描，可让本装置立于洞的中心进行扫描，纵向每间隔一定距离扫描一次，纵向间隔以隧道洞横向跨距接近。因本装置架设时只要圆气泡粗平无需对中，精平靠设备内部的自动安平装置补偿。

本装置的测距相机分两次测距，先进行对焦测距，红外发射器发射红外脉冲一次进行对焦测距，再发射红外脉冲进行扫描测距，所有的雪崩二极管记录收到反射信号与发射信号的时间差。因光速很快，需要的时间分辨率高，时间记数器采用正弦波，本装置采用恒温的高精度石英谐振装置，频率500Mhz以上，采用多级倍频到1010Hz以上再利用频率与正弦波的相位差计算距离。也可以直接采用铷原子时间频率标准，利用铷原子时间校准石英晶体的频率标准。

本设备的对焦系统包括雪崩二极管阵列6，透镜组7和物平面8。当然物平面只是对应于相机雪崩二极管阵列平面成像面假想的平面，实际外物不是平面，也不与雪崩二极管阵列平面平行。只能以雪崩二极管阵列对应的实物点距离联成的面五点拟合的近似平面。

经过对焦后雪崩二极管精确收到来自外物点的反射红外光减少其它红外光的干涉，大大提高了采样点的精度。相比单一接收装置的激光雷达或三维激光扫描仪都是利用接收器的转动采样点的三维坐标，由于是多个相机多个雪崩二极管同时采集数据，其数据采集的速度大大提高了，工作效率高。

综上所述，该快速三维扫描仪的使用方法，通过对现有的三维激光扫描仪的测距系统进行了改进，采用测距相机代替单一激光测距系统，测距相机可以同时测距多个点的距离，提高扫描速度从而提高固定型三维激光扫描仪作业效率。

测距相机同普通三维激光扫描仪对比：普通三维激光扫描仪都采用一个激光测距仪高速测距，利用主机激光测距仪上下左右转动快速采样点的三维坐标，对于一站采集数据也要几分钟时间；本快速三维扫描仪采用测距相机照相的原理方法，主要是对焦和“曝光”的时间，只要几秒完成一站的三维数据采集，因而相比普通移动式三维激光扫描仪，采集数据更快，特别适合于隧道断面测量，因隧道施工受进出车辆和其它施工机械的影响大，数据采集速度要求快。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种快速三维扫描仪的使用方法，包括快速三维扫描仪，包括多个测距相机(1)、支撑架(2)、整平台(3)及其三角架(4)、红外发射器(5)，其特征在于：本装置包括顶部一个测距相机(1)，周边上下两层，每层六个测距相机(1)共十三个测距相机(1)，本装置的测距相机(1)包括雪崩二极管阵列(6)、透镜组(7)，拍照时进行自动对焦，本装置测距相机(1)采样点前红外发射器先发射一次脉冲信号，测距相机(1)利用雪崩二极管阵列(6)的中心、左上、左下、右上、右下共五个点利用发射与接收信号的时间差乘以空气中的光速计算五点(8)距离，并利用五点的加权平均值计算物距再利用透镜组焦距计算像距并移动透镜组让雪崩二极管阵列(6)移动到像平面上，本装置测距时，每个雪崩二级管自带存贮器，记录发射器发射信号与收到信号的时间差，同步时间接收恒温的石英晶体或铷原子时间波频率和相位，再依一定的顺序将时差数据发送本装置的主内存，本装置整平台(3)是自动整平装置，为一个摆，放入一个磁阻尼器中，重量大于支撑及以上的装置，只要圆气泡粗平后，再利用重力进行安平，具体操作如下：

本设备的关键部件是测距相机，采用雪崩二极管阵列(6)代替普通数码相机的CCD或CMOS图像传感器。镜头(7)采用微畸变光学透镜组，可以利用设备顶部的红外发射器产生的红外光照亮物体进行自动对焦。本相机的自动对焦系统利用相机雪崩二极管阵列(6)长方形四个顶点和中心共五个点的雪崩二极管进行测距，测距采用从发射器发射红外光到雪崩二级管接收到反射信号的时间差与大气中光速计算。再利用中心与四个顶点的距离加权平均计算物距，利用中心权值0.6，四个顶点权值各为0.1，共0.6+0.1+0.1+0.1+0.1＝1.0计算物距，根据透镜组(7)的焦距计算像距，再移动透镜组让实际像距等于理论计算的像距完成对焦。因为相对于雪崩二极管四个顶点的实物并不是平面，加中心的五个点并不在同一平面上，就是实物是平面(8)也不会与像平面平行，加权平均计算的物距也是近似的物距。物距远大于像距，因而利用加权平均计算的物距对焦对所测距离的影响不大。靠近雪崩二极管中心的距离精度高于四周，本装置是利用多个相机从不同的角度测量距离再以中心的权高于四周的计算方法，再进行软件计算拼接成全方位的三维模型，相片之间误差利用最小二乘原理进行改正为合适值。

使用前选择通视条件好，位置合适点架设本装置，尽量让其前后左右对应于实物的距离差不大。对于隧道断面扫描，可让本装置立于洞的中心进行扫描，纵向每间隔一定距离扫描一次，纵向间隔以隧道洞横向跨距接近。因本装置架设时只要圆气泡粗平无需对中，精平靠设备内部的自动安平装置补偿。

本装置的测距相机分两次测距，先进行对焦测距，红外发射器发射红外脉冲一次进行对焦测距，再发射红外脉冲进行扫描测距，所有的雪崩二极管记录收到反射信号与发射信号的时间差。因光速很快，需要的时间分辨率高，时间记数器采用正弦波，本装置采用恒温的高精度石英谐振装置，频率500Mhz以上，采用多级倍频到1010Hz以上再利用频率与正弦波的相位差计算距离。也可以直接采用铷原子时间频率标准，利用铷原子时间校准石英晶体的频率标准。

本设备的对焦系统包括雪崩二极管阵列(6)，透镜组(7)和物平面(8)。当然物平面只是对应于相机雪崩二极管阵列平面成像面假想的平面，实际外物不是平面，也不与雪崩二极管阵列平面平行。只能以雪崩二极管阵列对应的实物点距离联成的面，即五点拟合的近似平面。

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