Hệ thống quét laser mặt đất bao gồm thiết bị quét và thiết bị máy tính chuyên ngành xử lý tốc độ cao được cài đặt phần mềm chuyên dụng [62] Hệ thống thiết bị quét laser cấu tạo gồm khối thiết bị đo dài laser thích ứng làm việc với tần số cao và khối đầu quay thiết bị quét laser mặt đất (Hình 2 1)
1 – đo dài laser;
2 – tuyến nhận và truyền đo dài;
3 – gương quét (lăng kính); 4 – đầu quét của máy quét; 5 – dây dẫn máy quét laser với máy tính;
6 – máy tinh xách tay cùng phần mềm chuyên dụng; 7 – bộ lưu dữ liệu
Hình 2 1 Thành phần và sơ đồ nguyên lý của hệ thống quét laser mặt đất [62]
động trên cơ sở đo khoảng cách và các góc đo hướng từ trạm quét đến đối tượng Sự khác biệt cơ bản với quét laser hàng không bởi cấu tạo máy quét và trong quá trình hoạt động thiết bị quét laser mặt đất ở trạng thái tĩnh
Hình 2 2 Chức năng, thành phần cấu tạo chính thiết bị quét laser mặt đất [62] 1 - khối đo dài; 2 - khối thiết bị quang cơ đầu quay laser; 3 - đường truyền dẫn – thu tín hiệu đo dài; 4 - kênh truyền dữ liệu vào máy tính; 5 - máy tính chuyên dụng
Trong đó:
Điểm mi - điểm phản xạ của bức xạ laser; giá trị đo góc đứng Ɵi; giá trị đo góc ngang i ; Ri – khoảng cách đo từ điểm trạm quét tới đối tượng điểm quét
Chức năng của những thành phần chính cấu tạo của hệ thống quét laser mặt đất là:
Khối đo dài với chức năng đo khoảng cách từ trạm quét đến đối tượng nằm trên đường dẫn thu và truyền tải tín hiệu đo dài Nguồn bức xạ được sử dụng là laser bán dẫn Khoảng cách được xác định bằng khoảng thời gian truyền và thu tín hiệu (phương pháp đo xung) hoặc theo sự dịch chuyển pha (phương pháp đo pha) của tín hiệu phản xạ;
Khối thiết bị quang - cơ laser với chức năng làm trùng đường truyền và thu tín hiệu đo dài, định vị ghi các góc hướng bức xạ bằng hệ thống quang cơ bởi lăng kính gương và đường dẫn Việc quay chiều đứng của khối đầu thiết bị quang-cơ laser nhờ trợ giúp lăng kính phẳng hoặc lăng kính nhiều mặt, quay chiều ngang bằng cách xoay
tín hiệu phản xạ và đặc tính màu của điểm đo (màu đỏ, màu xanh lục, màu xanh lam) Giá trị tọa độ dòng và cột của mỗi pixel raster phản ánh giá trị đo góc đứng Ɵi và góc ngang i Tại mỗi điểm của mơ hình qt laser mặt đất đều mang tính chất màu thực nhờ gắn máy ảnh kỹ thuật số đồng bộ với thiết bị quét laser mặt đất
Kết quả quét laser mặt đất còn được lưu ở dạng khác bằng mật độ đám mây điểm phản xạ laser của các đối tượng địa vật trong trường quan sát của thiết bị quét laser mặt đất với 5 đặc tính bao gồm: ba tọa độ không gian (X, Y, Z); cường độ tín hiệu và màu thực [5]
a) Ảnh cường độ b) Ảnh màu thực c) Đám mây điểm
Hình 2 3 Kết quả quét laser mặt đất [70]
Với kết quả đo dài khoảng cách và hướng tia quét chúng ta tính được tọa độ khơng gian của điểm địa vật trong hệ tọa độ thiết bị quét theo cơng thức sau
[19,20,21], (Hình 2 4):
X = R cos sin
Y = R sin φ sin (2 1) Z = R cos
điểm địa vật quét;
φ – góc đo hướng ngang tia quét laser véc tơ R;
– góc đo hướng đứng tia qt laser, được tính theo trục Z đến hướng
véc tơ R - (khoảng cách thiên đỉnh hướng tia quét laser)
Hình 2 4 Hệ tọa độ điểm trạm quét laser mặt đất [20]
Công thức (2 1) là công thức rút gọn để chuyển từ hệ tọa độ cực về hệ tọa độ khơng gian vng góc (Đề các)
Đối với từng thiết bị quét laser mặt đất cụ thể, cơng thức trên sẽ có dạng phù hợp để tính đến các yếu tố khơng trùng giữa nguồn phát bức xạ laser với đầu thu, độ lệch tâm giữa trục quay ngang và trục quay đứng xoay quanh thiết bị quét và các tham số khác theo kết quả kiểm định thiết bị quét laser mặt đất [19,20,21,33]
Từ những phân tích nguyên lý hoạt động của thiết bị quét laser mặt đất cho thấy: những đặc tính đo của các tia quét laser được xác định bằng độ chính xác làm việc của khối đo dài và khối quay của tia laser Những ngun lý đo dài và đo góc sẽ được trình bày chi tiết ở những mục sau
2 1 2 Nguyên lý hoạt động khối đo dài của thiết bị quét laser mặt đất
Đo dài khoảng cách trong các thiết bị quét laser mặt đất được thực hiện nhờ sóng điện từ trong dải sóng quang học (dải hồng ngoại hoặc dải nhìn thấy) Tín hiệu được truyền đi từ nguồn phát trong khối thiết bị quang - cơ quay hướng, đi qua quãng đường tới đối tượng địa vật và phản xạ lại vào nguồn thu Trong khoảng thời gian đó tín hiệu đi qua hai lần khoảng cách 2D đến điểm quét Như vậy giá trị khoảng cách cần xác định là D sẽ bằng một nửa đường đi của tia bức xạ Việc xác định độ dài
2
Ở đây: + t2D là thời gian được tính từ thời điểm truyền xung lên Diot laser và thời điểm thu nhận tín hiệu trở lại Như vậy tín hiệu đi qua khoảng cách 2D;
+ V là vận tốc truyền sóng điện từ
Hình 2 5 Nguyên lý phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách [59]
Để xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung, thường sử dụng những xung ngắn, tức là nguồn phát chỉ làm việc trong khoảng ngắn thời gian Để nhận được giá trị đơn trị của đại lượng D thì chu kỳ khảo sát xung cần phải lớn hơn thời gian t2D Những yếu tố cơ bản xác định độ chính xác của phương pháp đo xung chính là độ chính xác xác định đo thời gian (ghi đếm xung) Đánh giá sai số xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo xung được tính theo cơng thức:
MD = M t 2D V2 (2 3)
Ở đây: M�2D - là sai số đo thời gian �2D
dài khoảng cách với độ chính xác 1mm Một trong những yếu tố khác ảnh hưởng đến độ chính xác đo dài khoảng cách trong phương pháp đo xung này là dạng của xung phản xạ lại Dạng xung này phụ thuộc vào sự kéo dài xung, đặc tính phản xạ của xung, cấu trúc đối tượng vật phản xạ, bề mặt hứng phản xạ và mơi trường khí quyển truyền xung Trường hợp gặp dạng xung bị tán sẽ dẫn đến không thể ghi đếm được xung [55]
Ưu điểm của phương pháp đo xung xác định độ dài khoảng cách bằng thiết bị quét laser mặt đất là đo được xa khi công suất phát xung không cao Kết quả nhận được là đơn trị (độ dài khoảng cách tỷ lệ thuận với thời gian truyền xung) Nhược điểm của phương pháp đo xung này là độ chính xác khơng cao so với phương pháp đo pha, bị giới hạn tần số xung theo khoảng cách từ nguồn phát đến đối tượng vật quét
2 1 2 2 Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha
Nguyên lý xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha được thể hiện qua hình 2 6 Nguyên lý này bao gồm việc xác định số lượng giá trị nguyên của độ dài bước sóng giữa máy phát laser và đối tượng vật được quét tới cùng với hiệu pha bức xạ sóng gửi đi và nhận lại qua tín hiệu bộ điều biến giao động Ở đây độ rộng của dải băng tần truyền sóng đến 10Hz khi sử dụng Diod laser mới hiện nay Việc bức xạ đi xa phải u cầu liên tục sẽ địi hỏi làm tăng cơng suất bức xạ laser phát ra so với phương pháp đo xung Ưu điểm chính của phương pháp đo pha là cho độ chính xác cao đạt đến 0,4mm Để đạt được độ chính xác đó giữa nguồn phát và đối tượng quét cần thiết:
1 Xác định số lượng giá trị nguyên độ dài bước sóng bộ điều biến N truyền dẫn đi qua trên khoảng cách đó
2 Xác định được hiệu pha ∆ giữa sóng nhận về và sóng gốc phát đi và đánh giá được khoảng cách phụ tương ứng với sóng cuối cùng phản hồi về khơng đầy đủ
Hình 2 6 Sơ đồ xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha [55]
Đo chiều dài cạnh bằng phương pháp đo pha dựa trên cơ sở xác định hiệu pha gửi đi và nhận lại qua tín hiệu của bộ điều biến Trong trường hợp này độ dài khoảng cách được tính theo cơng thức [59]:
D = φ 2R4 f vπ (2 4)
Ở đây: + đại lượng 2R là hiệu pha giữa tín hiệu tại điểm gốc trạm quét và tín hiệu tại điểm quét đối tượng địa vật;
+ f là tần số của bộ điều biến
Công thức (2 4) 2R có thể triển khai ra thành phần nguyên và thành phần phân số Nếu các giá trị N và ∆ được xác định thì độ dài khoảng cách sẽ tính theo cơng thức:
D = N +λ Δφ2π λ (2 5)
Ở đây: λ - là độ dài bước sóng của bộ điều biến (λ = ν/2 )
N- số lượng trị nguyên độ dài bước sóng bộ điều biến truyền dẫn trên khoảng cách D
Công thức đơn giản trên cho phép đủ làm sáng tỏ về độ chính xác cao xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha Độ chính xác của đại lượng λ được xác định ổn định tần số của máy phát điều biến giao động Trong điều kiện hiện nay các tham số của thiết bị điều biến giao động này được xác định với độ chính xác rất cao Ngồi ra đại lượng ∆ cũng có thể xác định đủ độ chính xác cao Độ chính xác này phụ thuộc vào loại máy quét laser Đại lượng ∆ có thể xác định bằng phương pháp đo bằng thiết bị đo pha hoặc tín hiệu nhận ở dạng số được ghi lưu trên băng từ
và phân tích pha bằng các module phần mềm chuyên dụng Trong mọi trường hợp đều xác định được ∆ với độ chính xác cao bởi các lý do sau:
Áp dụng quy luật hình Sin của bộ điều biến, mà độ rộng phổ của tín hiệu đầu vào và đầu ra rất nhỏ Về mặt lý thuyết có thể nói là nhỏ vơ cực của dải phổ hẹp hay về tần số được rời rạc hóa duy nhất
=
ω Cλ (2 6)
Ở đây: C–Tốc độ ánh sáng trong chân không; ω–Tần số rời rạc hóa duy nhất Điều quan trọng là bức xạ vào và ra có thể khác nhau về cường độ (theo biên độ sóng của bộ điều biến) và khơng theo tần số ω Đây chính là điều kiện đáp ứng về hiệu quả và về độ chính xác cao của phương pháp số hiệu chỉnh để tính tốn tìm giá trị hiệu pha ∆
Phương pháp đo pha khác với phương pháp đo xung là nhận được nhiều giá trị đo và cho phép đánh giá độ chính xác và độ tin cậy khi xác định độ dài khoảng cách từ kết quả phân tích mối quan hệ hàm số hiệu chỉnh bức xạ truyền đi và nhận về với độ chính xác nhỏ hơn giá trị ngưỡng cho phép
Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo pha bằng thiết bị quét laser mặt đất cho năng suất cao, với số lượng đo dài trong thời gian giây và đáp ứng cả độ chính xác và đem đến kết quả có độ tin cậy cao
2 1 2 3 Xác định độ dài khoảng cách bằng phương pháp đo tam giác quét laser
Bản chất của phương pháp đo chiều dài khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser là nhờ ống phóng tia laser cơng suất thấp, lệch so với hướng ban đầu Góc Ɵ1 được tạo bởi đường đáy thiết bị quét và tia qt laser, giá trị góc tính theo vị trí tâm hình ảnh của vệt qt laser trên máy thu của thiết bị tích nạp liên kết camera 1 Góc Ɵ2 được tạo bởi trục (đường đáy) thiết bị quét và véc tơ lan truyền tín hiệu phản xạ từ đối tượng quét được ghi đếm trên thiết bị tích nạp liên kết camera 2 Với tiêu đề thuật ngữ phương pháp tam giác quét laser được hiểu tương tự như bài tốn giao hội thuận đo góc: với đại lượng đo Ɵ1, Ɵ2 và d để xác định khoảng các từ trạm quét đến đối tượng quét [48, 52]
cách bằng phương pháp giao hội thuận đo góc dựa theo cơng thức mối liên hệ giữa khoảng cách cần xác định với các trị đo Ở đây sử dụng cơng thức hình 2 8
S = d1 tan Ɵ1 (2 7) S = d2 tan Ɵ2 (2 8)
Hình 2 8 Xác định khoảng cách bằng phương pháp tam giác quét laser [52]
Từ hình vẽ 2 8 cho thấy:
d1 = d + p1 + p2 – d2 (2 9) Ở đây d là đường đáy thiết bị quét (phương pháp tam giác)
Sau khi thay công thức (2 9) vào công thức (2 7) và thực hiện một số biến đổi nhận được:
S+S tanϴ 1
tanϴ2 = (d + p1 + p2)tanϴ1 (2 10) Với giá trị cho p1 và p2 nhỏ nhiều lần so với d và tan Ɵ2 = f2 /p2
S= d f2 sinϴ1
f2 cosϴ1 + p2 sinϴ1 (2 11)
Ở đây: + f2 – độ dài tiêu cự của ống kính chụp thiết bị tích nạp liên kết 2; + p2 – là hồnh độ của tâm hình ảnh vệt quét laser (tín hiệu phản hồi từ đối tượng quét) lên ma trận thiết bị tích nạp liên kết 2
Những giá trị cực đại và cực tiểu đo khoảng cách đến đối tượng quét Smax và Smin có thể xác định theo cơng thức (2 11) khi cho giới hạn góc nghiêng tia quét Ɵ1max
và Ɵ1min Đại lượng hiệu của Smin - Smax được gọi là độ sâu của vùng qt
Từ cơng thức (2 11) cho thấy độ chính xác tính độ dài khoảng cách đến điểm đối tượng quét bằng phương pháp tam giác quét laser phụ thuộc vào các đại lượng đo d và f2 và độ chính xác định vị ghi đếm của đại lượng p2 Sai số của đại lượng p2 phụ thuộc vào kích thước của các thành phần trong thiết bị tích nạp liên kết-ma trận
Tăng kích thước ma trận và khơng thay đổi kích thước các thành phần thiết bị tích nạp liên kết cho phép tăng độ sâu vùng quét trong quá trình quét (Hình 2 9), điều này sẽ dẫn tới tăng giá thành của thiết bị tích nạp liên kết
Hình 2 9 Ảnh hưởng đo kích thước thiết bị tích nạp tới độ sâu quá trình quét [48]
Sự thay đổi độ dài tiêu cự dẫn đến thay đổi hai tham số, đó là độ chính xác tọa độ của điểm qt và độ nét của hình ảnh trên thiết bị tích nạp liên kết ma trận Hiệu quả nhất là sử dụng ống kính tiêu cự ngắn, điều này sẽ đáp ứng độ nét của hình ảnh và độ sâu lớn của vùng quét Vì vậy quá trình khai thác phương pháp tam giác quét laser cần tính đến các tham số (d, f2, Ɵ1, p2) để lời giải sẽ đáp ứng hài hòa nhất
Ngày nay phương pháp tam giác quét laser cho phép thực hiện quét đối tượng vật cách trạm quét với độ dài hàng chục cm đến 25 mét Các sai số do khúc xạ khí quyển, dao động sóng tắt dần, thực tế khơng ảnh hưởng đến kết quả đo Độ chính xác
Theo chức năng làm việc, khối quay thiết bị quét laser mặt đất hiện nay chia ra thành hai loại: loại quay theo bước và loại quay liên tục
2 1 3 1 Chế độ làm việc quay theo bước của thiết bị quét laser mặt đất
Những thiết bị quét laser mặt đất có chế độ khối quay theo bước, việc định vị ghi góc hướng của tín hiệu thu - truyền tại thời điểm xung đến thì hệ thống khối quay của thiết bị quét laser ở vị trí tĩnh nhận được xung cho đến khi bức xạ lớn nhất có thể đi qua trong khoảnh khắc thời gian đó để xây dựng mơ hình qt laser
Sơ đồ nguyên lý bước định vị ghi góc thể hiện tại hình 2 10
Hình 2 10 Nguyên lý theo bước định vị ghi góc [52]
Điều đặc biệt của thiết bị quét laser mặt đất theo bước định vị ghi góc là tốc độ làm việc khơng cao bởi do giới hạn thời gian lần lượt theo từng bước để tín hiệu đi qua hai khoảng cách mới đến đối tượng quét laser
2 1 3 2 Chế độ làm việc quay liên tục của thiết bị quét laser mặt đất
Khối đầu quay tín hiệu thu – truyền liên tục của thiết bị quét laser mặt đất theo