Lidar技术在通信勘察设计中的应用_丁一凡.pdf

68 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计Lidar技术在通信勘察设计中的应用丁一凡，李宏宇，瞿少凯，豆晓雷，李勇（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）摘 要 传统通信勘察设计方式多为二维平面图纸化记录，存在诸如勘察记录内容有限和信息更新迟滞等局限，对工程所需建设内容缺乏直观视觉感受。激光雷达（Lidar）技术是一种高效、高精度的测量绘制工具。随着近些年Lidar小型化的发展，现如今已在手持设备如手机和平板电脑上得到了应用，使得利用Lidar技术对通信领域进行勘察设计成为了可能。本文主要基于Lidar技术的分类及原理进行介绍，通过该技术的特点与通信工程勘察与设计进行结合，使用Lidar设备进行几种场景的实际检验，其成果表明可以一定程度上替代传统勘察工具，最后对当前小型手持Lidar设备面临的主要问题进行归纳分析。关键词 Lidar；AR；数字孪生；勘察设计中图分类号 TN915 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2023）02-0068-08收稿日期：2022-06-14随着数字社会的发展和通信技术的演进，勘察设计行业正面临着前所未有的发展机遇，传统技术与数字化、信息化的融合顺应了新基建所需要的产业升级道路。随着我国通信行业高速发展，例如东数西算和 5G 从 NSA到 SA 的技术转变，相较于 10 年前，现今的勘察设计工作无论是工程数量还是工程周期都有了显著的增长。传统的勘察设计方式已逐渐显露出其技术局限性，面对越来越多、越来越快的工作节奏已不再适应。寻找高效、便捷和适应现代信息社会的勘察设计方法需要被提上日程。当前通信领域的勘察设计工作主要采用二维平面图纸配合现场影像记录的方式。由于勘查工具存在其技术局限性，面临诸如勘察工具存在物理限制、机房信息获取不及时、单次勘察缺乏前瞻性等问题，需引入新技术、新格局打破当前存在的固有壁垒，从而有效提升勘察设计工作的及时性和准确性，并打破时间和空间的限制，这将为数字化转型提供坚实的基础。1 Lidar 技术原理激光雷达（Lidar）是一种通过主动发射信号进行探测的方式，其结构可以大致分为信号发射部分、信号接收部分和信号处理部分，如图 1 所示。Lidar 技术最基本的功能是测距和探测，下面将从测距和探测的原理分别进行介绍。Lidar 技术最基础功能为测距，探测及建模是在测距基础之上衍生而来。测距方法常可以分为时间测距法和几何测距法两种。DOI:10.13992/ki.tetas.2023.02.00369 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计1.1 时间测距法Lidar 技术通过测量发射和接收的激光脉冲信号之间的时间差，对其进行计算，从而实现对被测目标距离的测量，其基本公式如下。R=ct/2 其中，R为待测距离；c 为光速；t为发射激光信号的往返时间差。飞行时间（ToF）是通过向待测目标发射激光信号，利用待测物体对激光信号的漫反射作用，使用接收器捕捉反射信号，通过对发射端及接收端计时，从而获得时间差。ToF 主要有两种测量方式，分别为脉冲法和相位法。1.1.1 脉冲法 直接测量飞行时间（dToF）方法容易受脉冲宽度及计数器时间分辨率影响精度，由于光速约为 3108 m/s，易计算得到在米数量级长度上时间t数值约为 10-8 s，因此微小的时间偏差都将对测量精度产生极大影响，通常需要非常精准的时钟电路，根据探测距离计算易得，时间分辨率至少大于 10-8 s，发射电路需要脉宽极窄的激光器件。该种测距方法具有工作方式简单和效率高等优点。dToF 核心组件包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）、单光子雪崩二极管（SPAD）和时间数字转换器（TDC）。测量过程为首先由 VCSEL 向待测物体发射脉冲信号，通过 SPAD 接收被待测物体反射回来的脉冲信号，由 TDC 记录发射信号与反射信号的时间差，即脉冲信号的飞行时间。为了提高测量精度，dToF 将在单帧检测时间窗口中发射并接收N次脉冲信号，由信息处理器对接收到的N次飞行时间进行统计分析，对其中频次出现最高的飞行时间t记为距离待测物的飞行时间，并依次计算距离。当测量距离较远时，如果一次飞行时间超过两次脉冲发射间隔，则会错误地将第一个发射信号的反射波识别为第二个发射信号的反射波，从而产生相位模糊现象。为了达到较高的测量精度，除了对时钟同步有非常高的精度要求外，同时还对激光脉冲信号的精度有很高的要求。1.1.2 相位法 间接测量飞行时间（iToF）是与dToF相对的概念，即 iToF 是通过测量脉冲信号相位偏移量，从而间接得到脉冲的信号的飞行时间，而不是直接测量飞行时间t。iToF 测量过程为首先通过 VCSEL 向待测物发射经过调制的光信号，由接收传感器获得经过待测物反射后的光信号，信号处理器通过计算单位时间内曝光（光积分）时间内累计获得电荷量，如图 2 所示，计算发射信号与接收信号间的相位差，从而间接获得待测物的距离信息。其测量距离公式如下。2L=（ct）/(2)其中，L为测量距离；c 为光在真空中传播速度；T为调制信号周期；为接收信号与发射信号相位差。发射脉冲反射脉冲激光测距仪待测物体 范围 图1 Lidar基本原理发射元件接收元件距离m0m1m2m3基于引用文献1绘制图2 iToF成像原理示意图70 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计从公式可以看出，测量距离受限于调制信号周期T，即超过一个周期 2 的部分将无法获得距离信息。由于iToF 的测量精度取决于光强与积分时间，因此当待测物距离较远时，测量精度将下降。ToF 技术结合如今手持终端如手机和平板电脑，利用其内置的高精度陀螺仪等传感器可以实现对待测物距离信息的快速测量。影像增强、对象扫描、AR 和自动对焦辅助是 ToF 技术在手机后置镜头中的主要应用。其中，AR 是最能发挥 ToF 的应用，因为在 5G 时代，不论是 AR 应用所需的空间信息，还是三维信息，ToF 都是最有效的核心技术。比较 iToF 和 dToF，iToF 在实际应用中面临诸多挑战，例如复杂多变的真实环境带来大量的干扰与噪声、复杂环境中的漫反射甚至镜面反射带来的多镜干扰严重影响 3D 重建的效果、以及 iToF的远距离与高精度采用泛光反射的原理下成为一对难以调和的矛盾。反观 dToF，无论是精度距离还是功耗和抗干扰能力，都明显优于 iToF，另外在其并不占优势的分辨率上，并不是实现更加沉浸式 AR 的关键。1.2 几何测距法三角测距是 Lidar 技术的另外一种常见测距方法，该方法原理结构如图 3 所示。根据相似三角形原理，激光器距离待测物的距离S由以下公式可得出。f/w=V/DV=SsinS=(fD)/(wsin)其中，S为激光器到待测物直线距离；V为激光器到待测物水平方向距离；D为激光器到待测物垂直方向距离；为S与D夹角；f为接收器到激光器垂线距离；D为其水平距离；w为接收器构成的相似三角形半边长。1.3 Lidar 技术探测基本原理为了探测物体在特定坐标系的坐标值，如图 4 所示，根据 Lidar 技术测量的距离、激光脉冲的竖直扫描角和水平扫描角，使用极坐标法可以得到物体的坐标如下。其中，S为原点到待测物直线距离；为竖直扫描角；为水平扫描角。2 Lidar 的实时 3D 建模Lidar 数据经过相关软件数据处理后，不仅可以生成高精度的数字地面模型如数字高程图（DEM）、等高线图和正投影图，还可以快速获取建模物体表面的高精度三维点云数据。利用这些数据，可以建立数字孪生机房、管道、甚至局站模型，并添加相应属性标签数据。Lidar 每秒钟能产生十万、百万甚至千万数量级别w 激光器待测物接收器Df图3 三角测距基本原理xyzs0图4 探测位置基本原理71 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计的特征点，这些点称之为点云。对于小场景而言，可以使用 Lidar 单独进行工作，对于复杂场景或者大尺寸物体，单独的 Lidar 往往不能满足要求，多与全球定位系统、惯性传感器和相机等其它仪器联合使用，从而获取更丰富的信息。点云数据建模过程包括数据预处理和模型重建，数据预处理为模型重建提供可靠精确的点云数据，从而降低模型重建的复杂程度，同时可提高模型重建的速度及精确度。点云具有无序性，且无色彩和纹理信息，直接应用具有很大的难度。数据预处理主要流程包括点云滤波（去噪）、点云简化（重采样）、关键点计算（特征提取）、点云配准、点云分割、点云定位、点云识别与提取、点云分类（语义分割）、不同扫描数据的配准及融合等步骤。模型重建阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理和模型简化等。Lidar模组所采集的点云数据与手持终端自带相机所采集的照片影像上的像素点严格匹配，即在获取待测物表面深度信息的同时还获取待测物的视觉信息，可以进行贴图渲染，从而获得高精度的实物 3D 模型。3 Lidar 技术在通信勘察设计中的应用基于 Lidar 高精度测距的最基本功能，小型化集成在如手机和平板电脑等手持设备上，可以为通信勘察设计带来无与伦比的便利性，除可代替如钢卷尺、GPS 定位仪和照相机等勘察必要的传统仪器外，更是可以对勘察目标建立数字孪生模型，为当前工程设计提供精确可靠的参考依据。同时得益于数字孪生模型具有详尽完备的信息内容，使用 Lidar 记录并建模的勘察内容可以克服传统每次勘察只关注并记录当前工程的相关信息的局限。传统通信勘察收集的勘察数据由于记录内容有限，通常只记录关键信息和关联影像，隐含了大量记忆性的内容，难以为他人对相同的设备、机房和局站的后期工程设计工作提供便捷、直观的数据作为指导。使用Lidar 建立并使用实物贴图渲染的三维实物模型，可以为任何使用该数据的设计师提供通信设计所需要的几乎全部信息。下面主要介绍某省际骨干传送网项目中，在部分核心机房使用 Lidar 设备辅助及代替传统通信勘察设计的应用实例。3.1 长度测量当前机房勘察中常用的长度测量工具有钢卷尺和激光测距仪，用于测量机位空间、机架高度和线缆长度等距离信息，并用于指导设计工作。但两种工具在使用过程中均存在一定的弊端，利用 Lidar 同样可以进行长度测量，并能很好地克服有关问题。下面将对 3 种测量方式分别进行介绍。（1）钢卷尺为接触式测量，在当前使用过程中主要有以下几点不便之处。首先是钢卷尺为金属材质，测量的机房为带电工作环境，使用钢卷尺为接触式测量，即必须将卷尺贴近甚至直接接触待测物体，因此存在触电和短路等风险隐患。钢卷尺通过凹型结构保证自身呈直线，但当拉出距离达到一定长度后，由于其自身重力因素，将不可避免出现弯折，并无法控制其弯曲方向，此时极易造成触电及短路隐患，为人身安全及设备用电安全带来风险。其次，钢卷尺存在物理长度限制，其常见测量距离通常为 3 5 m，而机房内尾纤和电缆的长度常常为十几米甚至几十米，在面对待测长度超过卷尺量程时，需要人工在上一次测量的终点做标记，用于下一次起点，最后将多段长度加和，给勘察测量工作带来不便并影响测量精度。（2）激光测距仪为非接触式测量，但需要待测长度另一端有反射面，在进行水平长度测量时（如测量机柜面宽），需要人为在待测另一端设置反射面，从而给测量工作造成不便。其次，由于光在物理上沿直线传播，因此面对需要转折的长度测量时，通常采用单段长度测量后加和的方式，为测量工作增加了复杂性。（3）Lidar 为非接触式测量，在测距过程中与待测物无需进行任何物理接触，从而做到全程与设备保持安全距离，从源头上规避触电风险。72 2023年2月 第 2 期（第36卷 总第307期）月刊电信工程技术与标准化工 程 与 设 计由于 Lidar 是基于实时建模，并通过与摄像头结合，从而获取两点间长度距离，由此将带来两个好处。首先是无需激光测距时的反射面，由于首末测量点完全通过手