激光雷達系統

激光雷達

用激光器作為輻射源的雷達。激光雷達是激光技術與雷達技術相結合的產物 。由發射機 、天線 、接收機 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發射機是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調諧的固體激光器等；天線是光學望遠鏡；接收機採用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等。激光雷達採用脈衝或連續波2種工作方式，探測方法分直接探測與外差探測。

自從1839年由Daguerre和Niepce拍攝第一張像片以來，利用像片製作像片平面圖(X、Y)技術一直沿用。到了1901年荷蘭人Fourcade發明了攝影測量的立體觀測技術，使得從二維像片可以獲取地面三維數據(X、Y、Z)成為可能。一百年以來，立體攝影測量仍然是獲取地面三維數據最精確和最可靠的技術，是國家基本比例尺地形圖測繪的重要技術。

隨着科學技術的發展和計算機及高新技術的廣泛應用，數字立體攝影測量也逐漸發展和成熟起來，並且相應的軟件和數字立體攝影測量工作站已在生產部門普及。但是攝影測量的工作流程基本上沒有太大的變化，如航空攝影-攝影處理-地面測量(空中三角測量)-立體測量-製圖(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本沒有大的變化。這種生產模式的週期太長，以致於不適應當前信息社會的需要，也不能滿足“數字地球”對測繪的要求。

LIDAR測繪技術空載激光掃瞄技術的發展，源自1970年，美國航天局（NASA）的研發。因全球定位系統（Global PositioningSystem、GPS）及慣性導航系統（InertialInertiNavigation System、INS）的發展，使精確的即時定位及姿態付諸實現。德國Stuttgart大學於1988到1993年間將激光掃描技術與即時定位定姿系統結合，形成空載激光掃描儀（Ackermann-19）。之後，空載激光掃瞄儀隨即發展相當快速，約從1995年開始商業化，已有10多家廠商生產空載激光掃瞄儀，可選擇的型號超過30種（Baltsavias-1999）。研發空載激光掃瞄儀的原始目的是觀測多重反射（multiple echoes）的觀測值，測出地表及樹頂的高度模型。由於其高度自動化及精確的觀測成果用空載激光掃瞄儀為主要的DTM生產工具。

激光掃描方法不僅是軍內獲取三維地理信息的主要途徑，而且通過該途徑獲取的數據成果也被廣泛應用於資源勘探、城市規劃、農業開發、水利工程、土地利用、環境監測、交通通訊、防震減災及國家重點建設項目等方面，為國民經濟、社會發展和科學研究提供了極為重要的原始資料，並取得了顯著的經濟效益，展示出良好的應用前景。低機載LIDAR地面三維數據獲取方法與傳統的測量方法相比，具有生產數據外業成本低及後處理成本的優點。，廣大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的數字高程數據或數字表面數據，機載LIDAR技術正好滿足這個需求，因而它成為各種測量應用中深受歡迎的一個高新技術。

快速獲取高精度的數字高程數據或數字表面數據是機載LIDAR技術在許多領域的廣泛應用的前提，因此，開展機載LIDAR數據精度的研究具有非常重要的理論價值和現實意義。在這一背景下，國內外學者對提高機載LIDAR數據精度做了大量研究。

由於飛行作業是激光雷達航測成圖的第一道工序，它為後續內業數據處理提供直接起算數據。按照測量誤差原理和制定“規範”的基本原則，都要求前一工序的成果所包含的誤差，對後一工序的影響應為最小。因此，通過研究機載激光雷達作業流程，優化設計作業方案來提高數據質量，是非常有意義的。

LIDAR是一種集激光，全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)三種技術與一身的系統，用於獲得數據並生成精確的DEM。這三種技術的結合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為日臻成熟的用於獲得地面數字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統和已經成熟應用的用於獲得水下DEM的水文LIDAR系統，這兩種系統的共同特點都是利用激光進行探測和測量，這也正是LIDAR一詞的英文原譯，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。

激光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達幾個釐米，而LIDAR系統的精確度除了激光本身因素，還取決於激光、GPS及慣性測量單元(IMU)三者同步等內在因素。隨着商用GPS及IMU的發展，通過LIDAR從移動平台上（如在飛機上）獲得高精度的數據已經成為可能並被廣泛應用。

LIDAR系統包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統。激光器產生併發射一束光脈衝，打在物體上並反射回來，最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈衝從發射到被反射回的傳播時間。因為光脈衝以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈衝發出之前收到收到前一個被反射回的脈衝。鑑於光速是已知的，傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發射方向，就可以準確地計算出每一個地面光斑的座標X，Y，Z。激光束髮射的頻率可以從每秒幾個脈衝到每秒幾萬個脈衝。舉例而言，一個頻率為每秒一萬次脈衝的系統，接收器將會在一分鐘內記錄六十萬個點。一般而言，LIDAR系統的地面光斑間距在2-4m不等。

激光雷達是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達系統，其原理和構造與激光測距儀極為相似。科學家把利用激光脈衝進行探測的稱為脈衝激光雷達，把利用連續波激光束進行探測的稱為連續波激光雷達。激光雷達的作用是能精確測量目標位置（距離和角度）、運動狀態（速度、振動和姿態）和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標。經過多年努力，科學家們已研製出火控激光雷達、偵測激光雷達、導彈制導激光雷達、靶場測量激光雷達、導航激光雷達等。

，激光雷達在低空飛行直升機障礙物規避、化學/生物戰劑探測和水下目標探測等方面已進入實用階段，其它軍事應用研究亦日趨成熟。

直升機在進行低空巡邏飛行時，極易與地面小山或建築物相撞。為此，研製能規避地面障礙物的直升機機載雷達是人們夢寐以求的願望。，這種雷達已在美國、德國和法國獲得了成功。

美國研製的直升機超低空飛行障礙規避系統，使用固體激光二極管發射機和旋轉全息掃描器可檢測直升機前很寬的空域，地面障礙物信息實時顯示在機載平視顯示器或頭盔顯示器上，為安全飛行起了很大的保障作用。

德國戴姆勒.奔馳宇航公司研製成功的Hel??las障礙探測激光雷達更高一籌，它是一種固體1．54微米成像激光雷達，視場為32度×32度，能探測300―500米距離內直徑1釐米粗的電線，將裝在新型EC―135和EC―155直升機上。

法國達索電子公司和英國馬可尼公司聯合研製的吊艙載CLARA激光雷達具有多種功能，採用CO2激光器。不但能探測標杆和電纜之類的障礙，還具有地形跟蹤、目標測距和指示、活動目標指示等功能，適用於飛機和直升機。

傳統的化學戰劑探測裝置由士兵肩負，一邊探測一邊前進，探測速度慢，且士兵容易中毒。

俄羅斯研製成功的KDKhr―1N遠距離地面激光毒氣報警系統，可以實時地遠距離探測化學毒劑攻擊，確定毒劑氣溶膠雲的斜距、中心厚度、離地高度、中心角座標以及毒劑相關參數，並可通過無線電通道或有線線路向部隊自動控制系統發出報警信號，比傳統探測前進了一大步。

德國研製成功的VTB―1型遙測化學戰劑傳感器技術更加先進，它使用兩台9― 11微米、可在40個頻率上調節的連續波CO2激光器，利用微分吸收光譜學原理遙測化學戰劑，既安全又準確。

傳統的水中目標探測裝置是聲納。根據聲波的發射和接收方式，聲納可分為主動式和被動式，可對水中目標進行警戒、搜索、定性和跟蹤。但它體積很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至達幾十噸重。而激光雷達是利用機載藍綠激光器發射和接收設備，通過發射大功率窄脈衝激光，探測海面下目標並進行分類，既簡便，精度又高。

迄今，機載海洋激光雷達已發展了三代產品。20世紀90年代研製成功的第三代系統以第二代系統為基礎，增加了GPS定位和定高功能，系統與自動導航儀接口，實現了航線和高度的自動控制。

美國諾斯羅普公司為美國國防高級研究計劃局研製的ALARMS機載水雷探測系統，具有自動、實時檢測功能和三維定位能力，定位分辨率高，可以24小時工作，採用卵形掃描方式探測水下可疑目標。

美國卡曼航天公司研製成功的機載水下成像激光雷達，最大特點是可對水下目標成像。由於成像激光雷達的每個激光脈衝覆蓋面積大，因此其搜索效率遠遠高於非成像激光雷達。另外，成像激光雷達可以顯示水下目標的形狀等特徵，更加便於識別目標，這已是成像激光雷達的一大優勢。