激光雷達

LiDAR（Light Detection and Ranging），是激光探測及測距系統的簡稱，另外也稱Laser Radar ^[1]  或LADAR（Laser Detection and Ranging） ^[2]  。

用激光器作為發射光源，採用光電探測技術手段的主動遙感設備。激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。由發射系統、接收系統 、信息處理等部分組成。發射系統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以及光學擴束單元等組成；接收系統採用望遠鏡和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組合。激光雷達採用脈衝或連續波2種工作方式，探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達。

LiDAR是一種集激光，全球定位系統和慣性導航系統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，縮寫為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。 ^[3] 

激光雷達的工作原理與雷達非常相近，以激光作為信號源，由激光器發射出的脈衝激光，打到地面的樹木、道路、橋樑和建築物上，引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據激光測距原理計算，就得到從激光雷達到目標點的距離，脈衝激光不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數據，用此數據進行成像處理後，就可得到精確的三維立體圖像。

激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區別，即由雷達發射系統發送一個信號，經目標反射後被接收系統收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至於目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，並計算其變化率而求得速度，這是、也是直接探測型雷達的基本工作原理。 ^[4] 

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，美國國家航空航天局的研發。因全球定位系統及慣性導航系統的發展，使精確的即時定位及姿態確定成為可能。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。

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。

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。

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。

速騰聚創推32線激光雷達，用於無人駕駛車，RL32垂直角分辨率達到0.33度，探測距離達到200米，搭載該產品、時速高達100千米/小時的自動駕駛汽車有7秒的時間對環境作出反應，能夠提升自動駕駛的安全性。 ^[6] 

與普通微波雷達相比，激光雷達由於使用的是激光束，工作頻率較微波高了許多，因此帶來了很多優點，主要有：

（1）分辨率高

激光雷達可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低於0.1mard也就是説可以分辨3千米距離上相距0.3米的兩個目標（這是微波雷達無論如何也辦不到的），並可同時跟蹤多個目標；距離分辨率可達0.1米；速度分辨率能達到10米/s以內。距離和速度分辨率高，意味着可以利用距離——多譜勒成像技術來獲得目標的清晰圖像。分辨率高，是激光雷達的最顯著的優點，其多數應用都是基於此。

（2）隱蔽性好、抗有源干擾能力強

激光直線傳播、方向性好、光束非常窄，只有在其傳播路徑上才能接收到，因此敵方截獲非常困難，且激光雷達的發射系統（發射望遠鏡）口徑很小，可接收區域窄，有意發射的激光干擾信號進入接收機的概率極低；另外，與微波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多，因此激光雷達抗有源干擾的能力很強，適於工作在日益複雜和激烈的信息戰環境中。

（3）低空探測性能好

微波雷達由於存在各種地物回波的影響，低空存在有一定區域的盲區（無法探測的區域）。而對於激光雷達來説，只有被照射的目標才會產生反射，完全不存在地物回波的影響，因此可以"零高度"工作，低空探測性能較微波雷達強了許多。

（4）體積小、質量輕

通常普通微波雷達的體積龐大，整套系統質量數以噸記，光天線口徑就達幾米甚至幾十米。而激光雷達就要輕便、靈巧得多，發射望遠鏡的口徑一般只有釐米級，整套系統的質量最小的只有幾十公斤，架設、拆收都很簡便。而且激光雷達的結構相對簡單，維修方便，操縱容易，價格也較低。

首先，工作時受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣裏衰減較小，傳播距離較遠。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣裏，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。如工作波長為10.6μm的co2激光，是所有激光中大氣傳輸性能較好的，在壞天氣的衰減是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷達的作用距離，晴天為10—20千米，而壞天氣則降至1 千米以內。而且，大氣環流還會使激光光束髮生畸變、抖動，直接影響激光雷達的測量精度。

其次，由於激光雷達的波束極窄，在空間搜索目標非常困難，直接影響對非合作目標的截獲概率和探測效率，只能在較小的範圍內搜索、捕獲目標，因而激光雷達較少單獨直接應用於戰場進行目標探測和搜索。

激光雷達按工作方式可分為脈衝激光雷達和連續波激光雷達，根據探測技術的不同，可以分為：直接探測型激光雷達和相干探測型激光雷達，按應用範圍可分為：靶場測量激光雷達（武器實驗測量）火控激光雷達（控制射擊武器自動實施瞄準與發射）跟蹤識別激光雷達（制導、偵查、預警、水下目標探測），激光雷達引導（航天器交匯對接、障礙物迴避）、大氣測量激光雷達（雲層高度、大氣能見度、風速、大氣中物質的成分和含量）。激光雷達的主要應用於跟蹤，成像制導，三維視覺系統，測風，大氣環境監測，主動遙感等方向。 ^[5] 

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。

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。

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。

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。

激光雷達具有高精度、高分辨率的優勢，同時具有建立周邊3D模型的前景，然而其劣勢在於對靜止物體如隔離帶的探測較弱且技術落地成本高昂。激光雷達可廣泛應用於ADAS系統，例如自適應巡航控制（ACC）、前車碰撞警示（FCW）及自動緊急制動（AEB）。 ^[7] 

2022年，中國科學技術大學科研團隊在相干測風激光雷達方面實現重大突破，首次實現3米和0.1秒的全球最高時空分辨率的高速風場觀測。該成果日前在國際學術期刊《光學快報》上發表。科研團隊通過在激光光源、光學收發系統、高速數據採集電路和數據處理算法上對激光雷達進行全面優化，提出一種新的反演算法，大大提高了風場反演精度和穩健性，最終實現了一套全國產化的“產品級”測試樣機，具有人眼安全、設備輕便（整裝設備40公斤）、工作穩定、環境適應性強等特點。為進一步測試雷達觀測性能和環境適應性，科研團隊利用該雷達在高鐵站實地測量了高速列車尾流中的風場結構。雷達在無人值守下連續穩定工作超過100小時，獲得了3米和0.1秒高時空分辨率下的350千米/小時的高鐵尾流連續觀測。 ^{[8]  [10]}