第一篇：激光雷達概述

1、激光雷達LiDAR(Light Detection and Ranging)的定義及其組成系統(tǒng)

激光雷達是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。是一種以激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術(shù)手段的主動遙感設(shè)備。激光雷達是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進探測方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。

圖1 激光雷達技術(shù)示意圖

發(fā)射系統(tǒng)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(dǎo)體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器以及光學(xué)擴束單元等組成。

接收系統(tǒng)采用望遠鏡和各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導(dǎo)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。

激光雷達采用脈沖或連續(xù)波兩種工作方式，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。

2、激光雷達的基本原理

激光雷達是一種集激光、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)與一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字高程模型（DEM）。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用于獲得地面數(shù)字高程模型的地形激光雷達系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得數(shù)字高程模型的水文激光雷達系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點都是利用激光進行探測和測量，這也正是激光雷達一詞的英文原譯，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厘米，而LIDAR系統(tǒng)的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、GPS及慣性測量單元(IMU)三者同步等內(nèi)在因素。隨著商用GPS及IMU的發(fā)展，通過LIDAR從移動平臺上（如在飛機上）獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能并被廣泛應(yīng)用。

LIDAR系統(tǒng)包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器所接收。接被收器準確地測量光脈沖從發(fā)射到反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到收到前一個被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉(zhuǎn)換為對距離的測量。結(jié)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(fā)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。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖。舉例而言，一個頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng)，接收器將會在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個點。一般而言，LIDAR系統(tǒng)的地面光斑間距在2-4m不等。

在雷達中，采用的是無線電波，而在萊達中，采用的是激光器發(fā)射的可見和近紅外光波。激光光束發(fā)散角小，能量集中，探測靈敏度和分辨率高。

3、激光雷達的分類

激光雷達類別可以從不同的角度來劃分。若按用途和功能劃分，則有精密跟蹤激光雷達、制導(dǎo)激光雷達、火控激光雷達、氣象激光雷達、偵毒激光雷達、水下激光雷達等；若按工作體制劃分，則有單脈沖、連續(xù)波、調(diào)頻脈沖壓縮、調(diào)頻連續(xù)波、調(diào)幅連續(xù)波、脈沖多普勒等體制的激光雷達。

4、激光雷達的應(yīng)用

4.1 偵察用成像激光雷達

激光雷達分辨率高，可以采集三維數(shù)據(jù)，如方位角-俯仰角-距離、距離-速度-強度，并將數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示，獲得輻射幾何分布圖像、距離選通圖像、速度圖像等，有潛力成為重要的偵察手段。

美國雷錫昂公司研制的ILR100激光雷達，安裝在高性能飛機和無人機上，在待偵察地區(qū)的上空以120～460m的高度飛行，用GaAs激光進行行掃描。獲得的影像可實時顯示在飛機上的陰極射線管顯示器上，或通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至地面站。

4.2 障礙回避激光雷達

許多國家在研制直升機用的障礙回避激光雷達。美國羅斯洛普·格魯曼公司與陸軍通信電子司令部夜視和電子傳感器局聯(lián)合研制直升機超低空飛行用的障礙回避系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用半導(dǎo)體激光發(fā)射機和旋轉(zhuǎn)全息掃描器，探測直升機前很寬的范圍，可將障礙信息顯示在平視顯示器或頭盔顯示器上。該激光雷達系統(tǒng)已在兩種直升機上進行了試驗。4.3 大氣監(jiān)測激光雷達

激光雷達通過測量大氣中自然出現(xiàn)的少量顆粒的后向散射，可以檢測風速、探測紊流、實時測量風場等。由于返回的后向散射輻射很微弱，因而大氣監(jiān)測激光雷達需要使用靈敏的接收器。

在高空投擲炸彈和其它兵器時遇到的一個問題是，風干擾向下的彈道。美國空軍嘗試使用的主要辦法是，利用增加的尾部裝置進行慣性或GPS制導(dǎo)，修正飛行路線。但這增加了投擲的各種武器的成本?？哲娖鞑乃玖畈空谶M行的彈道風計劃，采用了另一種方法，即利用機載激光雷達實時提供投擲區(qū)風場的信息，以便通過調(diào)整投擲點，來補償風的影響。該計劃的目標是，測量飛機和地面間的實時三維風場圖，從而允許從3000m以上的高空精確地投擲。風場圖按100m分層，速度精度在0.5m/s以內(nèi)?？哲娰囂貙嶒炇椅邢喔杉夹g(shù)公司研制激光雷達。第一臺激光雷達采用閃光燈泵浦激光器，脈沖能量50mJ，脈沖重復(fù)頻率7Hz，安裝在C-141飛機上試驗。第二臺激光雷達采用二極管泵浦激光器，脈沖能量3.5mJ，脈沖重復(fù)頻率200Hz，重913kg，體積3.26m3。第三臺為人眼安全的Tm(YAG激光雷達。該激光雷達工作波長2021.84nm，激光脈沖能量12mJ，激光脈沖持續(xù)時間650ns，脈沖重復(fù)頻率100Hz，重272kg，體積1.27m3。激光雷達由發(fā)射接收機、信號處理裝置、環(huán)境控制裝置、光學(xué)掃描器、慣性導(dǎo)航裝置和電源組成，安裝在C-130飛機的改裝的油箱鼻錐內(nèi)的支架上。掃描器使激光束沿橢圓形路線（20o×30o）掃描。橢圓的中心的俯仰角可根據(jù)飛行條件控制在固定位

置。該俯仰角的范圍為－3o～37o。激光雷達與飛機航空電子系統(tǒng)、顯示器、用戶界面接口。1995年開始使用C-141飛機進行第一臺激光雷達測風的飛行試驗，隨后C-130飛機上實驗飛行第二和第三臺激光雷達。據(jù)稱，作戰(zhàn)使用型激光雷達需要將硬件小型化，可使空投精度提高2倍以上。

目前的飛機陣風緩和系統(tǒng)以安裝在機身上的加速度計為基礎(chǔ)，效能有限。有效的系統(tǒng)要求在飛機與紊流相遇前測量紊流。激光雷達探測紊流陣風的能力，可以為未來的軍用和民用飛機提供更好的陣風緩和系統(tǒng)。美國航天局的“先進的飛行中測量用機載相干激光雷達”，正在探索這個概念。

飛機后微爆風切變和尾流，給與其相遇的飛機造成危險。英國國防鑒定與研究局（DARA）的研究人員研制的激光雷達，能測量在飛機后微爆風切變和尾流速度。將這種激光雷達置于跑道上進行實時監(jiān)測，就可以提高安全性，增加飛機的通過量。

B-2“幽靈”轟炸機攜帶的激光雷達的與眾不同的任務(wù)是，檢測飛機后的空氣，檢查有無暴露這種隱形轟炸機的凝結(jié)尾流。該激光雷達駕駛員報警系統(tǒng)使用Ophir公司的低截獲概率激光發(fā)射機和激光接收機，探測突然出現(xiàn)的凝結(jié)尾流，向乘員報警。4.4 制導(dǎo)激光雷達

以非制冷二極管泵浦固體激光器為基礎(chǔ)的工作波長1m左右的激光雷達系統(tǒng)，可以提供以距離和強度為基礎(chǔ)的高分辨率影像。激光雷達得到的影像不同于紅外影像，允許使用比處理紅外場景簡單的算法實現(xiàn)自主目標捕獲。因此，激光雷達尋的器可以為空-地武器提供自主精確制導(dǎo)手段。隨著成本的降低，激光雷達尋的器還將用于短程消耗性彈藥。4.5 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達

化學(xué)/生物武器是一種大規(guī)模毀傷武器。面對不斷擴散的化學(xué)/生物武器的威脅，許多國家正在采取措施，加強對這類武器的防御。美國國防部認為，需要能在戰(zhàn)場上使用的、快速響應(yīng)的、靈敏的監(jiān)視系統(tǒng)，以盡快提供化學(xué)/生物威脅的報警。這種系統(tǒng)不同于防空和反潛警戒系統(tǒng)，必須具有搜索、探測、識別、定量化、監(jiān)測和診斷等功能。激光雷達可用于化學(xué)/生物戰(zhàn)劑的遙測。每種化學(xué)戰(zhàn)劑僅吸收特定波長的激光，對其他波長的激光是透明的。被化學(xué)戰(zhàn)劑污染的表面則反射不同波長的激光。化學(xué)戰(zhàn)劑的這種特性，就允許利用激光雷達探測和識別之。激光雷達可以利用差分吸收、差分散射、彈性后向散射、感應(yīng)熒光等原理，實現(xiàn)化學(xué)生物戰(zhàn)劑的探測?；瘜W(xué)/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達采用的激光器，主要是CO2激光器和Nd:YAG激光器。4.6 水下探測激光雷達

激光雷達具有足夠的空間分辨率，來分辨目標的尺寸和形狀，因而是有效的探測水下目標并進行分類的工具。1988年美國“羅伯茨”號護衛(wèi)艦在阿拉伯灣幾乎被廉價的水雷擊沉。此后Kaman 宇航公司研制了“魔燈”水雷探測激光雷達。該激光雷達使用藍-綠激光器、靈敏的電子選通像增強攝像機和精確脈沖定時發(fā)生器。機載激光器向海面發(fā)射激光脈沖，掃描水雷。同時，脈沖定時發(fā)生器控制攝像機快門，僅接收特定深度反射的激光能量。在這個深

度的目標反射激光而被顯現(xiàn)。影像通過數(shù)據(jù)鏈路傳送給艦船?！澳簟奔す饫走_可以在海面以上120～460m高度工作，名義工作高度460m，但低空飛行時分辨率和信噪比較高，而視場有限。探測深度最初定為12～61m的淺水區(qū)，但根據(jù)初步作戰(zhàn)評估和不斷的研究，調(diào)整為包括3～12m的極淺水區(qū)和深度不足3m的沖浪區(qū)?！澳簟奔す饫走_不僅可以自動探測水中目標，而且可以實施目標分類和定位。1988年的樣機試驗表明，該系統(tǒng)可以迅速探測錨雷，并定位。

4.8 其他軍用激光雷達

● 彈道導(dǎo)彈防御激光雷達

七八十年代，美國曾考慮將激光雷達用于洲際彈道導(dǎo)彈防御，測量重入飛行器的距離和速度。由于要求目標識別距離在1000km以上，因而造成系統(tǒng)非常龐大、復(fù)雜和昂貴。到90年代，美國認為戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈成為主要的威脅，防御這些導(dǎo)彈需要早期探測和跟蹤，以便確定發(fā)射點、命中點和可能的攔截點。為此，波音防御和空間集團公司考察了將機載激光雷達用于戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈防御。研究表明，激光雷達與被動紅外系統(tǒng)相結(jié)合時，利用連續(xù)的紅外方位和俯仰測量結(jié)果與激光雷達的精確距離測量數(shù)據(jù)，可以使目標彈道估算迅速收斂，使彈道估算誤差成數(shù)量級地下降。該公司考察了CO2激光器、摻鈥或銩YAG激光器以及喇曼頻移YAG激光器等在這種激光雷達中的應(yīng)用前景，進行了激光雷達的性能分析，考慮了與波長有關(guān)的目標橫截面、大氣衰減、背景輻射以及直接或外差探測對信噪比的影響等?！?靶場測量激光雷達

美國白沙導(dǎo)彈靶場利用快速光束控制CO2激光雷達系統(tǒng)，進行成像和跟蹤測量。該系統(tǒng)由0.5m孔徑的光學(xué)系統(tǒng)、3～5μm攝像機和CO2激光雷達組成，可在大角度范圍內(nèi)以高跟蹤修正速率跟蹤單個目標，可在多個目標間重新確定目標，可進行測距和多普勒測量。該系統(tǒng)已在靶場實用。

● 振動遙測激光雷達

激光雷達可以遠距離測量振動，完成目標識別等任務(wù)。幾個國家一直在研究這項技術(shù)。瑞典國防研究局設(shè)計并制造了以半導(dǎo)體激光技術(shù)為基礎(chǔ)的相干激光雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)輸出功率50mW，線寬280kHz，可進行振動測量，利用自適應(yīng)信號處理，可獲得運動目標的振動特征信號。

● 多光譜激光雷達

美國空軍賴特實驗室和戴頓大學(xué)在研究多光譜激光雷達。該激光雷達采用激光輸出在1.35～5μm連續(xù)可調(diào)的光學(xué)參量振蕩器，脈沖能量為3.3mJ，脈寬3ns。用可調(diào)單態(tài)反射計系統(tǒng)，測量目標的雙向反射分布函數(shù)。該激光雷達可在有雜亂回波和目標部分隱蔽的情況下將地面目標成像，并識別之。

5、激光雷達的選擇

激光雷達主儀要部件包括：二維激光掃描、GPS、IMU,二維激光掃描儀是激光雷達的核心部分。

5.1二維激光掃描儀的選取

用于激光雷達的二維激光掃描儀的激光器所輸出的激光波形有兩種：一種是脈沖式的另一種是連續(xù)波（continuous wave, CW）。

脈沖式的激光器一般是半導(dǎo)體激光器，或用半導(dǎo)體激光器泵浦的Nd-YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet, Nd:Y3Al5O12)激光器。他們的特點是輸出的功率大，峰值功率可達到幾MW。Optech和萊卡公司使用的是Nd-YAG激光器，波長為1064 nm，安全等級為IV級;而Riegl和TopSys使用的是波長為1550nm的半導(dǎo)體激光器，安全等級為I級。安全等級為I級的激光器即使在面對面使用是也不會對人眼和動物的眼睛造成傷害。

脈沖式激光雷達的測距分辨率⊿H由公式（1）給出。

⊿H=C·tP/2（1）

C是光速，tP是光的一個脈沖周期時間。

目前市場上的二維激光器的距離測量精度在1000米的距離時為2厘米—5厘米。5.2 光的色散

我們都知道，光會產(chǎn)生色散現(xiàn)象。我們平時經(jīng)常會看到，汽車的大燈隨著光照距離的增加，其射出的光斑越來越大，這就是色散。

激光是目前所有已經(jīng)知道的光中發(fā)散度最小的。通常我們用弧度來表示光的色散γ。如果我們以激光器的光窗的孔徑為D,激光的波長為λ，光的色散大小的極限值與光衍射相關(guān)。當超過它的極限時，光斑會出現(xiàn)模糊。因而，γ≧ 2.44λ/D（2）

也就是說，如果激光器的發(fā)射光窗不變，光的色散隨著光的波長的增加而增大；如果光的波長不變，光的色散隨著光窗的增加而減小。

例如：如果光的波長為1060nm, 光窗的直徑為100mm,那么，光的色散為0.26mrad。如果光的波長為1550nm, 光窗的直徑為100mm,那么，光的色散為0.38mrad。

通常，激光器的發(fā)射和接收光窗的直徑D為5-15厘米。

打到地面的光斑的直徑DL由上圖推出

DL=D+2h(tanγ/2)= 2h(tanγ/2)= 2hγ/2= hγ

我們以0.3mrad來舉例說明它的意義。當測量距離為100米時，光斑的直徑為30mm;當測量距離為1,000米時，光斑的直徑為300mm。一般講，光斑越小，激光的空間分辨率越小。連續(xù)波激光器一般用于衛(wèi)星遙感或高空遙感。

5.3 目前市場上常用激光雷達的激光器及其最大發(fā)射頻率。

目前市場上的激光雷達的激光發(fā)射的最大頻率范圍為10,000赫茲—240,000赫茲。均為Riegl公司所生產(chǎn)。Optech公司和萊卡公司的激光器的最大發(fā)射頻率分別是160,000赫茲和150,000赫茲。TopSys的是125,000赫茲。在上個月在北京召開的的2008 ISPRS 會議上，徠卡公司推出了新的ALS60系統(tǒng)，其激光器的最大發(fā)射頻率為200,000赫茲。另外，根

據(jù)內(nèi)部消息，Riegl公司也將在9月底的2008 INTERGEO會議上推出新的激光雷達系統(tǒng)。萊卡和Optech公司采用的是大功率的波長為1064納米的安全等級為IV級（I級是最安全的，II級以上越來越不安全）的Nd-YAG激光器。當?shù)涂诊w行時，就必須增大激光的光斑，并且采用強度衰減器來降低輸出激光的強度。

而Riegl公司和TopSys公司采用的是對人和動物眼睛安全的波長為1550納米的近紅外激光器。因此無論是低空飛行還是中高空飛行都不需要增大激光的光斑和衰減激光的強度。

小角發(fā)散度的光斑的優(yōu)點：空間分辨率高，水平X-Y測量精度高，容易穿透植被。大角發(fā)散度的光斑：在低空飛行如小于700米時，使用大功率的安全等級為二級、三級和四級的激光器會對人眼和動物眼睛造成一定的損害，因此采用增大激光點光斑的直徑，并通過強度衰減器來降低輸出的激光強度，從而減少激光對人和動物可能造成的傷害程度。由此帶來的負面影響是所獲取的結(jié)果的空間分辨率降低，測量精度下降。

第二篇：激光雷達工作原理

激光雷達工作原理

激光是 2 0世紀 6 0年代出現(xiàn)的最重大科學(xué)技術(shù)成就之一。它的出現(xiàn)深化了人們對光的認識 ,擴大了光為人類服務(wù)的天地。激光技術(shù)從它的問世到現(xiàn)在 ,雖然時間不長 ,但是由于它有著幾個極有價值的特點 :高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性。激光雷達是激光技術(shù)與雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由發(fā)射機、天線、接收機、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)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(dǎo)體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學(xué)望遠鏡；接收機采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導(dǎo)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。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法分直接探測與外差探測。

首先明白一下激光雷達，激光雷達是以激光為光源，通過探測激光與被探測無相互作用的光波信號來遙感測量的．使用振動拉曼技術(shù)進行測量的激光雷達技術(shù)即為拉曼激光雷達，主要用于大氣遙感測量。拉曼激光雷達屬于遙感技術(shù)的一種。激光雷達作為一種主動遙感探測技術(shù)和工具已有近50 年的歷史，目前廣泛用于地球科學(xué)和氣象學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)、生物學(xué)與生態(tài)保持、軍事等領(lǐng)域。其中，傳統(tǒng)意義上的激光雷達主要用于陸地植被監(jiān)測、激光大氣傳輸、精細氣象探測、全球氣候預(yù)測、海洋環(huán)境監(jiān)測等。隨著激光器技術(shù)、精細分光技術(shù)、光電檢測技術(shù)和計算機控制技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達在遙感探測的高度、空間分辨率、時間上的連續(xù)監(jiān)測和測量精度等方面具有獨到的優(yōu)勢。

激光雷達是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。從工作原理上講，與微波雷達沒有根本的區(qū)別：向目標發(fā)射探測信號(激光束),然后將接收到的從目標反射回來的信號(目標回波)與發(fā)射信號進行比較,作適當處理后,就可獲得目標的有關(guān)信息,如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對飛機、導(dǎo)彈等目標進行探測、跟蹤和識別。

根據(jù)探測技術(shù)的不同，激光雷達可以分為直接探測型和相干探測型兩種。而按照不同功能，則可分為跟蹤雷達、運動目標指示雷達、流速測量雷達、風剪切探測雷達、目標識別雷達、成像雷達及振動傳感雷達。

激光雷達與無線電雷達的工作原理基本相同，且依賴于所采用的探測技術(shù)。其中直接探測型激光雷達的基本結(jié)構(gòu)與激光測距機頗為相近。工作時，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量激光信號往返傳播的時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，則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，并計算其變化率而求得速度。

相干探測型激光雷達又有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號共用一個光學(xué)孔徑，并由發(fā)送-接收開關(guān)隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個光學(xué)孔徑，分別供發(fā)送與接收信號使用，發(fā)送-接收開關(guān)自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。

激光雷達是激光技術(shù)與雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由發(fā)射機、天線、接收機、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)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(dǎo)體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學(xué)望遠鏡；接收機采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導(dǎo)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。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法分直接探測與外差探測。

氣象雷達是專門用于大氣探測的雷達。屬于主動式微波大氣遙感設(shè)備。與無線電探空儀配套使用的高空風測風雷達，只是一種對位移氣球定位的專門設(shè)備，一般不算作此類雷達。氣象雷達是用于警戒和預(yù)報中、小尺度天氣系統(tǒng)（如臺風和暴雨云系）的主要探測工具之一工作在30～3000兆赫頻段的氣象多普勒雷達。一般具有很高的探測靈敏度。因探測高度范圍可達1～100公里，所以又稱為中層-平流層-對流層雷達(MST radar)。它主要用于探測晴空大氣的風、大氣湍流和大氣穩(wěn)定度等大氣動力學(xué)參數(shù)的鉛直分布

美國國防部最初對激光雷達的興趣與對微波雷達的相似，即側(cè)重于對目標的監(jiān)視、捕獲、跟蹤、毀傷評（SATKA）和導(dǎo)航。然而，由于微波雷達足以完成大部分毀傷評估和導(dǎo)航任務(wù)，因而導(dǎo)致軍用激光雷達計劃集中于前者不能很好完成的少量任務(wù)上，例如高精度毀傷評估，極精確的導(dǎo)航修正及高分辨率成像。軍事上常常希望飛機低空飛行，但飛機飛行的最低高度受到機上傳感器探測小型障礙物能力的限制。且不說阻塞氣球線這樣的對抗設(shè)施，在60米以下，各種動力線，高壓線鐵塔，桅桿、天線拉線這樣的小障礙物也有明顯的危險性。現(xiàn)有的飛機傳感器，從人眼到雷達，均難以事先發(fā)現(xiàn)這些危險物，這種情況，在夜間和惡劣天氣條件下尤其突出。而掃描型激光雷達因其具有高的角分辨率，故能實時形成這些障礙物有效的影像，提供適當?shù)念A(yù)警。

激光雷達在軍事上可用于對各種飛行目標軌跡的測量。如對導(dǎo)彈和火箭初始段的跟蹤與測量，對飛機和巡航導(dǎo)彈的低仰角跟蹤測量，對衛(wèi)星的精密定軌等。激光雷達與紅外、電視等光電設(shè)備相結(jié)合，組成地面、艦載和機載的火力控制系統(tǒng)，對目標進行搜索、識別、跟蹤和測量。由于激光雷達可以獲取目標的三維圖像及速度信息，有利于識別隱身目標。激光 雷達可以對大氣進行監(jiān)測，遙測大氣中的污染和毒劑，還可測量大氣的溫度、濕度、風速、能見度及云層高度。

海用激光雷達對水中目標進行警戒、搜索、定性和跟蹤的傳統(tǒng)方式，是采用體大而重的一般在600千克至幾十噸重的聲納。自從發(fā)展了海洋激光雷達，即機載藍綠激光器發(fā)射和接收設(shè)備后，海洋水下目標探測既簡單方便，又準確無誤。尤其是20世紀90 年代以后研制成功的第三代激光雷達上，增加了GPS定位、定高功能，實現(xiàn)了航線和高度的自動控制。如美國諾斯羅普公司研制的“ALARMS”機載水雷探測激光雷達，可24小時工作，能準確測得水下水雷等可疑目標。美國卡曼航天公司研制的水下成像激光雷達，更具優(yōu)勢，可以顯示水下目標的形狀等特征，準確捕獲目標，以便采取應(yīng)急措施，確保航行安全。

此外，激光雷達還可以廣泛用于對抗電子戰(zhàn)、反輻射導(dǎo)彈、超低空突防、導(dǎo)彈與炮彈制導(dǎo)以及陸地掃雷等。

參考文獻

王保成 張衛(wèi)華 激光雷達工作原理與氣象探測 《現(xiàn)代物理知識》 2001年06期 王德志 激光雷達原理 《科協(xié)論壇》 2008年05期

第三篇：激光雷達測量實習(xí)報告

《激光雷達測量實習(xí)》二周實習(xí)任務(wù)書

一、實習(xí)課程的目的與任務(wù)

該實習(xí)課程時間為二周，是《激光雷達測量技術(shù)與應(yīng)用》的后續(xù)課程。該課程主要側(cè)重于三維激光掃描測量技術(shù)與數(shù)據(jù)建模知識的綜合應(yīng)用。通過二周的集中實習(xí)，可以使學(xué)生鞏固課程理論知識，熟悉三維激光掃描測量技術(shù)的軟、硬件環(huán)境，掌握基于三維激光掃描測量技術(shù)構(gòu)建三維模型的方法和過程，熟悉相關(guān)軟件的功能和相關(guān)操作命令，并能夠熟練運用相關(guān)軟件構(gòu)建實體三維仿真模型，提高學(xué)生技能、動手能力及解決問題的能力，達到理論知識與實踐的結(jié)合。

二、實習(xí)內(nèi)容、安排方式

（一）實習(xí)內(nèi)容

1、三維激光掃描數(shù)據(jù)的外業(yè)采集；

2、利用Cyclone軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理及點云模型的建立；

3、基于Imageware軟件構(gòu)建點云截面線畫圖；

4、利用Imageware軟件構(gòu)建三維實體曲面模型和利用geomagic軟件構(gòu)建三維網(wǎng)格模型；

5、利用geomagic軟件構(gòu)建三維仿真模型；

5、基于任一編程語言完成點云數(shù)據(jù)讀取、點云數(shù)據(jù)配準參數(shù)的求解、基于點云擬合平面的程序設(shè)計和實現(xiàn)。

（二）安排方式

1、三維激光掃描數(shù)據(jù)采集在戶外進行，以小組為單位。

2、數(shù)據(jù)預(yù)處理及點云模型的建立、基于點云構(gòu)建截面線畫圖、三維實體曲面模型和三維實體網(wǎng)格模型及三維仿真模型的構(gòu)建及程序設(shè)計實現(xiàn)在校機房網(wǎng)四進行，以個人為單位，每人一臺電腦獨立進行獨立實習(xí)，每人提交一份實習(xí)成果。

三、實習(xí)要求

時間：2012/2013學(xué)年（1）學(xué)期第19－20周，1-8節(jié)。

考勤：每天進行不定時不定次點名，無論何種原因未到者均記缺勤一次。缺席1/3以上實習(xí)時間者沒有成績。

成果：所有要提交的實習(xí)成果必須由學(xué)生本人獨立完成，不得抄襲，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)有任何抄襲行為，該課程記為0分。機房：嚴格遵守實驗機房的上機要求，不得在機房吃食品、帶入任何飲料，不得在機房打鬧、大聲喧嘩，嚴禁玩電腦游戲等其他與課程無關(guān)的事項。違反機房管理規(guī)則，實習(xí)成績降一檔。

四、成果提交內(nèi)容及要求：

（一）、按以下內(nèi)容的順序打印、裝訂成冊，打印紙張大小一律采用A4紙張。

1、封面。

2、《激光雷達測量實習(xí)》二周實習(xí)任務(wù)書。

3、實習(xí)成果圖。（實驗成果圖包括：基于cyclone軟件構(gòu)建點云模型時每步操作界面的截屏；在Imageware構(gòu)建截面線畫圖的每步操作界面截圖；在Imageware軟件中構(gòu)建三維曲面模型時的每步操作界面截圖；在Geomagic軟件中構(gòu)建三維網(wǎng)格模型及三維仿真模型時的每步截圖；點云數(shù)據(jù)處理程序的截屏。）

4、實習(xí)總結(jié)：不少于1000字。

5、實習(xí)日志（每天的工作內(nèi)容及收獲，不少于300字）。

（二）、上交電子成果

實習(xí)成果圖、實習(xí)總結(jié)、截面線畫模型、三維實體模型和三維網(wǎng)格模型、三維仿真模型、點云數(shù)據(jù)處理程序等電子成果。

以本人的學(xué)號（13位）建立文件夾，將所有文件復(fù)制到該文件夾中，實習(xí)結(jié)束時上交。

五、圖形技術(shù)要求：

Cyclone軟件配準精度要求：中誤差±5mm以內(nèi)。

六、綜合成績評定的方法

（一）考核內(nèi)容：實習(xí)成果，實習(xí)日志，出勤。

（二）成績評定方法：根據(jù)實習(xí)的認真程度、實驗成果的優(yōu)劣、出勤情況等綜合評定實習(xí)成績，分為優(yōu)良中及格不及格五個等級，其中，實習(xí)成果占60%，實習(xí)日志占20%，出勤占20%。

（三）缺席1/3以上實習(xí)時間者沒有成績。

激光雷達測量實習(xí)報告

一、利用Cyclone軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理及點云模型的建立

（一）控制點法配準步驟如下圖1~3所示：

圖1

圖2

圖3

（二）科研樓臺階公共點云法配準，如下圖4~6-1所示：

圖4

圖5

圖6

圖6-1

（三）鐵牛公共點云配準法，貼圖并進行三維建模，如下圖7~9-2所示：

圖7

圖8

圖9

圖9-1

圖9-2

二、利用Geomagic軟件構(gòu)建三維網(wǎng)格模型和三維仿真模型

（一）去噪，減少噪音點，如下圖10~14所示：

圖10

圖11

圖12

圖13

圖14

（二）對配準建模數(shù)據(jù)1、2點云進行封裝wrap并進行貼圖三維建模，如下圖15~24所示：

圖15

圖16

圖17

圖18

圖19

圖20

圖21

圖22

圖23

圖24

三、Imageware構(gòu)建三維實體表面模型。

圖25

圖26

圖27

圖28

圖29

圖30

四、編程

（一）空間坐標轉(zhuǎn)換，如下圖31~33所示：

圖31

圖32 坐標轉(zhuǎn)換 Private Sub cmdCalc3D_Click()

m3 = cdcs

Ex = xxz

Ey = yxz

Ez = zxz

dX3 = xpy

dY3 = ypy

dZ3 = zpy

txtK3.Text = Str(m3)

txtEx.Text = Str(Ex)

Ex = DoToHu(Ex)

txtEy.Text = Str(Ey)

Ey = DoToHu(Ey)

txtEz.Text = Str(Ez)

Ez = DoToHu(Ez)

txtdX3.Text = Str(dX3)

txtdY3.Text = Str(dY3)

txtDz3.Text = Str(dZ3)

X3 = Val(txtX3.Text)

Y3 = Val(txtY3.Text)

Z3 = Val(txtZ3.Text)

Xx3 =(m3 + 1)*(X3 * Cos(Ey)* Cos(Ez)+ Y3 * Cos(Ey)* Sin(Ez)dX3)* Cos(Ey)* Cos(Ez)+(Yy3dZ3)*(Sin(Ex)* Sin(Ez)+ Cos(Ex)* Sin(Ey)* Cos(Ez)))/(m3 + 1)

Y3 =((Xx3dY3)*(Sin(Ex)* Sin(Ey)* Sin(Ez)+ Cos(Ex)* Cos(Ez))+(Zz3dX3)*(-Sin(Ey))+(Yy3dZ3)*(Cos(Ex)* Cos(Ey)))/(m3 + 1)

txtX3.Text = Format(X3, “0.0000”)

txtY3.Text = Format(Y3, “0.0000”)

txtZ3.Text = Format(Z3, “0.0000”)End Sub

Private Sub cmdExit_Click()

End End Sub

Private Sub cmdParaCalu_Click()

frmParameterCal3D.Show End Sub

Private Sub Command1_Click()

Dim Dateh As String

Dim iposh%, i%

Open Text1.Text For Input As #1

Line Input #1, Dateh

n = Val(Dateh)

ReDim x1#(n), y1#(n), z1#(n), x2#(n), y2#(n), z2#(n)

ReDim jx#(n), jy#(n), jz#(n)

For i = 1 To n

Line Input #1, Dateh

iposh = InStr(Dateh, “,”)

x1(i)= Val(Left(Dateh, iposh1))

Dateh = Mid(Dateh, iposh + 1)

iposh = InStr(Dateh, “,”)

z1(i)= Val(Left(Dateh, iposh1))

Dateh = Mid(Dateh, iposh + 1)

iposh = InStr(Dateh, “,”)

y2(i)= Val(Left(Dateh, iposhz1(i)* Sin(Ey))+ dX3

jy(i)=(m3 + 1)*(x1(i)*(-Cos(Ex)* Sin(Ez)+ Sin(Ex)* Sin(Ey)* Cos(Ez))+ y1(i)*(Cos(Ex)* Cos(Ez)+ Sin(Ex)* Sin(Ey)* Sin(Ez))+ z1(i)*(Sin(Ex)* Cos(Ey)))+ dY3

jz(i)=(m3 + 1)*(x1(i)*(Sin(Ex)* Sin(Ez)+ Cos(Ex)* Sin(Ey)* Cos(Ez))+ y1(i)*(-Sin(Ex)* Cos(Ez)+ Cos(Ex)* Sin(Ey)* Sin(Ez))+ z1(i)*(Cos(Ex)* Cos(Ey)))+ dZ3 Next i 轉(zhuǎn)換后坐標

圖33

（二）點云坐標讀取，如下圖34~ 設(shè)置點云模型的坐標范圍

圖34 設(shè)置點間距

圖35 臨近點去噪

圖36 模型空間顯示

圖37

圖38

實習(xí)總結(jié)

本次實習(xí)歷時兩周時間，在這兩周時間里我按照老師的實習(xí)任務(wù)安排進行實習(xí)，實習(xí)的內(nèi)容和安排方式如下：

（一）實習(xí)內(nèi)容：

1、三維激光掃描數(shù)據(jù)的外業(yè)采集；

2、利用Cyclone軟件進行數(shù)據(jù)預(yù)處理及點云模型的建立；

3、基于Imageware軟件構(gòu)建點云截面線畫圖；

4、利用Imageware軟件構(gòu)建三維實體曲面模型和利用geomagic軟件構(gòu)建三維網(wǎng)格模型；

5、利用geomagic軟件構(gòu)建三維仿真模型；

6、基于任一編程語言完成點云數(shù)據(jù)讀取、點云數(shù)據(jù)配準參數(shù)的求解、基于點云擬合平面的程序設(shè)計和實現(xiàn)。

（二）安排方式：

1、三維激光掃描數(shù)據(jù)采集在戶外進行，以小組為單位；

2、數(shù)據(jù)預(yù)處理及點云模型的建立、基于點云構(gòu)建截面線畫圖、三維實體曲面模型和三維實體網(wǎng)格模型及三維仿真模型的構(gòu)建及程序設(shè)計實現(xiàn)在校機房網(wǎng)四進行，以個人為單位，每人一臺電腦獨立進行獨立實習(xí)，每人提交一份實習(xí)成果。

而在了解以上的內(nèi)容后，按照實習(xí)任務(wù)的時間安排在校機房網(wǎng)四進行實習(xí)，實習(xí)后將以下成果上交即完成整個實習(xí)過程：

（一）、按以下內(nèi)容的順序打印、裝訂成冊，打印紙張大小一律采用A4紙張。

1、封面；

2、《激光雷達測量實習(xí)》二周實習(xí)任務(wù)書；

3、實習(xí)成果圖。（實驗成果圖包括：基于cyclone軟件構(gòu)建點云模型時每步操作界面的截屏；在Imageware構(gòu)建截面線畫圖的每步操作界面截圖；在Imageware軟件中構(gòu)建三維曲面模型時的每步操作界面截圖；在Geomagic軟件中構(gòu)建三維網(wǎng)格模型及三維仿真模型時的每步截圖；點云數(shù)據(jù)處理程序的截屏。）；

4、實習(xí)總結(jié)：不少于1000字；

5、實習(xí)日志（每天的工作內(nèi)容及收獲，不少于300字）；

（二）、上交電子成果：實習(xí)成果圖、實習(xí)總結(jié)、截面線畫模型、三維實體模型和三維網(wǎng)格模型、三維仿真模型、點云數(shù)據(jù)處理程序等電子成果。

實習(xí)過程時間雖長，但實習(xí)內(nèi)容豐富，因此在這兩周時間里每一天的實習(xí)都是很充實地度過了，此外，在實習(xí)過程中，我還掌握了Cyclone軟件和Geomagic以及Imageware軟件的操作，對我以后工作學(xué)習(xí)又增添了一份保障。本次實習(xí)由張瑞菊老師帶領(lǐng)，在每次實習(xí)課程中，老師都伴隨左右，為同學(xué)們解答疑惑，因此，張瑞菊老師也是深受同學(xué)們的喜愛。每一次的實習(xí)時間都是來之不易，再加上老師和同學(xué)們的幫助，我在每次實習(xí)中都得到了異常豐富的知識和技能。

實習(xí)已經(jīng)結(jié)束，在此作一個結(jié)束語，平生學(xué)生時代的最后一個在校實習(xí)已經(jīng)結(jié)束，階下來就是工作的時間了，我要從一個學(xué)生角色轉(zhuǎn)換到一個職場人士，前方的路還很長，我應(yīng)該以一個全新的面貌對待以后的生活和工作，這在我以后的人生旅途中必會收獲頗豐，我要做好準備工作，投身到工作生活之中，這是我的使命，同時也是我要經(jīng)歷的一切，實習(xí)就是以后工作的影子，我看到了影子就會大致想象到以后的工作，這是適合我走的道路。

再見，大學(xué)生活。

第四篇：機載激光雷達的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

機載激光雷達的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘要：機載激光雷達是一種應(yīng)用越來越廣泛的對地觀測系統(tǒng)，本文簡要介紹了機載LIDAR系統(tǒng)及其測量原理，并重點綜述了機載LIDAR的應(yīng)用現(xiàn)狀最后對其發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵字 ：激光； 激光器 ； 激光技術(shù) ；激光雷達

一、機載LIDAR的技術(shù)原理

機載激光雷達（Light Detection And Ranging，LIDAR）是將激光用于回波測距和定向，并通過位置、徑向速度計物體反射特性等信息來識別目標。它體現(xiàn)了特殊的發(fā)射、掃描、接收和信號處理技術(shù)。機載激光雷達技術(shù)起源于傳統(tǒng)的工程測量中的激光測距技術(shù)，是傳統(tǒng)雷達技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是遙感測量領(lǐng)域的一門新興技術(shù)。

自20世紀60年代末世界第一部激光雷達誕生以來，機載激光雷達技術(shù)作為一種重要的航空遙感技術(shù)，已經(jīng)被越來越多的學(xué)者所關(guān)注。迄今為止，機載激光雷達的研究與應(yīng)用均取得了相當大的進展，雖然機載激光雷達無法完全取代傳統(tǒng)的航空攝影測量作業(yè)方式，但可以預(yù)見，在未來的航空遙感領(lǐng)域，機載激光雷達將成為主流之一。進入90年代，機載激光雷達系統(tǒng)進入實用化階段，并成為雷達遙感發(fā)展的重要方向之一。機載LIDAR系統(tǒng)是一款高速度、高性能、長距離的航空測量設(shè)備，該系統(tǒng)由激光測高儀、GPS定位裝置、IMU（慣性制導(dǎo)儀）和高分辨率數(shù)碼照相機組成，實習(xí)對目標的同步測量。測量數(shù)據(jù)通過特定方程解算處理，生成高密度激光點云數(shù)值，為地形信息的提取提供精確的數(shù)據(jù)源。其應(yīng)用已超出傳統(tǒng)測量，遙感，以及近景測量所覆蓋的范圍，成為一種獨特的數(shù)據(jù)獲取方式。

與普通光波相比，激光具有方向性好、單色性好、相干性好等特點，不易受大氣環(huán)境和太陽光線的影響。使用激光進行距離測量可大大提高了數(shù)據(jù)采集的可靠性抗干擾能力。當來自激光器的激光射到一個物體的表面時，只要不存在方向反射，總會有一部分光會反射回去，成為回波信號，被系統(tǒng)的接收器所接收，當儀器計算出光由激光器射出返回到接收器的時間為2t后，那么，激光器到反射物體的距離d=光速c×t2。

在機載激光雷達系統(tǒng)中，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲得飛行過程中的3個方位角（ψωκ），通過全球定位系統(tǒng)（GPS）獲取激光掃描儀中心坐標（x y z），最后利用激光掃描儀獲取到激光掃描儀中心至地面點的距離D，由此可以計算出此刻地面上相應(yīng)激光點（X Y Z）的空間坐標。

假設(shè)三維空間中一點的坐標已知，求出改點到地面上某一待定點P（XYZ）的向量，則P點的坐標就可以由加得到。其中點為遙感器的投影中心，其坐標可利用動態(tài)差分GPS求出，向量的模是由激光測距系統(tǒng)測定的機載激光測距儀的投影中心到地面激光腳點間的距離，姿態(tài)參數(shù)可以利用高精度姿態(tài)測量裝置（INS）進行測量獲得的。

利用機載LIDAR系統(tǒng)進行測高作業(yè)，根據(jù)不同的航高作業(yè)，根據(jù)不同的航高，其平面精度可以達到0.15至1米，高程精度可達10cm至30cm，地面分辨率甚至可達到厘米級?？梢哉f，機載LIDAR系統(tǒng)是為綜合航射影像和空中數(shù)據(jù)定位二設(shè)計的新技術(shù)手段，它能為測繪工程、數(shù)字地圖和GIS應(yīng)用快速提供精確的空間坐標信息和三維模型信息。

二、機載LIDAR的應(yīng)用現(xiàn)狀

機載LIDAR 一高精度、高分辨率、高自動化且高效率的優(yōu)勢，已成為世界各國進行大面積數(shù)值地表數(shù)據(jù)測制的重要主流與趨勢，其多重反射的特性，可同時獲取地面及其覆蓋物（植被、電力線等）的精確三維坐標，而透水激光雷達系統(tǒng)更可穿透水體而量測水底的地形起伏。其獲取的高精度高分辨率DEM，可作為土地利用、工程建設(shè)規(guī)劃、都市計劃管理，河海地形、潮間帶、集水區(qū)、山坡檢測，地理信息系統(tǒng)、防災(zāi)、礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、公共管理線等方面數(shù)值化、自動化等應(yīng)用基礎(chǔ)。1.數(shù)字城市應(yīng)用

在數(shù)字化程度越來越高的今天，基于二維城市形象系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足形象時代的要求，將三維空間形象完整呈現(xiàn)已經(jīng)成為發(fā)展的必然，也是“數(shù)字地球”的要求。因此，對快速獲取三維空間數(shù)據(jù)，模擬和再現(xiàn)現(xiàn)實生活提出了更高的要求。LIDAR系統(tǒng)在城市中更能體現(xiàn)其不受航高、陰影遮擋等限制的優(yōu)勢，能夠快速采集三維空間數(shù)據(jù)和影像，房屋建模速度快，高程精度高，紋理映射自動化程度高，能夠滿足分析與測量的需求，廣泛用于城市規(guī)劃的大比例尺地形圖獲取。2.工程建筑測量

機載激光雷達測量能夠為道路工程及其他建筑項目提供準確的高程數(shù)據(jù)。機載激光雷達生成的DEM結(jié)合GIS及CAD軟件，可以是設(shè)計人員模擬各種方案以選擇出最佳路線或最好位置。對于施工錢的原始預(yù)測，DEM結(jié)合正射影像可以為工程設(shè)計人員提供他們所需的大量地形和測量信息。3.電力設(shè)計勘測選線和線路監(jiān)測應(yīng)用。

在進行電力線路設(shè)計時，通過LIDAR數(shù)據(jù)可以了解整個線路設(shè)計區(qū)域內(nèi)的地形和地物要素的情況。4.災(zāi)害監(jiān)測與環(huán)境監(jiān)測

利用機載LIDAR產(chǎn)生的DEM，水文學(xué)家可以預(yù)測洪水的范圍，制定災(zāi)難減輕方案以及補救措施。典型的一套機載激光雷達系統(tǒng)可以在四小時內(nèi)用一架固定翼飛機完成長30km區(qū)域的勘測。其垂直精度和達15cm，平均點距為1.5m，合計記錄了153000000個反映詳細地形和地物的數(shù)據(jù)點。也廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害（如颶風、地震、洪水滑坡等）的災(zāi)后評估和響應(yīng)。5.海岸工程

傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)有時不能用于反差小或無明顯特征的地區(qū)，如海岸及海岸地區(qū)。另外海岸地區(qū)的動態(tài)環(huán)境也需要經(jīng)常更新基準測量數(shù)據(jù)。機載LIDAR是一種主動傳感技術(shù)，能以低成本做高動態(tài)環(huán)境下常規(guī)基礎(chǔ)海岸線測量，且具有一定的水下探測能力，可測量近海水深70m內(nèi)水下地形，可用于海岸帶、海邊沙丘、海邊提防和海岸森林的三維測量和動態(tài)監(jiān)測。6.林業(yè)應(yīng)用 機載激光雷達系統(tǒng)的最早商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域之一即為森林工業(yè)，森林業(yè)者和國土管理者需要森林及樹冠下面的準確數(shù)據(jù)。在傳統(tǒng)技術(shù)下，樹高與樹的密度很難獲取的信息。在數(shù)據(jù)的后處理中，獨立的激光返回值可分為植被返回值和地面返回值，根據(jù)LIDAR數(shù)據(jù)，分析森林樹木的覆蓋率和覆蓋面積，了解樹木的疏密程度，年長樹木的覆蓋面積和年幼樹木的覆蓋面積。通過LIDAR數(shù)據(jù)可以概算出森林占地面積和樹木的平均高度，及木材量的多少，便于相關(guān)部門進行宏觀調(diào)控。7.文化遺產(chǎn)保護

大型的文物古跡和室外的不可以移動文物，需要測量其三維數(shù)據(jù)，以便進行修復(fù)和保護。對于出于惡劣測量環(huán)境下或不可直接觸摸的文物，LIDAR技術(shù)就成為了一種直接獲取三維數(shù)據(jù)的很好的解決方案。8.油氣勘探

石油及天然氣工業(yè)的勘測程序常常需要在短時間內(nèi)快速傳送與地形數(shù)據(jù)XYZ為準相關(guān)的數(shù)據(jù)。雖然有多種方法處理收集位置數(shù)據(jù)，但機載激光雷達測量是一種高速且不接觸地面的數(shù)據(jù)獲取方法，大多數(shù)情況下，從勘探開始到最終數(shù)據(jù)發(fā)送只需要幾周的時間。在一些復(fù)雜的環(huán)境地區(qū)勘測，砍伐樹木的費用要幾千美元一公頃。如用機載激光雷達進行勘測，最多只需要砍伐幾行樹，這樣可以節(jié)省大量的經(jīng)費且減少對環(huán)境的影響。

三維激光雷達技術(shù)是實現(xiàn)空間三維坐標和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精度獲取的國際領(lǐng)先看空間技術(shù)，在采集地表數(shù)據(jù)方面具有傳統(tǒng)航空攝影測量所無法比擬的巨大優(yōu)勢，三維激光雷達技術(shù)是即GPS以來測繪領(lǐng)域的又一場技術(shù)革新，是高精度逆向三維建模及重構(gòu)技術(shù)的革命，是進行大區(qū)域空間探測的利器，是數(shù)字中國及各行業(yè)數(shù)字化的必由之路，將對電網(wǎng)、水利、交通、規(guī)劃、國土、礦山、海洋、氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、古跡保護等各個領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。

二、機載LIDAR的發(fā)展趨勢

近幾年，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，機載激光雷達技術(shù)得到了蓬勃發(fā)展，歐美等發(fā)達國家許多公司和科研機構(gòu)投入了的大量的人力物力和財力進行相關(guān)技術(shù)和系統(tǒng)的研究，并先后研制出多種機載激光雷達系統(tǒng)，相繼投入商業(yè)運作。記載激光雷達在測繪市場所占的份額不斷擴大，其應(yīng)用的領(lǐng)域和深度也日益拓寬和加深。我國的學(xué)者也投入道路激光雷達技術(shù)的研究中，也有一些公司從國外引進了機載激光雷達設(shè)備用于商業(yè)運作。但總體而言，我國在機載激光雷達的硬件研制及理論研究和實踐應(yīng)用方面都落后與發(fā)達國家，為使這項高新技術(shù)能夠在我國的國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮其應(yīng)有的作用，開展記載激光雷達技術(shù)的理論和應(yīng)用研究具有非常重要的理論價值和現(xiàn)實意義。雖然目前已有多種激光雷達系統(tǒng)在使用，但激光雷達仍是一項處在不斷發(fā)展中的高新技術(shù)，許多新體制激光雷達仍在研制或探索之中。在今后的一段時期內(nèi)，激光雷達的研究工作將主要集中在不斷開發(fā)新的激光輻射源、多傳感器系統(tǒng)集成和不斷探索新的工作體制和用途方面。

1.開發(fā)新型激光輻射源 目前，在中遠距離應(yīng)用中，波長為1.06μm的Nd：YAG激光器和波長為10.6μm的CO2激光器仍是激光雷達的主導(dǎo)輻射源。近年來隨著大功率半導(dǎo)體激光二極管技術(shù)的不斷完善，在近距離應(yīng)用條件下半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用也日益廣泛。在未來若干年內(nèi)，二極管泵浦的固體激光器技術(shù)和光參量振蕩器技術(shù)將是新型激光源的關(guān)鍵技術(shù)。

利用光學(xué)參量振蕩器可獲得寬帶可調(diào)諧、高相干的輻射光源，在激光測距、光電對抗光學(xué)信號處理等領(lǐng)域以顯示出廣泛的應(yīng)用前景。光學(xué)參量振蕩器的理論最早在1962年由Kroll提出，1965年美國貝爾實驗室首先在脈沖激光器上實現(xiàn)光學(xué)參量震蕩，國際上在70年代建立了完善的參量互作用理論，并在80年代后，隨著一些性能優(yōu)良的非線性晶體的出現(xiàn)，使得OPO技術(shù)的研究取得重大突破，OPO技術(shù)進入了實用階段。近年來，隨著二極管泵浦的固體激光技術(shù)的發(fā)展，全固化寬調(diào)諧OPO技術(shù)得以迅速發(fā)展，它具有高效率、長壽命、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重 量輕、可高重復(fù)頻率工作等特點。美國直升機防撞激光成像雷達和預(yù)警機載“門警”系統(tǒng)激光雷達，英國的查分吸收光雷達都是采用OPO做輻射源。可預(yù)計，未來將會有更多的OPO激光雷達問世。2..多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合

激光雷達的另一個發(fā)展方向是成像應(yīng)用。激光雷達成像具有優(yōu)越的三維成像能力，其數(shù)據(jù)處理算法相對簡單，不需要多批次圖像融合即可得到偵查區(qū)域多層次的三維圖，與其他成像偵查手段相比，在實效性方面具有不可比擬的優(yōu)勢。與光學(xué)和微波成像相比，激光雷達成像在獲得偵查區(qū)域目標的同時能快速獲得目標高程數(shù)據(jù)，提高對戰(zhàn)場的探測能力。激光雷達成像所獲得的是目標距離和強度數(shù)據(jù)，激光雷達數(shù)據(jù)圖像與可見光數(shù)據(jù)圖像、紅外電視數(shù)據(jù)圖像等其他數(shù)據(jù)圖像的融合在目標物特征提取、識別等方面具有重要的作用。激光雷達數(shù)據(jù)圖像包含目標的位置、體積、形狀等三維立體信息，充分反映目標的幾何信息。但激光雷達數(shù)據(jù)由于激光譜線成像，光譜信息單一，不能充分反映目標物的物理屬性信息。而可見光數(shù)據(jù)圖像、紅外電視數(shù)據(jù)圖像包含豐富的目標光譜信息，但目標的幾何信息只有二維的平面位置信息。將激光雷達數(shù)據(jù)圖像與可見光數(shù)據(jù)圖像、紅外電視圖像相融合，實現(xiàn)多傳感器集成，可發(fā)揮出各自的優(yōu)勢。2.不斷探索激光雷達新體制

多年來，對激光雷達新體制的探索工作一直在進行，尤其最近幾年研究工作比較活躍，包括激光相控陣雷達、激光合成孔徑雷達、非掃描成像激光雷達等。相控陣激光雷達是通過對一組激光束的相位分別進行控制和波束合成，實現(xiàn)波束功率增強和電掃描的一種體制。美國自70年代初開始研究激光相控陣技術(shù)，實現(xiàn)一維光相控陣以來，先后研制出多種二維移相器陣列并制成以液晶為基礎(chǔ)的二維光學(xué)相控陣樣機。

合成孔徑雷達是利用與目標做相對運動和小孔徑天線并采用信號處理方法，獲得高方位分辨力的相干成像雷達。利用激光器做輻射源的激光合成孔徑雷達，由于 頻率遠高于微波，對于同樣相對運動速度的目標可產(chǎn)生大得多的多普勒頻移，因此，很像距離分辨率也高得多，而且利用單個脈沖可瞬時測得多普勒頻移，無需高重頻發(fā)射脈沖。正因為如此，基于距離多普勒成像的激光合成孔徑雷達的研究工作受到重視。美國自80年代開始開展了激光合成孔徑雷達的概念研究，并進行了原理實驗。實驗研究采用重復(fù)頻率為100Hz的TEA CO2相干脈沖激光器，脈寬為150ns，峰值功率為100kw，以單縱橫工作，而且頻率可調(diào)。盡管迄今尚未見到成功的報道，但仍不失為激光雷達的一個發(fā)展方向。自90年代初以來，美國Sandia國家實驗室一直致力于發(fā)展一種新體制激光成像激光雷達不需要機械掃描，而是利用高頻強度調(diào)制的激光器照射目標，用帶向增強器的CCD攝像機接收回波，經(jīng)過數(shù)字信號處理依次提取每個光點的距離信息，形成目標的強度距離三維圖像。其特點是簡單、可行、體積小、重量輕、可得到高分辨率圖像。因而防撞、自主導(dǎo)航、目標識別、自動檢驗、視景、警戒、監(jiān)視和地形測繪等軍事和民用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

第五篇：激光雷達在軍事中的應(yīng)用講解

激光雷達在軍事中的應(yīng)用

作者

摘要：本文簡要介紹激光雷達的特點、激光雷達探測的基本物理原理及其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀．

關(guān)鍵詞：激光雷達；探測；軍事應(yīng)用

1.引言 激光雷達是現(xiàn)代激光技術(shù)與傳統(tǒng)雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它像傳統(tǒng)的微波雷達一樣，由雷達向目標發(fā)射波束，然后接收目標反射回來的信號，并將其與發(fā)射信號對比，獲得目標的距離、速度以及姿態(tài)等參數(shù)．但是它又不同于傳統(tǒng)的微波雷達，它發(fā)射的不是微波束，而是激光束，使激光雷達具有不同于普通微波雷達的特點．

根據(jù)激光器的不同，激光雷達可工作在紅外光譜、可見光譜和紫外光譜的波段上．相對于工作在米波至毫米波波段的微波雷達而言，激光雷達的工作波長短，是微波雷達的萬分之一到千分之一，根據(jù)光學(xué)儀器的分辨率與波長成反比的原理，利用激光雷達可以獲得極高的角分辨率和距離分辨率，通常角分辨率不低于0.1mrad，距離分辨率可達0.1m , 利用多普勒效應(yīng)可以獲得10m / s 以內(nèi)的速度分辨率．這些指標是一般微波雷達難以達到的，因此激光雷達可獲得比微波雷達清晰得多的目標圖像。

激光束的方向性好、能量集中，在20km 外，其光束也只有茶杯口大小，因而敵方難以截獲，而且激光束的抗電磁干擾能力強，難以受到敵方有源干擾的影響．

由于各種地物回波影響，因而在低空存在微波雷達無法探測的盲區(qū)．而對于激光雷達，只有被激光照射的目標才能產(chǎn)生反射，不存在低空地物回波的影響，所以激光雷達的低空探測性能好．

激光雷達體積小、重量輕，有的整套激光雷達系統(tǒng)的重量僅幾十千克．例如為了適應(yīng)海軍陸戰(zhàn)隊的需要，美國桑迪亞國家實驗室和伯恩斯公司都提出了手持激光

雷達的設(shè)計方案．相對于重達數(shù)噸、乃至

數(shù)十噸的微波雷達而言，激光雷達的機動

性能顯然要好得多．

任何事物都是一分為二的，激光雷達也有自身的缺陷．激光光束窄、方向性好，雖然表現(xiàn)出能量集中的優(yōu)點，但不宜用作戰(zhàn)場監(jiān)視雷達搜索大空域．而且激光的傳輸受環(huán)境影響大，尤其是在雨、雪、霧的天氣，激光在傳輸過程中的衰減更大．當然，激光在大氣層外傳輸時不易衰減，有其得天獨厚的優(yōu)勢．經(jīng)過幾十年的努力，科學(xué)家們趨利避害，已研制出多種類型的軍用激光雷達． 2.用干戰(zhàn)場偵察的激光雷達 眾所周知，普通的成像技術(shù)（如電視攝像、航空攝影及紅外成像等）獲得的場景圖像都是反映被攝區(qū)域輻射強度幾何分布的圖像，而激光雷達可以通過采集方位角一俯沖角一距離一速度一強度等三維數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示出來，從而可產(chǎn)生極高分辨率的輻射強度幾何圖像、距離圖像、速度圖像等，因而它提供了普通成像技術(shù)所不能提供的信息．

例如美國桑迪亞國家實驗庫研制的一種激光雷達，激光器功率為120MW，顯示屏幕的像素為64 X 64 元，視場內(nèi)物體的圖像可顯示在屏幕上，每秒鐘更新4 次，并用不同顏色和灰度顯示物體的相對距離．這種激光雷達能對運動的裝甲車輛產(chǎn)生實時圖像，圖像分辨率足以識別車輛型號．

美國雷西昂公司研制的ILR100 型砷化稼激光雷達，可安裝在高性能飛機和無人機上，當飛機在120m～460m 高空飛行 時，獲得的影像可實時顯示在駕駛艙內(nèi)的顯示器上，或通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送到地面站． 3.用于大氣探測的激光雷達

現(xiàn)代戰(zhàn)場的偵察不能局限于人、兵器和建筑物的測量，因為天氣環(huán)境對戰(zhàn)場也很重要，例如風力、風向、溫度等都會對導(dǎo)彈、飛機等產(chǎn)生影響，尤其是核化生武器的使用更會污染戰(zhàn)場環(huán)境．利用激光雷達則可以進行某些微波雷達所不能完成的偵測工作，其主要原理是：通過射向大氣中的激光與大氣中的氣溶膠（如煙塵、粉末等）及大氣分子的作用，產(chǎn)生散射，探測器接收散射波并經(jīng)分析、處理，可以檢測大氣的濕、溫、風、壓等基本參數(shù)，探測紊流，實時測量風揚起乃至大氣中的生物戰(zhàn)劑．

為了測得某一物理量，可根據(jù)相關(guān)物理學(xué)原理采用某一類型的激光雷達．例如，由物理學(xué)原理可知，對于同一波長的照射光，粒子直徑不同，散射情況也不同．當大氣中氣溶膠粒子直徑與照射的激光波長為同一數(shù)量級時，可以得到較強的散射信號．根據(jù)激光雷達接收到的散射信號的強度可以分析低空大氣乃至同溫層中氣溶膠粒子的直徑及密度，并可由此推得大氣的能見度，以至對云團、黃沙等進行分析．

又例如，物理學(xué)知識告訴我們，大氣分子在光作用下會發(fā)生極化，極化率的大小與分子的熱運動（即大氣溫度）有關(guān)，同時極化率的不同又引起媒質(zhì)折射率的不同，使大氣中光學(xué)均勻性受到破壞，從而發(fā)生光的喇曼散射．因此，溫度不同，喇曼散射情況不同，由喇曼散射雷達可以分析大氣溫度．

還例如，由于物體與雷達之間有相對運動時會產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象，因此，根據(jù)發(fā)射后接收的回波頻率相對于發(fā)射波頻率改變的大小，可由多普勒雷達確定風速的大?。偃纾魧⒓す饫走_技術(shù)與光譜分析技術(shù)相結(jié)合，可進行戰(zhàn)場化學(xué)毒劑的偵測，因為每種化學(xué)毒劑分子都具有特定的吸收光譜．利用差分吸收激光雷達交替發(fā)出不同波長的光，根據(jù)接收到的各種不同波長光的散射信號強度，通過對比、分

析某一波長的光波在大氣中的衰減情況，就可確定大氣中是否含有吸收這一波長的毒劑以及相應(yīng)的濃度．其實在測得某一物理量的同時，有時也可推得其他物理量．

目前激光雷達能測得的水平風速精度小于lm / S，水平風向精度小于50 ．據(jù)稱，美國將激光雷達裝置在C-141 飛機上，使空投精度提高2倍以上．B-2 隱身轟炸機利用機上的激光雷達來探測機尾是否出現(xiàn)凝結(jié)尾流，以便向駕駛員發(fā)出報警信號．俄羅斯研制成功的一種遠距離地面激光毒氣報警系統(tǒng)，可以實時地遠距離探測化學(xué)毒劑，確定毒劑氣溶膠云的斜距、中心厚度、離地面高度等相關(guān)參數(shù)，并通過無線電向己方部隊發(fā)出報警信號．德國研制的一種連續(xù)波CO2激光器，能發(fā)出40 個不同頻率的激光波，根據(jù)吸收光譜學(xué)的原理可探測和識別9μm～11μm波段光譜能量的化學(xué)戰(zhàn)劑．

4.用于跟蹤及火控的激光雷達

自20 世紀70 年代末，激光雷達開始用于坦克、火炮、艦艇和飛機的火控系統(tǒng)，尤其是激光自動跟蹤雷達，以其精確測距、精確測速、精確跟蹤的優(yōu)點，獲得軍事家們的青睞．

根據(jù)不同的需要可以有精度更高的不同類型的激光跟蹤雷達．例如美國白沙導(dǎo)彈靶場的CO2激光雷達系統(tǒng)，能同時進行成像和距離的跟蹤測量．可在大角度范圍內(nèi)以高跟蹤修正速率跟蹤單個目標，也可在多個目標之間重新確定目標．

美國空軍在毛伊島空間監(jiān)視站利用特克斯特朗公司制造的激光雷達進行了試驗，不僅探測到距離達24km 的直升機，而且確定了直升機旋翼槳葉的數(shù)目和長度、旋翼的間距和轉(zhuǎn)速一些發(fā)達國家已制定了利用激光雷達對軌道上的衛(wèi)星進行高精度位置和速度跟蹤，并提供空間飛行器的尺寸、形狀和方位信息的研究計劃．

例如美國“火池”激光雷達采用1.2m 直徑的巨型發(fā)／收望遠鏡、使用平均發(fā)射功率為千瓦級的連續(xù)波CO2氣體激光器，工作波長為10.6μm，采用外差探測方式，作用距離為1000km，跟蹤精度達1μrad ．在一次試驗中，“火池”獲得了從800km 外發(fā)的亞軌道探測火箭和充氣的再人飛行器誘餌的靶場多普勒圖像．

但從目前情況看，若利用地面激光雷達進行空間監(jiān)視，即對衛(wèi)星進行精密跟蹤、測量或用于洲際彈道導(dǎo)彈防御，由于目標識別距離在1000km 以上，所以激光雷達系統(tǒng)龐大復(fù)雜、造價昂貴．因此，人們正探討利用激光雷達與被動紅外系統(tǒng)相結(jié)合的方法進行彈道的估算工作． 5.用于水下探測的激光雷達

人們過去認為高頻電磁波不能穿透海水，所以聲納是傳統(tǒng)的水中目標探測裝置，根據(jù)聲波的反射和接收對目標進行搜索、定位、測速，但聲納體積大，重量一般在600kg 以上，有的甚至重達數(shù)十噸．經(jīng)過長期研究，人們發(fā)現(xiàn)波長為0.46μm～0.53 μm 的藍綠激光能穿透幾百到幾千米的海水．

1981 年，美國在圣地亞哥附近海域12km 高度的水面上空與水下300m 深處的潛艇間成功地進行了藍綠激光通信試驗，這不僅打開了水上與水下聯(lián)絡(luò)的激光通道，也使激光的水下探測成為現(xiàn)實．利用激光雷達探測水中目標，是利用激光器發(fā)射大功率窄脈沖藍綠激光，并接收反射的回波來探測水下目標的方位、速度等參數(shù)，既簡便，精度又高．它具有足夠的空間分辨率來分辨目標的尺寸和形狀．

例如美國卡曼航空航天公司研制的用于探測水雷的“魔燈”激光雷達，能迅速探測水中目標，并自動實施目標分類和定位．1991 年海灣戰(zhàn)爭期間，“魔燈”激光雷達機被部署到海灣地區(qū)，成功地發(fā)現(xiàn)了水雷和水雷錨鏈．目前“魔燈”激光雷達已裝備在海軍航空兵的直升機上．美國諾斯羅普公司研制的機載水雷探測系統(tǒng)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。

瑞典也研制了“手電筒”機載激光雷達，繼而還研制了“鷹眼”激光雷達．從目前研制的情況看，機載水下成像激光雷

達由于激光脈沖覆蓋面積大，其搜索效率遠遠高于非成像激光雷達，而且可以顯示水下目標的形狀和特征，便于識別目標．因此，水下成像激光雷達更受到軍事家們的重視，還被用作軍事領(lǐng)域的海洋測繪工具． 6.用于其他方面的激光雷達

激光雷達還可廣泛地應(yīng)用于武器鑒定、指揮引導(dǎo)、障礙回避等許多方面．例如，在導(dǎo)彈發(fā)射初始段和目標低飛時，由于仰角太小，一般的微波雷達不易探測，而用普通的光學(xué)測量設(shè)備又不能實時輸出數(shù)據(jù)，即使給出，數(shù)據(jù)精度也不夠，因此，僅利用微波雷達不易進行彈丸的全程鑒定，激光雷達能在一定程度上彌補這方面的不足，可用于導(dǎo)彈發(fā)射初始段和低飛目標的測量、目標姿態(tài)的測定、再入目標和測量與識別．

美國研制的靶場測量激光雷達

（PATS）曾成功地跟蹤了70mm 火箭彈和105mm 炮彈的飛行全過程．據(jù)稱，利用9～10 臺PATS “接力”測量巡航導(dǎo)彈運行的全過程，測量精度可達10cm，測角精度可達0.02mrad，作用距離為100m ～4 000m.直升機在進行低空巡邏飛行時極易與地面小山或建筑物相撞．美、德、法等國研制了用于地面障礙物回避的激光雷達．例如，美國研制的直升機超低空飛行障礙系統(tǒng)，使用固體激光二極管發(fā)射機和旋轉(zhuǎn)全息掃描器，可將直升機前方的地面障礙物信息實時顯示在機載平視顯示器和頭盔顯示器上，以保障安全飛行．德國研制了一種固體1.54μm 成像激光雷達，視場為32ox32o。裝在直升機上能探測300m～500m 距離內(nèi)直徑1cm 粗的電線．英、法聯(lián)合研制的“克萊拉”激光雷達是一種吊艙載的采用CO2激光器的雷達，安裝在飛機和直升機上不僅能探測標桿和電纜之類的障礙，還具有地形跟蹤、目標測距和指示活動目標等功能．

綜上所述，由于激光雷達獨特的物理性能，在軍事領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景．但是，由于激光自身傳輸中的缺陷、大功率激光器的研制及其相應(yīng)配套光電設(shè)施和技術(shù)的限制，目前激光雷達還有許多有待改進的不盡人意之處．我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光雷達在未來的軍事領(lǐng)域中將會放出更亮麗的奇光異彩． 參考文獻

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