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激光雷達

工作在紅外和可見光波段的雷達稱為激光雷達。

激光雷達 

LiDAR(LightLaser Detection and Ranging),是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。用激光器作為輻射源的雷達。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。
 

激光雷達的歷史 

起源 

自從1839年由Daguerre和Niepce拍攝第一張像片以來,利用像片制作像片平面圖(X、Y)技術(shù)一直沿用至今。到了1901年荷蘭人Fourcade發(fā)明了攝影測量的立體觀測技術(shù),使得從二維像片可以獲取地面三維數(shù)據(jù)(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(shù)據(jù)最精確和最可靠的技術(shù),是國家基本比例尺地形圖測繪的重要技術(shù)。
 

發(fā)展
 

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計算機及高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,數(shù)字立體攝影測量也逐漸發(fā)展和成熟起來,并且相應(yīng)的軟件和數(shù)字立體攝影測量工作站已在生產(chǎn)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-制圖(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本沒有大的變化。這種生產(chǎn)模式的周期太長,以致于不適應(yīng)當(dāng)前信息社會的需要,也不能滿足“數(shù)字地球”對測繪的要求。   

LIDAR測繪技術(shù)空載激光掃瞄技術(shù)的發(fā)展,源自1970年,美國航天局(NASA)的研發(fā)。因全球定位系統(tǒng)(Global PositioningSystem、GPS)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialInertiNavigation System、INS)的發(fā)展,使精確的即時定位及姿態(tài)付諸實現(xiàn)。德國Stuttgart大學(xué)于1988到1993年間將激光掃描技術(shù)與即時定位定姿系統(tǒng)結(jié)合,形成空載激光掃描儀(Ackermann-19)。之后,空載激光掃瞄儀隨即發(fā)展相當(dāng)快速,約從1995年開始商業(yè)化,目前已有10多家廠商生產(chǎn)空載激光掃瞄儀,可選擇的型號超過30種(Baltsavias-1999)。研發(fā)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?shù)母叨饶P?。由于其高?span id="22kociu" class='hrefStyle'>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(chǎn)工具。 

軍事用途 

激光掃描方法不僅是軍內(nèi)獲取三維地理信息的主要途徑,而且通過該途徑獲取的數(shù)據(jù)成果也被廣泛應(yīng)用于資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開發(fā)、水利工程、土地利用、環(huán)境監(jiān)測、交通通訊、防震減災(zāi)及國家重點建設(shè)項目等方面,為國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和科學(xué)研究提供了極為重要的原始資料,并取得了顯著的經(jīng)濟效益,展示出良好的應(yīng)用前景。低機載LIDAR地面三維數(shù)據(jù)獲取方法與傳統(tǒng)的測量方法相比,具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)外業(yè)成本低及后處理成本的優(yōu)點。目前,廣大用戶急需低成本、高密集、快速度、高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù),機載LIDAR技術(shù)正好滿足這個需求,因而它成為各種測量應(yīng)用中深受歡迎的一個高新技術(shù)。   

快速獲取高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù)是機載LIDAR技術(shù)在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的前提,因此,開展機載LIDAR數(shù)據(jù)精度的研究具有非常重要的理論價值和現(xiàn)實意義。在這一背景下,國內(nèi)外學(xué)者對提高機載LIDAR數(shù)據(jù)精度做了大量研究。  

由于飛行作業(yè)是激光雷達航測成圖的第一道工序,它為后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理提供直接起算數(shù)據(jù)。按照測量誤差原理和制定“規(guī)范”的基本原則,都要求前一工序的成果所包含的誤差,對后一工序的影響應(yīng)為最小。因此,通過研究機載激光雷達作業(yè)流程,優(yōu)化設(shè)計作業(yè)方案來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,是非常有意義的。 

LiDAR的基本原理 

LIDAR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(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR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。接收器準確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間。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。 

激光雷達的妙用 

激光雷達是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達系統(tǒng),其原理和構(gòu)造與激光測距儀極為相似??茖W(xué)家把利用激光脈沖進行探測的稱為脈沖激光雷達,把利用連續(xù)波激光束進行探測的稱為連續(xù)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(tài)(速度、振動和姿態(tài))和形狀,探測、識別、分辨和跟蹤目標。經(jīng)過多年努力,科學(xué)家們已研制出火控激光雷達、偵測激光雷達、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達、靶場測量激光雷達、導(dǎo)航激光雷達等。 

直升機障礙物規(guī)避激光雷達
 

目前,激光雷達在低空飛行直升機障礙物規(guī)避、化學(xué)/生物戰(zhàn)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(yīng)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筑物相撞。為此,研制能規(guī)避地面障礙物的直升機機載雷達是人們夢寐以求的愿望。目前,這種雷達已在美國、德國和法國獲得了成功。   

美國研制的直升機超低空飛行障礙規(guī)避系統(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.奔馳宇航公司研制成功的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(nèi)直徑1厘米粗的電線,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(lián)合研制的吊艙載CLARA激光雷達具有多種功能,采用CO2激光器。不但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、活動目標指示等功能,適用于飛機和直升機。 

化學(xué)戰(zhàn)劑探測激光雷達 

傳統(tǒng)的化學(xué)戰(zhàn)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。   

俄羅斯研制成功的KDKhr―1N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)毒劑攻擊,確定毒劑氣溶膠云的斜距、中心厚度、離地高度、中心角坐標以及毒劑相關(guān)參數(shù),并可通過無線電通道或有線線路向部隊自動控制系統(tǒng)發(fā)出報警信號,比傳統(tǒng)探測前進了一大步。   

德國研制成功的VTB―1型遙測化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器技術(shù)更加先進,它使用兩臺9― 11微米、可在40個頻率上調(diào)節(jié)的連續(xù)波CO2激光器,利用微分吸收光譜學(xué)原理遙測化學(xué)戰(zhàn)劑,既安全又準確。 

機載海洋激光雷達 

傳統(tǒng)的水中目標探測裝置是聲納。根據(jù)聲波的發(fā)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(fā)射和接收設(shè)備,通過發(fā)射大功率窄脈沖激光,探測海面下目標并進行分類,既簡便,精度又高。   

迄今,機載海洋激光雷達已發(fā)展了三代產(chǎn)品。20世紀90年代研制成功的第三代系統(tǒng)以第二代系統(tǒng)為基礎(chǔ),增加了GPS定位和定高功能,系統(tǒng)與自動導(dǎo)航儀接口,實現(xiàn)了航線和高度的自動控制。 

成像激光雷達可水下探物 

美國諾斯羅普公司為美國國防高級研究計劃局研制的ALARMS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,采用卵形掃描方式探測水下可疑目標。   

美國卡曼航天公司研制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。由于成像激光雷達的每個激光脈沖覆蓋面積大,因此其搜索效率遠遠高于非成像激光雷達。另外,成像激光雷達可以顯示水下目標的形狀等特征,更加便于識別目標,這已是成像激光雷達的一大優(yōu)勢。


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