機載激光雷達（Lidar）基礎原理與應用

　　機載激光雷達作為航測服務(wù)行業(yè)常用的手段，大家想必對機載激光雷達有些好奇，飛燕帶大家了解一下機載激光雷達的基礎原理與現在的應用。機載激光雷達是一種可以精確、快速獲取地面或大氣三維空間信息的主動(dòng)探測技術(shù)，應用范圍和發(fā)展前景十分廣闊。以往的傳感器只能獲取目標的空間平面信息，需要通過(guò)同軌、異軌重疊成像等技術(shù)來(lái)獲取三維高程信息，這些方法與LiDAR技術(shù)相比，不但測距精度低，數據處理也比較復雜。正因為如此，LiDAR技術(shù)與成像光譜、合成孔徑雷達一起被列為對地觀(guān)測系統計劃中最核心的信息獲取與處理技術(shù)。機載激光雷達是將激光技術(shù)、高速信息處理技術(shù)、計算機技術(shù)等高新技術(shù)相結合的產(chǎn)物。

　　機載激光雷達的工作原理

　　激光雷達是一種雷達系統，是一種主動(dòng)傳感器，所形成的數據是點(diǎn)云形式。其工作光譜段在紅外到紫外之間，主要發(fā)射機、接收機、測量控制和電源組成。工作原理為：首先向被測目標發(fā)射一束激光，然后測量反射或散射信號到達發(fā)射機的時(shí)間、信號強弱程度和頻率變化等參數，從而確定被測目標的距離、運動(dòng)速度以及方位。除此之外，還可以測出大氣中肉眼看不到的微粒的動(dòng)態(tài)等情況。激光雷達的作用就是精確測量目標的位置(距離與角度)、形狀(大小)及狀態(tài)(速度、姿態(tài))，從而達到探測、識別、跟蹤目標的目的。

　　機載激光雷達的現狀及應用

　　激光技術(shù)從它的問(wèn)世到現在，雖然時(shí)間不長(cháng)，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等幾個(gè)極有價(jià)值的特點(diǎn)，因而在國防軍事、工農業(yè)生產(chǎn)、醫學(xué)衛生和科學(xué)研究等方面都有廣泛的應用。LiDAR技術(shù)在西方國家發(fā)展相對成熟，已經(jīng)投入商業(yè)運行的激光雷達系統(主要指機載)主要有Optech(加拿大)、TopSys(法國)和Leica(美國)等公司的產(chǎn)品。

　　1. 軍事方面的應用

　　目前，在水雷探測激光雷達、化學(xué)試劑探測激光雷達、大氣監測激光雷達、生化陸戰激光雷達等方面已經(jīng)有了很大的成就。另外，中國的攻擊激光雷達已經(jīng)相當的先進(jìn)，包含著(zhù)世界最尖端的五大核心技術(shù)：激光材料研究的突破、激光輻射材料物理機理及成像圖譜研究的突破、一次性快速跟蹤定位控制技術(shù)的突破、高密度能量可逆轉換載體材料的突破、激光成像技術(shù)的突破。

　　2. 測風(fēng)方面的應用

　　多普勒測風(fēng)激光雷達具有高分辨率、高精度、大探測范圍、能提供晴空條件下三維風(fēng)場(chǎng)信息的能力。多普勒測風(fēng)激光雷達利用光的多普勒效應，測量激光光束在大氣中傳輸及其回波信號的多普勒頻移來(lái)反演空間風(fēng)速分布。主要有相干(外差)探測和非相干(直接)探測兩種方式。

　　3. 氣象方面的應用

　　我國已經(jīng)建立12個(gè)沙塵暴長(cháng)期觀(guān)測站，首次形成全國性的沙塵暴監測網(wǎng)絡(luò )?？梢酝ㄟ^(guò)先進(jìn)的觀(guān)測、模擬和衛星遙感的聯(lián)合研究，查明中國沙塵暴發(fā)生的確切源地，科學(xué)地分辨氣象、氣候條件變化等自然因素和沙漠化土地增加等人為因素對沙塵暴的影響，為準確預警、預報沙塵暴，制定全面高效的防治計劃提供科學(xué)依據。

　　4. 醫學(xué)方面的應用

　　美國能源部所屬的Oak Ridge國家實(shí)驗室開(kāi)發(fā)出一種集成了激光和雷達系統的系統，這種系統可以減輕燒傷病人的痛苦。研究人員希望這種同頻連續波激光雷達映射系統，可以從病人身體上去除壞死的皮膚和肌肉。這種新系統可以對燒傷病人的體表組織進(jìn)行三維的激光雷達定位探測，以確定損害程度。利用探測定位結果，激光可以自動(dòng)除去壞死的組織以利于新組織生長(cháng)。

　　5. 水土保持監測中的應用

　　目前，全國由于建設開(kāi)發(fā)的影響，給水土流失治理帶來(lái)很大的難度，據調查，全國每年由于開(kāi)發(fā)建設使水土流失面積達到1.00×104平方千米由以上。由于激光雷達在測量精度上比傳統方法測量結果要精細許多，更真實(shí)、可信;而且，可詳細反映所測場(chǎng)地的形態(tài)，輕松實(shí)現三維建模，從而真正實(shí)現了非接觸式測量，大大減少了外業(yè)工作量，降低了外業(yè)危險;并且可對開(kāi)挖邊坡、崩崗、山體滑坡等許多形式的水土流失進(jìn)行測量，使傳統水土保持走上“精耕細作”之路。

　　機載激光雷達的未來(lái)發(fā)展趨勢

　　1. 星載激光雷達

　　星載LiDAR以衛星作為平臺，其運行軌道高、觀(guān)測范圍廣、觀(guān)測速度快，受地面背景、天空背景影響小，具有高分辨率、高靈敏度的特點(diǎn)，幾乎可以觸及世界的每一個(gè)角落，為三維控制點(diǎn)和數字地面模型(DEM)的獲取提供了新的途徑，在國防或是科學(xué)研究等領(lǐng)域都具有十分重大的應用價(jià)值和研究意義。

　　星載LiDAR還具有觀(guān)察整個(gè)天體的能力，實(shí)現天體測繪、全球信息采集、全球環(huán)境監測、農業(yè)林業(yè)資源調查、大氣結構成分測量等。此外，星載LiDAR在植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現象監測等方面也可以發(fā)揮重要作用。

　　目前，國際上發(fā)展的星載激光雷達有：美國的NASA/LaRC星載差分吸收雷達、月球觀(guān)測Clementine系統、火星勘探者的MOLA-2系統、觀(guān)測空間小行星的NRL系統、地球觀(guān)測的GLAS系統、后向散射雷達ATLID。研究和解決星載Li-DAR的關(guān)鍵技術(shù)，建立起自己的星載LiDAR系統，將會(huì )是我國激光雷達的重要的發(fā)展方向。

　　2. 戰場(chǎng)偵察激光雷達

　　激光雷達有可能成為重要的偵察工具和手段。美國雷西昂公司正在試驗使用GaAA激光行掃描傳感器制造ILR100成像激光雷達，此設備可以安裝在商性能飛機和無(wú)人機上，在120-460米的高空執行偵查任務(wù)。偵查的影像可實(shí)時(shí)地傳送到飛機上的陰極射線(xiàn)管顯示器上或通過(guò)數據鏈路直接發(fā)送至地面接受站。

　　3. 測風(fēng)激光雷達

　　測定風(fēng)速對研究氣候變化、提高天氣預報的精度、監測機場(chǎng)氣流、優(yōu)化飛機航線(xiàn)以及在軍事、火箭發(fā)射等方面具有非常重要的意義。目前來(lái)看，2μm左右的全固化相干激光雷達及發(fā)射在紫外波段的非相干激光雷達將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

　　4. 激光雷達尋的器

　　激光雷達可以提供以距離和強度為基礎的高分辨率影像，使空地武器具有自主精確制導能力。激光雷達尋的器能形成目標的三維影像，確保準確地識別目標。目前，美國空軍賴(lài)特實(shí)驗室與海軍聯(lián)合開(kāi)展了一項基于固態(tài)激光雷達演示計劃，目的就是完成激光雷達尋的器和自主式捕獲目標。激光雷達尋的器將會(huì )安裝在A(yíng)GM-130、聯(lián)合空地遠程導彈上，以提高自主制導的能力和打擊精度。

　　結論

　　由于機載激光雷達是一種代價(jià)小、效果好、使用范圍廣的遙感手段，相信將來(lái)會(huì )應用得更為廣泛。特別是“嫦娥一號”奔月以來(lái)，對我國發(fā)展星載激光雷達是個(gè)巨大促進(jìn)。當然如果想要對于機載激光雷達想要詳細了解，可以聯(lián)系我們飛燕，我們飛燕航空遙感技術(shù)有限公司配備了兩臺國際上最先進(jìn)的 RIEGL VQ-1560i 機載激光雷達測量系統。機載激光雷達RIEGL VQ-1560i 的最大激光發(fā)射頻率高達200萬(wàn)赫茲，有效地面測量速度達1,330,000點(diǎn)/秒，最高可在4700米的海拔處作業(yè)。該系統能夠在不同高度進(jìn)行飛行作業(yè)獲取大范圍高密度點(diǎn)云。因此特別合適對超大面積區域和復雜城市環(huán)境進(jìn)行空中測繪。此外用戶(hù)能在復雜地形做出有效的飛行計劃，提高飛行效率，并保證飛行安全。