【儀商網(wǎng)-儀器儀表知識】激光雷達，是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測信號(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號進行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)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(biāo)進行探測、跟蹤和識別。

激光雷達的種類是按照什么劃分的？

　　根據(jù)方向劃分：

　　激光雷達的方向可以是最低點、天頂或側(cè)面。例如，激光雷達高度計往下看，大氣激光雷達往上看，而基于激光雷達的防撞系統(tǒng)要往側(cè)面看。

　　根據(jù)平臺劃分：

激光雷達應(yīng)用可分為機載和地面兩種類型。這兩種類型需要根據(jù)數(shù)據(jù)用途、要捕獲的區(qū)域大小、所需測量范圍、設(shè)備成本等不同要求，使用不同規(guī)格的激光掃描儀。星載平臺也是可能的，可以參考衛(wèi)星激光測高。

激光雷達種類：

　　機載激光雷達

　　機載激光雷達（也稱機載激光掃描）是一種激光掃描儀，在飛行過程中連接到飛機上，創(chuàng)建一個3D點云地形模型。這是目前替代數(shù)字?jǐn)z影測量法的最詳細(xì)和準(zhǔn)確的創(chuàng)建數(shù)字高程模型的方法。與攝影測量法相比，機載激光雷達的一個主要優(yōu)勢是能夠從點云模型中濾除植被反射，從而創(chuàng)建一個數(shù)字地形模型，該模型表示被樹木掩蔽的地表，如河流、道路、文化遺產(chǎn)地等。在機載激光雷達的范疇內(nèi)，有時會在高海拔和低海拔應(yīng)用之間進行區(qū)分，但主要區(qū)別是在較高海拔下獲取的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和點密度都降低了。機載激光雷達還可用于在淺水中創(chuàng)建測深模型。  

　　機載激光雷達的主要組成部分包括數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字表面模型（DSM）。點和地面點是離散點的矢量，而DEM和DSM是離散點的插值柵格網(wǎng)格，這個過程還包括拍攝數(shù)字航空照片。為了解釋深層滑坡，例如，在植被覆蓋下，使用陡坎、張力裂縫或傾斜樹木的變化，可以使用機載激光雷達。機載激光雷達數(shù)字高程模型可以穿透森林覆蓋層，對陡坎、侵蝕和電線桿傾斜進行詳細(xì)測量。  

　　機載激光雷達數(shù)據(jù)處理使用的工具箱稱為激光雷達數(shù)據(jù)過濾和森林研究工具箱（TIFF），可用于激光雷達數(shù)據(jù)過濾和地形研究軟件，使用該軟件將數(shù)據(jù)插值到數(shù)字地形模型。激光指向要繪制地圖的區(qū)域，通過從相應(yīng)的數(shù)字地形模型高程中減去原始z坐標(biāo)，計算出每個點的離地高度?；诖穗x地高度，可獲得非植被數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可能包括諸如建筑物、電線、飛鳥、昆蟲等之類的對象。其余點作為植被處理，用于建模和制圖。在這些圖中，激光雷達的指標(biāo)是通過計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、百分位數(shù)、二次平均值等統(tǒng)計數(shù)據(jù)來計算的。  

　　機載激光雷達測深儀

　　機載激光雷達測深技術(shù)系統(tǒng)包括測量信號從信號源到返回傳感器的飛行時間。數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括一個海底測繪組件、一個視頻橫斷面和一個采樣的地面真實度組件。它使用綠色光譜（532nm）的激光束工作。兩束激光投射到快速旋轉(zhuǎn)的反射上，形成一個點陣列。其中一根光束穿透水，并在有利條件下探測水的底面。

　　所獲得的數(shù)據(jù)顯示了暴露在海底之上的陸地表面的全部范圍。該技術(shù)非常有用，因為它將在主要的海床制圖程序中發(fā)揮重要作用。該地圖測繪出了陸地地形和水下高程。海底反射成像是該系統(tǒng)的另一種解決方案產(chǎn)品，有利于繪制海底生境圖，這項技術(shù)已用于使用水文激光雷達對加利福尼亞水域進行三維圖像制圖。

　　無人機現(xiàn)在正與激光掃描儀以及其他遙感器一起使用，作為掃描較小區(qū)域的一種更經(jīng)濟的方法。無人機遙感的可能性還消除了載人飛機機組人員在困難地形或偏遠(yuǎn)地區(qū)可能遭受的任何危險。

　　地面激光雷達

　　激光雷達的地面應(yīng)用（也包括地面激光掃描）發(fā)生在地球表面，可以是靜止的，也可以是移動的。靜止地面掃描作為一種測量方法最為常見，例如在傳統(tǒng)的地形、監(jiān)測、文化遺產(chǎn)文獻和法醫(yī)學(xué)中。從這些類型的掃描儀獲取的3D點云可以與從掃描儀位置獲取的掃描區(qū)域的數(shù)字圖像相匹配，以創(chuàng)建逼真的3D效果，與其他技術(shù)相比，能在相對較短的時間內(nèi)建立模型。點云中的每個點都被賦予了像素的顏色，該像素來自于與創(chuàng)建該點的激光束處于相同角度的圖像。

　　移動激光雷達（也稱為移動激光掃描）是指將兩個或多個掃描儀連接到移動的車輛上，沿路徑收集數(shù)據(jù)。這些掃描儀幾乎總是與其他類型的設(shè)備配對，包括GNSS接收器和IMU。一個示例應(yīng)用是測量街道，其中需要考慮電力線、準(zhǔn)確的橋梁高度、邊界樹木等。與使用測速儀在野外單獨收集這些測量數(shù)據(jù)不同，可以從點云創(chuàng)建一個三維模型，根據(jù)所收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在該模型中可以進行所需的所有測量。這就消除了忘記進行測量的問題，只要模型可用、可靠并且具有適當(dāng)?shù)木人健?/span>

　　地面激光雷達制圖涉及一個占用柵格地圖的生成過程。這個過程包括一個劃分成網(wǎng)格的單元陣列，當(dāng)激光雷達數(shù)據(jù)落入相應(yīng)的網(wǎng)格單元時，網(wǎng)格采用一個存儲高度值的過程。然后，通過對單元值應(yīng)用特定閾值來創(chuàng)建二進制映射，以便進一步處理。下一步是處理每次掃描的徑向距離和z坐標(biāo)，以確定哪些3D點對應(yīng)于每個指定的網(wǎng)格單元，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)形成過程。

激光雷達系統(tǒng)組成

　　一個基本的激光雷達系統(tǒng)包括一個由旋轉(zhuǎn)鏡反射的激光測距儀（頂部），激光在被數(shù)字化的一維或二維場景周圍被掃描（中間），以指定的角度間隔收集距離測量值（底部）。

　　激光雷達系統(tǒng)由以下幾個主要組件組成。

　　一 激光

　　600-1000nm激光最常見于非科學(xué)應(yīng)用。激光的最大功率是有限的，或者使用自動關(guān)閉系統(tǒng)在特定的高度關(guān)閉激光，以確保工作人員的安全。

　　1550 nm激光是一種常見的替代方法，在相對較高的功率水平下對人眼安全，因為該波長不會被眼睛強烈吸收，但是檢測器技術(shù)的發(fā)展不太先進，因此這些波長通常以較低的精度在較長的范圍內(nèi)使用。它們也用于軍事應(yīng)用，因為在夜視鏡中看不到1550 nm ，這與較短的1000 nm紅外激光不同。

　　機載地形測繪激光雷達通常使用1064nm二極管泵浦的YAG激光器，而測深（水下深度研究）系統(tǒng)通常使用532 nm倍頻二極管泵浦的YAG激光器，因為532 nm穿透水的衰減比1064 nm 小得多。激光設(shè)置包括激光重復(fù)頻率（控制數(shù)據(jù)收集速度）。脈沖長度通常是激光腔長度、通過增益材料（YAG、YLF等）所需的通過次數(shù)以及Q開關(guān)（脈沖）速度的一個屬性。如果激光雷達接收器檢測器和電子設(shè)備具有足夠的帶寬，則可以使用較短的脈沖獲得更好的目標(biāo)分辨率。

　　二 Flash激光雷達

　　Flash（閃光）激光雷達相機的焦平面具有像素行和列，這些像素具有足夠的“深度”和“強度”以創(chuàng)建3D景觀模型。每個像素記錄每個激光脈沖擊中目標(biāo)并返回到傳感器所需的時間，以及被激光脈沖接觸的物體的深度、位置和反射強度。閃光燈使用單一光源，該單一光源以單一脈沖照明視場，就像照相機拍的是距離，而不是顏色。

　　機載光源使Flash激光雷達成為一個主動傳感器。通過嵌入式算法處理返回的信號，以生成傳感器視場內(nèi)物體和地形特征的近乎即時的3D渲染。激光脈沖重復(fù)頻率足以生成具有高分辨率和準(zhǔn)確性的3D視頻。傳感器的高幀速率使其成為各種應(yīng)用程序的有用工具，這些應(yīng)用程序受益于實時可視化，例如高精度的遠(yuǎn)程著陸操作。通過立即返回目標(biāo)景觀的3D高程網(wǎng)格，Flash傳感器可用于識別自主航天器著陸場景中中的最佳著陸區(qū)域。

　　三 相控陣

　　相控陣可以通過使用單個天線的微觀陣列照亮任何方向。通過控制每個天線的定時（相位），可以將一個內(nèi)聚信號導(dǎo)向一個特定的方向。

　　自1950年代以來，相控陣已用于雷達，同樣的技術(shù)也可以用于光。大約一百萬個光學(xué)天線用于在特定方向上觀察特定尺寸的輻射圖，該系統(tǒng)由精確閃光定時控制，單個芯片（或幾個）取代了價值75000美元的機電系統(tǒng)，從而大大降低了成本。

　　有幾家公司正在開發(fā)商用固態(tài)激光雷達裝置，其中包括正在設(shè)計905 nm固態(tài)器件的Quanergy公司，盡管它們似乎在開發(fā)中遇到一些問題。

　　控制系統(tǒng)可以改變鏡頭的形狀以啟用放大/縮小功能，特定的分區(qū)可以以亞秒間隔為目標(biāo)。

　　機電激光雷達能持續(xù)1000至2000小時，相比之下，固態(tài)激光雷達可以運行100000小時。

　　四 微機電設(shè)備

　　微機電系統(tǒng)（MEMS）并非全固態(tài)。然而，它們微小的外形提供了許多相同的成本優(yōu)勢。單個激光被指向單個反射鏡上，鏡子快速旋轉(zhuǎn)，該反射鏡可以重新定向以查看目標(biāo)場的任何部分。然而，MEMS系統(tǒng)通常在單個平面（從左到右）中工作。要添加第二個維度，通常需要上下移動第二個鏡像或者，另一個激光可以從另一個角度擊中同一反射鏡。MEMS系統(tǒng)可能受到?jīng)_擊/振動的干擾，可能需要重復(fù)校準(zhǔn)。我們的目標(biāo)是創(chuàng)造一個小型微芯片，以加強創(chuàng)新和進一步的技術(shù)進步。

　　五 掃描儀和光學(xué)元件

　　圖像顯影速度受其掃描速度的影響，掃描方位角和仰角的選項包括雙振蕩平面鏡、多角鏡和雙軸掃描儀的組合。光學(xué)選擇會影響角度分辨率和可以檢測到的范圍，可以選擇使用孔鏡或分束器來收集返回信號。

　　六 定位和導(dǎo)航系統(tǒng)

　　安裝在飛機或衛(wèi)星等移動平臺上的激光雷達傳感器需要儀器來確定傳感器的絕對位置和方向，這樣的設(shè)備通常包括全球定位系統(tǒng)接收器和慣性測量單元（IMU）。

　　七 傳感器

　　激光雷達使用有源傳感器提供自己的光源，能源撞擊物體，反射的能量由傳感器檢測和測量。通過記錄發(fā)射脈沖和反向散射脈沖之間的時間并使用光速計算行進距離，可以確定到物體的距離。因為相機能夠發(fā)射更大的閃光燈并利用返回的能量來感測感興趣區(qū)域的空間關(guān)系和尺寸，因此Flash激光雷達可以進行3D成像。由于不需要將捕獲的幀縫合在一起，并且系統(tǒng)對平臺運動不敏感，失真較小，因此可以實現(xiàn)更精確的成像。

　　使用掃描和非掃描系統(tǒng)均可實現(xiàn)3D成像。“ 3D門控觀測激光雷達”是一種非掃描激光測距系統(tǒng)，可應(yīng)用脈沖激光和快速門控攝像頭。目前，使用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)進行虛擬光束轉(zhuǎn)向的研究已經(jīng)開始。

　　激光雷達成像也可以使用高速探測器陣列和調(diào)制敏感探測器陣列，通常使用互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）和混合CMOS /電荷耦合器件（CCD）制造技術(shù)在單芯片上構(gòu)建。在這些設(shè)備中，每個像素執(zhí)行某些本地處理，例如高速解調(diào)或門控，將信號向下轉(zhuǎn)換為視頻速率，以便陣列可以像照相機一樣讀取。使用這項技術(shù)，可以同時獲得數(shù)千個像素/通道。高分辨率3-D激光雷達相機通過電子CCD或CMOS 快門使用零差檢測。

　　相干成像激光雷達使用合成陣列外差檢測來使凝視的單元素接收器像成像陣列一樣工作。

　　2014年，林肯實驗室宣布推出一款新的成像芯片，其像素超過16384像素，每一個像素都能成像一個光子，使它們能夠在一幅圖像中捕捉到廣闊的區(qū)域。2010年1月海地地震后，美國軍方就采用了像素技術(shù)數(shù)量的四分之一的較早技術(shù)，一架商務(wù)飛機在太子港上空3000米（10,000英尺）一次通行證就能夠以30厘米（12英寸）的分辨率捕獲城市600米平方的瞬時快照。林肯系統(tǒng)的速度要快10倍，該芯片使用銦鎵砷化物（InGaAs），它在紅外光譜中以相對較長的波長工作，允許更高的功率和更長的范圍。在許多應(yīng)用中，如自動駕駛汽車，新系統(tǒng)將降低成本，不需要機械部件來瞄準(zhǔn)芯片。InGaAs使用的危險波長比在可見波長下工作的傳統(tǒng)硅探測器要小。