激光雷達(dá)
激光雷達(dá)是一種高精度、高分辨率的測量和探測技術(shù)，在自動駕駛、機器人導(dǎo)航和環(huán)境感知等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。它通過發(fā)射激光束，并利用其在空間中的反射來獲取目標(biāo)物體的位置和形態(tài)信息。激光雷達(dá)在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，特別是在自動駕駛、機器人導(dǎo)航和環(huán)境感知等領(lǐng)域。
激光雷達(dá)（English laser radar），就是發(fā)射激光束來探測目標(biāo)的位置、具有速度和其他特性的雷達(dá)系統(tǒng)。工作原理是向目標(biāo)發(fā)送探測信號（激光束），然后接收從目標(biāo)反射的信號（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號相比，經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚恚梢垣@得目標(biāo)的相關(guān)信息，如目標(biāo)距離等、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀和其他參數(shù)，從而對飛機、探測到導(dǎo)彈等目標(biāo)、跟蹤和識別。它由激光發(fā)射機、光學(xué)接收機、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等激光器將電脈沖轉(zhuǎn)換成光脈沖并發(fā)射出去，光接收器將目標(biāo)反射的光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖并發(fā)送給顯示器。主要優(yōu)點是分辨率高，隱蔽性好、抗有源干擾能力強，低空探測性能好，體積小、質(zhì)量輕等。
歷史發(fā)展 編輯本段
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)。
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 Positioning System、GPS）及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System、INS）的發(fā)展，使精確的即時定位及姿態(tài)確定成為可能。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(chǎn)工具。
2022年7月5日，貴州省首部氣溶膠激光雷達(dá)落戶貴陽，進(jìn)入試運行階段。
定義介紹 編輯本段
LiDAR(Light Detection and Ranging)，是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱，另外也稱Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)。
用激光器作為發(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(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)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。
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(yuǎn)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(dá)采用脈沖或連續(xù)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(dá)。
構(gòu)成原理 編輯本段
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(zhǔn)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(jìn)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(dá)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(zhǔn)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(zhǔn)確地計算出每一個地面光斑的坐標(biāo)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(dá)的工作原理與雷達(dá)非常相近，以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會反射到激光雷達(dá)的接收器上，根據(jù)激光測距原理計算，就得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點的距離，脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。
激光雷達(dá)最基本的工作原理與無線電雷達(dá)沒有區(qū)別，即由雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)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，并計算其變化率而求得速度，這是、也是直接探測型雷達(dá)的基本工作原理。
優(yōu)點缺點 編輯本段
優(yōu)點
與普通微波雷達(dá)相比，激光雷達(dá)由于使用的是激光束，工作頻率較微波高了許多，因此帶來了很多優(yōu)點，主要有：
（1）分辨率高
激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個目標(biāo)(這是微波雷達(dá)無論如何也辦不到的),并可同時跟蹤多個目標(biāo)；距離分辨率可達(dá)0.lm；速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高，意味著可以利用距離——多譜勒成像技術(shù)來獲得目標(biāo)的清晰圖像。分辨率高，是激光雷達(dá)的最顯著的優(yōu)點，其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。
（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(dá)的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠(yuǎn)鏡)口徑很小，可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的激光干擾信號進(jìn)入接收機的概率極低；另外，與微波雷達(dá)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(dá)起干擾作用的信號源不多，因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強，適于工作在日益復(fù)雜和激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中。
（3）低空探測性能好
微波雷達(dá)由于存在各種地物回波的影響，低空存在有一定區(qū)域的盲區(qū)(無法探測的區(qū)域)。而對于激光雷達(dá)來說，只有被照射的目標(biāo)才會產(chǎn)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(dá)強了許多。
（4）體積小、質(zhì)量輕
通常普通微波雷達(dá)的體積龐大，整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記，光天線口徑就達(dá)幾米甚至幾十米。而激光雷達(dá)就要輕便、靈巧得多，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級，整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤，架設(shè)、拆收都很簡便。而且激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對簡單，維修方便，操縱容易，價格也較低。
缺點
首先，工作時受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，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(dá)的作用距離，晴天為10—20km,而壞天氣則降至1 km以內(nèi)。而且，大氣環(huán)流還會使激光光束發(fā)生畸變、抖動，直接影響激光雷達(dá)的測量精度。
其次，由于激光雷達(dá)的波束極窄，在空間搜索目標(biāo)非常困難，直接影響對非合作目標(biāo)的截獲概率和探測效率，只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)，因而激光雷達(dá)較少單獨直接應(yīng)用于戰(zhàn)場進(jìn)行目標(biāo)探測和搜索。
運行分類 編輯本段
激光雷達(dá)按工作方式可分為脈沖激光雷達(dá)和連續(xù)波激光雷達(dá)，根據(jù)探測技術(shù)的不同，可以分為：直接探測型激光雷達(dá)和相干探測型激光雷達(dá)，按應(yīng)用范圍可分為：靶場測量激光雷達(dá)（武器實驗測量）火控激光雷達(dá)（控制射擊武器自動實施瞄準(zhǔn)與發(fā)射）跟蹤識別激光雷達(dá)（制導(dǎo)、偵查、預(yù)警、水下目標(biāo)探測），激光雷達(dá)引導(dǎo)（航天器交匯對接、障礙物回避）、大氣測量激光雷達(dá)（云層高度、大氣能見度、風(fēng)速、大氣中物質(zhì)的成分和含量）。激光雷達(dá)的主要應(yīng)用于跟蹤，成像制導(dǎo)，三維視覺系統(tǒng)，測風(fēng)，大氣環(huán)境監(jiān)測，主動遙感等方向。
主要用途 編輯本段
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。
激光雷達(dá)是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達(dá)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(jìn)行探測的稱為脈沖激光雷達(dá)，把利用連續(xù)波激光束進(jìn)行探測的稱為連續(xù)波激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的作用是能精確測量目標(biāo)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(biāo)。經(jīng)過多年努力，科學(xué)家們已研制出火控激光雷達(dá)、偵測激光雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、靶場測量激光雷達(dá)、導(dǎo)航激光雷達(dá)等。
由于飛行作業(yè)是激光雷達(dá)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(dá)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。
機載海洋 編輯本段
傳統(tǒng)的水中目標(biāo)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(biāo)進(jìn)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(dá)幾十噸重。而激光雷達(dá)是利用機載藍(lán)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(biāo)并進(jìn)行分類，既簡便，精度又高。
迄今，機載海洋激光雷達(dá)已發(fā)展了三代產(chǎn)品。20世紀(jì)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。
自動駕駛 編輯本段
激光雷達(dá)具有高精度、高分辨率的優(yōu)勢，同時具有建立周邊3D模型的前景，然而其劣勢在于對靜止物體如隔離帶的探測較弱且目前技術(shù)落地成本高昂。激光雷達(dá)可廣泛應(yīng)用于ADAS系統(tǒng)，例如自適應(yīng)巡航控制（ACC）、前車碰撞警示（FCW）及自動緊急制動（AEB）。
研發(fā)現(xiàn)狀 編輯本段
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(biāo)。
美國卡曼航天公司研制成功的機載水下成像激光雷達(dá)，最大特點是可對水下目標(biāo)成像。由于成像激光雷達(dá)的每個激光脈沖覆蓋面積大，因此其搜索效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非成像激光雷達(dá)。另外，成像激光雷達(dá)可以顯示水下目標(biāo)的形狀等特征，更加便于識別目標(biāo)，這已是成像激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢。
直升機在進(jìn)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(dá)是人們夢寐以求的愿望。目前，這種雷達(dá)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(dá)更高一籌，它是一種固體1．54微米成像激光雷達(dá)，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(dá)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(dá)具有多種功能，采用CO2激光器。不但能探測標(biāo)桿和電纜之類的障礙，還具有地形跟蹤、目標(biāo)測距和指示、活動目標(biāo)指示等功能，適用于飛機和直升機。
俄羅斯研制成功的KDKhr―1N遠(yuǎn)距離地面激光毒氣報警系統(tǒng)，可以實時地遠(yuǎn)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(biāo)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(jìn)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(jìn)，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(zhǔn)確。
速騰聚創(chuàng)推32線激光雷達(dá)，用于無人駕駛車，RL32垂直角分辨率達(dá)到0.33度，探測距離達(dá)到200米，搭載該產(chǎn)品、時速高達(dá)100km/h的自動駕駛汽車有7秒的時間對環(huán)境作出反應(yīng)，能夠提升自動駕駛的安全性。
研究成果 編輯本段
2022年7月消息，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團隊在相干測風(fēng)激光雷達(dá)方面實現(xiàn)重大突破，首次實現(xiàn)3米和0.1秒的全球最高時空分辨率的高速風(fēng)場觀測。該成果在國際學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)快報》上發(fā)表。
激光雷達(dá)的工作原理十分復(fù)雜，但可以簡單概括為以下幾個步驟：首先，激光雷達(dá)發(fā)射激光束，該激光束會在空間中散射并與目標(biāo)物體相互作用。然后，激光雷達(dá)接收反射光，并通過對其進(jìn)行分析，計算出目標(biāo)物體與激光雷達(dá)的距離、速度和方向等信息。這些信息會被傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)或者計算機中進(jìn)行后續(xù)的處理和決策。
激光雷達(dá)具有高精度、高分辨率和遠(yuǎn)距離探測等優(yōu)點，因此在自動駕駛領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過激光雷達(dá)可以實時感知和檢測道路上的車輛、行人和障礙物等，為自動駕駛車輛提供準(zhǔn)確的環(huán)境信息，幫助其做出正確的決策和行動。同時，激光雷達(dá)還可以幫助車輛進(jìn)行高精度的定位和導(dǎo)航，提供可靠的地圖數(shù)據(jù)用于路徑規(guī)劃和導(dǎo)航。除了自動駕駛，激光雷達(dá)還在機器人導(dǎo)航、環(huán)境感知和三維建模等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。在工業(yè)自動化中，激光雷達(dá)可以幫助機器人檢測和感知周圍環(huán)境，實現(xiàn)自主導(dǎo)航和物體識別。在室內(nèi)導(dǎo)航和智能家居中，激光雷達(dá)可以用于構(gòu)建精確的地圖，并為智能設(shè)備提供定位和導(dǎo)航信息。此外，激光雷達(dá)還在城市規(guī)劃、測繪和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域起到重要的作用，為人們提供準(zhǔn)確的地理數(shù)據(jù)和環(huán)境信息。
激光雷達(dá)也存在一些挑戰(zhàn)和限制。激光雷達(dá)對于惡劣環(huán)境如雨雪天氣的適應(yīng)性不強，可能導(dǎo)致測量誤差和干擾。此外，激光雷達(dá)在長距離探測和高速移動目標(biāo)的應(yīng)用上還存在一定的技術(shù)難題，需要進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。
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