激光雷達
激光雷達是一種高精度、高分辨率的測量和探測技術，在自動駕駛、機器人導航和環(huán)境感知等領域具有廣泛應用前景。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物體的位置和形態(tài)信息。激光雷達在多個領域都有廣泛的應用，特別是在自動駕駛、機器人導航和環(huán)境感知等領域。
激光雷達（English laser radar），就是發(fā)射激光束來探測目標的位置、具有速度和其他特性的雷達系統(tǒng)。工作原理是向目標發(fā)送探測信號（激光束），然后接收從目標反射的信號（目標回波）與發(fā)射信號相比，經過適當的處理，可以獲得目標的相關信息，如目標距離等、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀和其他參數，從而對飛機、探測到導彈等目標、跟蹤和識別。它由激光發(fā)射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統(tǒng)等激光器將電脈沖轉換成光脈沖并發(fā)射出去，光接收器將目標反射的光脈沖轉換成電脈沖并發(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、質量輕等。
歷史發(fā)展
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，使得從二維像片可以獲取地面三維數據(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據最精確和最可靠的技術，是國家基本比例尺地形圖測繪的重要技術。
隨著科學技術的發(fā)展和計算機及高新技術的廣泛應用，數字立體攝影測量也逐漸發(fā)展和成熟起來，并且相應的軟件和數字立體攝影測量工作站已在生產部門普及。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。這種生產模式的周期太長，以致于不適應當前信息社會的需要，也不能滿足“數字地球”對測繪的要求。
LIDAR測繪技術空載激光掃瞄技術的發(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大學于1988到1993年間將激光掃描技術與即時定位定姿系統(tǒng)結合，形成空載激光掃描儀（Ackermann-19）。之后，空載激光掃瞄儀隨即發(fā)展相當快速，約從1995年開始商業(yè)化，目前已有10多家廠商生產空載激光掃瞄儀，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，測出地表及樹頂的高度模型。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生產工具。
2022年7月5日，貴州省首部氣溶膠激光雷達落戶貴陽，進入試運行階段。
定義介紹
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，采用光電探測技術手段的主
動遙感設備。
激光雷達
激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息處理等部分組成。
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、半導體激光器及波長可調諧的固體激光器以及光學擴束單元等組成；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。
構成原理
LIDAR是一種集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導航系統(tǒng)(INS)三種技術與一身的系統(tǒng)，用于獲得數據并生成精確的DEM。這三種技術的結合，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字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經成熟應用的用于獲得水下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）獲得高精度的數據已經成為可能并被廣泛應用。
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，傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度，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坐標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。
激光雷達的工作原理與雷達非常相近，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的接收器上，根據激光測距原理計算，就得到從激光雷達到目標點的距離，脈沖激光不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數據，用此數據進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。
激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區(qū)別，即由雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經目標反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，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的基本工作原理。
優(yōu)點缺點
優(yōu)點
與普通微波雷達相比，激光雷達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(這是微波雷達無論如何也辦不到的),并可同時跟蹤多個目標；距離分辨率可達0.lm；速度分辨率能達到10m/s以內。距離和速度分辨率高，意味著可以利用距離——多譜勒成像技術來獲得目標的清晰圖像。分辨率高，是激光雷達的最顯著的優(yōu)點，其多數應用都是基于此。
（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，且激光雷達的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠鏡)口徑很小，可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的激光干擾信號進入接收機的概率極低；另外，與微波雷達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起干擾作用的信號源不多，因此激光雷達抗有源干擾的能力很強，適于工作在日益復雜和激烈的信息戰(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)。而對于激光雷達來說，只有被照射的目標才會產生反射，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強了許多。
（4）體積小、質量輕
通常普通微波雷達的體積龐大，整套系統(tǒng)質量數以噸記，光天線口徑就達幾米甚至幾十米。而激光雷達就要輕便、靈巧得多，發(fā)射望遠鏡的口徑一般只有厘米級，整套系統(tǒng)的質量最小的只有幾十公斤，架設、拆收都很簡便。而且激光雷達的結構相對簡單，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。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激光雷達的作用距離，晴天為10—20km,而壞天氣則降至1 km以內。而且，大氣環(huán)流還會使激光光束發(fā)生畸變、抖動，直接影響激光雷達的測量精度。
其次，由于激光雷達的波束極窄，在空間搜索目標非常困難，直接影響對非合作目標的截獲概率和探測效率，只能在較小的范圍內搜索、捕獲目標，因而激光雷達較少單獨直接應用于戰(zhàn)場進行目標探測和搜索。
運行分類
激光雷達按工作方式可分為脈沖激光雷達和連續(xù)波激光雷達，根據探測技術的不同，可以分為：直接探測型激光雷達和相干探測型激光雷達，按應用范圍可分為：靶場測量激光雷達（武器實驗測量）火控激光雷達（控制射擊武器自動實施瞄準與發(fā)射）跟蹤識別激光雷達（制導、偵查、預警、水下目標探測），激光雷達引導（航天器交匯對接、障礙物回避）、大氣測量激光雷達（云層高度、大氣能見度、風速、大氣中物質的成分和含量）。激光雷達的主要應用于跟蹤，成像制導，三維視覺系統(tǒng)，測風，大氣環(huán)境監(jiān)測，主動遙感等方向。
主要用途
激光掃描方法不僅是軍內獲取三維地理信息的主要途徑，而且通過該途徑獲取的數據成果也被廣泛應用于資源勘探、城市規(guī)劃、農業(yè)開發(fā)、水利工程、土地利用、環(huán)境監(jiān)測、交通通訊、防震減災及國家重點建設項目等方面，為國民經濟、社會發(fā)展和科學研究提供了極為重要的原始資料，并取得了顯著的經濟效益，展示出良好的應用前景。低機載LIDAR地面三維數據獲取方法與傳統(tǒng)的測量方法相比，具有生產數據外業(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、高精度的數字高程數據或數字表面數據，機載LIDAR技術正好滿足這個需求，因而它成為各種測量應用中深受歡迎的一個高新技術。
快速獲取高精度的數字高程數據或數字表面數據是機載LIDAR技術在許多領域的廣泛應用的前提，因此，開展機載LIDAR數據精度的研究具有非常重要的理論價值和現實意義。在這一背景下，國內外學者對提高機載LIDAR數據精度做了大量研究。
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)，其原理和構造與激光測距儀極為相似?？茖W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。經過多年努力，科學家們已研制出火控激光雷達、偵測激光雷達、導彈制導激光雷達、靶場測量激光雷達、導航激光雷達等。
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)內業(yè)數據處理提供直接起算數據。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為最小。因此，通過研究機載激光雷達作業(yè)流程，優(yōu)化設計作業(yè)方案來提高數據質量，是非常有意義的。
機載海洋
傳統(tǒng)的水中目標探測裝置是聲納。根據聲波的發(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，增加了GPS定位和定高功能，系統(tǒng)與自動導航儀接口，實現了航線和高度的自動控制。
自動駕駛
激光雷達具有高精度、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落地成本高昂。激光雷達可廣泛應用于ADAS系統(tǒng)，例如自適應巡航控制（ACC）、前車碰撞警示（FCW）及自動緊急制動（AEB）。
研發(fā)現狀
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。
目前，激光雷達在低空飛行直升機障礙物規(guī)避、化學/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。
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參數，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型遙測化學戰(zhàn)劑傳感器技術更加先進，它使用兩臺9― 11微米、可在40個頻率上調節(jié)的連續(xù)波CO2激光器，利用微分吸收光譜學原理遙測化學戰(zhàn)劑，既安全又準確。
速騰聚創(chuàng)推32線激光雷達，用于無人駕駛車，RL32垂直角分辨率達到0.33度，探測距離達到200米，搭載該產品、時速高達100km/h的自動駕駛汽車有7秒的時間對環(huán)境作出反應，能夠提升自動駕駛的安全性。
研究成果
2022年7月消息，中國科學技術大學科研團隊在相干測風激光雷達方面實現重大突破，首次實現3米和0.1秒的全球最高時空分辨率的高速風場觀測。該成果在國際學術期刊《光學快報》上發(fā)表。
激光雷達的工作原理十分復雜，但可以簡單概括為以下幾個步驟：首先，激光雷達發(fā)射激光束，該激光束會在空間中散射并與目標物體相互作用。然后，激光雷達接收反射光，并通過對其進行分析，計算出目標物體與激光雷達的距離、速度和方向等信息。這些信息會被傳輸到控制系統(tǒng)或者計算機中進行后續(xù)的處理和決策。
激光雷達具有高精度、高分辨率和遠距離探測等優(yōu)點，因此在自動駕駛領域得到廣泛應用。通過激光雷達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，激光雷達還可以幫助車輛進行高精度的定位和導航，提供可靠的地圖數據用于路徑規(guī)劃和導航。除了自動駕駛，激光雷達還在機器人導航、環(huán)境感知和三維建模等領域發(fā)揮著重要的作用。在工業(yè)自動化中，激光雷達可以幫助機器人檢測和感知周圍環(huán)境，實現自主導航和物體識別。在室內導航和智能家居中，激光雷達可以用于構建精確的地圖，并為智能設備提供定位和導航信息。此外，激光雷達還在城市規(guī)劃、測繪和地質勘探等領域起到重要的作用，為人們提供準確的地理數據和環(huán)境信息。
激光雷達也存在一些挑戰(zhàn)和限制。激光雷達對于惡劣環(huán)境如雨雪天氣的適應性不強，可能導致測量誤差和干擾。此外，激光雷達在長距離探測和高速移動目標的應用上還存在一定的技術難題，需要進一步的改進和優(yōu)化。