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LIDAR 激光雷达技术 概念 雷达 RADAR RadioDetectionAndRanging 传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达 大约出现1935年左右 最早公开报道提出激光雷达的概念是 1967年美国国际电话和电报公司提出的 主要用于航天飞行器交会对接 并研制出原理样机 1978年美国国家航天局马歇尔航天中心研制成CO2相干激光雷达 概念 激光雷达 LADAR LaserDetectionAndRanging 是以激光作为载波的雷达 以光电探测器为接收器件 以光学望远镜为天线的雷达 早期 人们还叫过光雷达 LIDAR LightDetectionAndRanging 这里所谓的光实际上是指激光 现在 普遍采用LADAR这个术语 以区别于原始而低级的LIDAR 以后世界上陆续提出并实现 激光多普勒雷达 激光测风雷达 激光成像雷达 激光差分吸收雷达 拉曼散射激光雷达 微脉冲 概念 概念 激光LIDAR与微波LIDAR的异同 激光雷达是以激光器为辐射源的雷达 它是在微波雷达技术基础上发展起来的 两者在工作原理和结构上有许多相似之处工作频率由无线电频段改变成了光频段雷达具体结构 目标和背景特性上发生了变化 微波天线由光学望远镜代替 接收通道中微波雷达可以直接用射频器件对接收信号进行放大 混频和检波等处理 激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成电信号后进行处理 信号处理 激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术 分类 按不同信号形式 脉冲 连续波 每一类中又有不同的信号波形 按不同探测方式 直接探测 能量探测 相干探测 外差探测 分类 按不同功能 跟踪雷达 测距和测角 测速雷达 测量多普勒信息 动目标指示雷达 目标的多普勒信息 成像雷达 测量目标不同部位的反射强度和距离等信号 同差分吸收雷达 目标介质对特定频率光的吸收强度 等 分类 地面三维激光扫描技术 它将激光扫描仪直接与数码相机 GPS相结合 对目标物进行扫描成像 获取激光反射回波数据和目标表面影像 并在软件支持下构建三维数字模型和纹理的精确贴加 从而达到目标物快速 有效 精确的三维立体建模 分类 分类 机载激光雷达扫描技术 该系统由激光测高仪 GPS定位装置 IMU 惯性制导仪 和高分辨率数码照相机组成 实现对目标物的同步测量 测量数据通过特定方程解算处理 生成高密度的三维激光点云数值 为地形信息的提取提供精确的数据源 分类 Businesstemplate 原理 组成 激光器激光器是激光雷达的核心器件 激光器种类很多 性能各异 究竟选择哪种激光器作为雷达辐射源 往往要对各种因素加以综合考虑 其中包括 波长 大气传输特性 功率 信号形式 功率要求 平台限制 体积 重量和功耗 对人眼安全程度 可靠性 成本和技术成熟程度等 从目前实际应用来看 Nd YAG固体激光器 CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器 光纤激光器等最具有代表性 Businesstemplate 原理 光电探测器适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电二极管 硅雪崩二极管 SiAPD 光电导型碲镉汞 HgCdTe 探测器和光伏碲镉汞探测器 光学天线透射式望远镜 开普勒 伽利略 反射式望远镜 牛顿式 卡塞哥伦 收发合置光学天线收发分置光学天线自由空间光路全光纤光路下波片 四分之一 二分之一 分束镜 合束镜 布鲁斯特窗片 Businesstemplate 原理 光学扫描器多面体扫描器 利用多面体 6 12面 的转动来扫描 优点是扫描线性好 精度高 缺点是体积大 价格高 检流计式振镜扫描器 扫描角 15 声子偏转器 利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描 声光偏转器的扫描角不大 一般在 3 左右压电扫描器 利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器全息光栅扫描器光学相位扫描MEMS扫描器 结合GPS得到的激光器位置坐标信息 INS得到的激光方向信息 可以准确地计算出每一个激光点的大地坐标X Y Z 大量的激光点聚集成激光点云 组成点云图像 原理 方向性好 单色性好 相干性好 激光 激光器到反射物体的距离 d 光速 c 时间 t 2 测高原理 Businesstemplate 原理 激光束发射的频率能从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲 接收器将会在一分钟内记录六十万个点 很多LADAR系统还能记录同一脉冲的多次反射 激光束可能先打在树冠的顶端 其中的一部继续向下打在更多的树叶上 有些甚至打在地面上被返回 这样就会有一组多次返回的具有X Y Z坐标的点记录 并分层表示 利用这个特点 我们可以通过分类和滤波处理 获取地面高程 以及树高及建筑物的高度等信息 Businesstemplate 原理 Businesstemplate 原理 优点 工作频率非常高 较微波高3 4个数量级 激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒频率非常高 因而速度分辨率极高 工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外 有利于对抗电子干扰和反隐身 有效的绝对带宽很宽 能产生极窄的脉冲 纳秒至飞秒量级 以实现高精度 可达厘米量级 测距 能量高度集中 用很小的准直孔径 10cm左右 即可获得很高的天线增益和极窄的波束 1mrad左右 而且无旁瓣 因而可实现高精度测角 优于0 1mrad 单站定位 低仰角跟踪和高分辨率三维成像 且不易被敌方截获 自身隐蔽性强 单色性和相干性好 气体激光器的谱线宽度可达10 3 10 4nm 而且频率稳定度能做得很高 可实现高灵敏度外差接收 LIDAR在测绘中的应用 应用 激光雷达的应用 1 跟踪2 成像制导3 三维视觉系统4 测风5 大气环境监测6 主动遥感 LIDAR在测绘中的应用 应用 激光雷达的应用前景 1 侦察用成像激光雷达2 障碍回避激光雷达3 大气监测激光雷达4 制导激光雷达5 化学 生物战剂探测激光雷达6 水下探测激光7 空间监视激光雷达8 机器人三三维视觉系统9 其他军用激光雷达1 弹道导弹防御激光雷达2 靶场测量激光雷达3 振动遥测激光雷达4 多光谱激光雷达 LIDAR在测绘中的应用 应用 快速获取数字高程模型 LIDAR技术最主要的数据产品是高密度 高精度的激光点云数据 该数据直接反映点位的三维坐标 通过自动或人工交互处理 把入射到植被 房屋 建筑物等非地形目标上的点云进行分类 滤波或去除 然后构建不规则三角网TIN 就可以快速提取DEM LIDAR在测绘中的应用 应用 基础测绘的实施 DOM是在DEM提供精确的地形信息的前提下 进行数字微分纠正得到的 而机载LIDAR技术提取的地面三维坐标 完全满足高精度影像微分纠正的需要 使得DOM的生产变得相当容易 此外 高精度的激光点云数据还直观反映植被和地物的三维信息 利用这些资源 DLG地形地物的判读和量测更加准确 数据的采集变得更加容易 LIDAR在测绘中的应用 应用 精密工程测量 很多精密工程测量 都需要采集测量目标的高精度三维坐标信息 甚至需要建立精确的三维物体模型 比如 电力选线 矿山和隧道测量 水文测量 沉降测量 建筑测量 变形测量 文物考古等行业 LIDAR在测绘中的应用 应用 数字城市建设 LIDAR系统可以获取高分辨率 高精度的数字地面模型和数字正射影像 提供了构建数字城市最宝贵的空间信息资源 因此是数字城市建设的重要技术力量 LIDAR在测绘中的应用 应用 水下地形测量 有些LIDAR系统 采用了两种不同波长的激光束还可以对水底进行测量 比如 SHOALS系统在采用红光 或红外光 测量水面的同时 用蓝绿光穿透水面测量水底 通过这两个光束的接收时间差计算水的深度 因此可以进行大面积的水下地形测量 利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型 三维建模 设置绝对高程的限差值过滤非地形回波的噪音点分类低于平均地面的错误点 低点设置最大建筑物的尺寸 地形角等来分类地面点过滤出低于真实地表的点 利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型 三维建模 从分类的地面点中提取代表地形特征的模型关键点以构建地面三角网 TIN 的形式来生成DEM 利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型 三维建模 利用DEM纠正消除地面的投影误差获得DOM 加载DOM 人工寻找建筑物 在已分类的激光点云上大致选取轮廓 利用软件程序自动探测此建筑物的激光点云并建立其顶部的矢量轮廓 手工编辑调整使其与DOM上的建筑物顶部完全吻合 利用机载LiDAR数据提取城市三维建筑物模型 三维建模 取地面激光点云和建筑物点云的平均高程值分别赋给建筑物顶部轮廓和根部角点 经过顶部轮廓和地面角点连线后建立起包括建筑物顶部 底部 房檐 侧面的三维数字建筑物模型 将DEM与数字建筑物模型叠加 经过正射纠正技术消除地形起伏和建筑物带来的投影差 制作