激光雷达技术的应用现状及应用前景

光电雷达技术课程论文题目激光雷达技术的应用现状及应用前景专业光学工程姓名白学武学号2220140227学院光电学院2015年2月28日摘要：激光雷达无论在军用领域还是民用领域日益得到广泛的应用。介绍了激光雷达的工作原理、工作特点及分类，介绍了它们的研究进展和发展现状，以及应用现状和发展前景。引言激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的T作原理相似，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪和识别。激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形和数据处理方式，可分为脉冲激光雷达、连续波激光雷达、脉冲压缩激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达和成像激光雷达等：根据安装平台划分，可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达和航天激光雷达；根据完成任务的不同，可分为火控激光雷达、靶场测量激光雷达、导弹制导激光雷达、障碍物回避激光雷达以及飞机着舰引导激光雷达等。在具体应用时，激光雷达既可单独使用，也能够同微波雷达，可见光电视、红外电视或微光电视等成像设备组合使用，使得系统既能搜索到远距离目标，又能实现对目标的精密跟踪，是目前较为先进的战术应用方式。一、激光雷达技术发展状况1.1关键技术分析1.1.1空间扫描技术激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器，作用距离较远，探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同，能够减小设备的体积、重量，但在我国多元传感器，尤其是面阵探测器很难获得，因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。机械扫描能够进行大视场扫描，也可以达到很高的扫描速率，不同的机械结构能够获得不同的扫描图样，是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描，扫描速度可以很高，扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小，光束质量较差，耗电量大，声光晶体恒比定时电路来减小测时误差。1.1.4终端信息处理技术激光雷达终端信息处理系统的任务是既要完成对各传动机构、激光器、扫描机构及各信号处理电路的同步协调与控制，又要对接收机送出的信号进行处理，获取目标的距离信息，对于成像激光雷达来说还要完成系统三维图像数据的录取、产生、处理、重构等任务。目前激光雷达的终端信息处理系统设计采用主要采用大规模集成电路和计算机完成。其中测距单元可利用FPGA技术实现，在高精度激光雷达中还需采用精密测时技术。对于成像激光雷达来说，系统还需要解决图像行的非线性扫描修正、幅度／距离图像显示等技术。回波信号的幅度量化采用模拟延时线和高速运算放大器组成峰值保持器，采用高速A／D完成幅度量化。图像数据采集由高速DSP完成，图像处理及三维显示可由工业控制计算机完成。二、激光雷达的应用现状2.1激光雷达技术在城市三维建筑模型中的应用

“数字城市”是数字地球技术系统的重要组成部分，而表达城市主要物体的三维模型包括三维地形，三维建筑模型、三维管线模型。这些三维建筑模型是数字城市重要的基础信息之一。

而激光雷达技术可以快速完成三维空间数据采集，它的优点使它有很广阔的应用前景。机载雷达系统的组成包括：激光扫描器、高精度惯性导航仪、应用查分技术的全球定位系统、高分辨率数码相机。通过这四种技术的集成可以快速的完成地面三维空间地理信息的采集，经过处理便可得到具有坐标信息的影像数据。利用激光进行三维建筑建模的技术。首先，进行数据预处理。就是结合IMUU记录的姿势参数、机载GPS数据、地面基站GPS观察数据、GPS偏心分量、扫描仪和数码相机各自的偏心分量，进行GPS/IMU联合解算，得到扫描仪及相机曝光坐标下的轨迹文件，进而得到外方为元素。其次，使用LIDAR数据商业处理软件将地面数据与非地面数据分离，生成DEM，在利用纯地表数据对影像外方位元素通过寻找同名像点的方式进行校正快速生成DOM。DEM和DOM叠加在一起就形成了三维地形模型。最后，为了表达真实的城市面貌对三维建筑模型进行纹理贴图。纹理粘贴的方法常见的有手动粘贴和纹理映射两种。常用的纹理获取方法也有两种，第一种方法是对建筑顶部纹理采用航空影像，侧面纹理信息为手持相机实地拍摄。第二种方法为倾斜航空摄影。得到纹理后利用专业软件进行纹理面的选择、匀光处理等将反应建筑现状的影像信息映射在对应的模型上就达到了反映城市现状的目的。

2.2激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用

激光雷达由于探测波长短、波束定向性强，能量密度高，因此具有高空间分辨率、高的探测灵敏度、能分辨被探测物种和不存在探测盲区等优点，已经成为目前对大气进行高精度遥感探测的有效手段。利用激光雷达可以探测气溶胶、云粒子的分布、大气成分和风场的垂直廓线，对主要污染源可以进行有效监控。对大气污染物分布的观测。当激光雷达发出的激光与这些漂浮粒子发生作用时会发生散射，而且入射光波长与漂浮粒子的尺度为同一数量级，散射系数与波长的一次方成反比，米氏散射激光雷达依据这一性质可完成气溶胶浓度、空间分布及能见度的测定。差分激光雷达主要用于大气成分的测定。差分激光雷达的测试原理是使用激光雷达发出两种不等的光，其中一个波长调到待测物体的吸收线，而另一波长调到线上吸收系数较小的边翼，然后以高重复频率将这两种波长的光交替发射到大气中，此时激光雷达所测到的这两种波长光信号衰减差是待测对象的吸收所致，通过分析便可得到待测对象的浓度分布。在大气中间层金属蒸气层的观测主要采用荧光共振散射激光雷达。其原理是利用Na、K、Li、Ca等金属原子作为示踪物开展大气动力学研究。由于中间层顶大气分子密度较低，瑞利散射信号十分微弱，而该区域内的钠金属原子层由于其共振荧光截面比瑞利散射截面高几个数量级，因此，利用钠荧光雷达研究钠层分布，进而研究重力波等有关性质更展示其独有的特性。2.3激光雷达在空间交会对接中的应用

交会对接范围为100km—1m，在实际的空间对接中，当距离大于100km时，航天员可以通过机载微博交会雷达和潜望镜获得两个航天器之间的相对位置。随着两航天器的逼近，当相对距离小于100m时，由于硬件的限制，微波雷达不能为最后逼近提供足够精度的测量信息。由于激光本身的波束窄、相干性好、工作频率高等优点，激光雷达能在交会阶段直到对接的整个过程中提供高精度的相对距离、速度、角度和角速度的精确测量，因此它既能用于目前的自动寻的、接近和最后的手动逼近操作过程，又能为未来无人交会对接任务提供自主导航的扩展功能。

激光雷达一般由下列部分组成：激光源、发射与接收光路、信号处理、扫描跟踪机构、目标反射器和检测器等。扫描跟踪机构可完成大角度的光束偏转。这种机构大都由两自由度框架组成，框架上固定了反射镜，使光束偏转。由于偏转对象是光束，所以机构可作得十分精巧、细致。目标反射器安装在目标飞行器上，一般用角反射器

(

三个相互垂直的反射镜组成

)，从而使目标反射器将雷达天线射出的光束按原方向反射回去。此时目标的位置和姿态信息由激光雷达光学接收天线接收，然后进行检测和数据处理。激光雷达的测距、测度、和测角原理与微波雷达基本相同。因此用于空间交会对接的激光雷达包含连续波测距器和位置敏感器两个部分。这两个部分通过公用光学装置混合起来。激光雷达

比较可靠和精确的测速方法是测量回波信号的多普勒频移。激光雷达对目标的角跟踪可采用圆锥扫描法和单脉冲法。现在，激光雷达也能用于最后的手动逼近和对接阶段，此时主要用来测量相对姿态。激光测距技术比较成熟，但是激光测量姿态角是一项技术难点。2.4激光雷达在油气直接勘察中的应用前景

利用遥感直接探测油气上方的烃类气体的异常是一种直接而快捷的油气勘探方法。激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，将其应用于油类勘测已经成为可能。激光器的工作波长范围广，单色性好，而且激光是定向辐射，具有准直性，测量灵敏度高等优点，使其在遥感方面远优于其他传感器。

激光雷达由发射系统和接收系统两大部分组成。发射系统主要包括激光器和发射望远镜；接受系统主要由接收望远镜、光电倍增管和显示器三部分组成。激光雷达技术是根据激光光束在大气中传输时，大气中尘埃微粒和各种气体分子对激光产生弥散射，瑞利散射、拉曼散射和共振荧光以及共振吸收等现象，然后利用激光雷达接收系统收集和记录上述现象过程中所产生的背向散射光谱，以达到探测大气成份和浓度的目的。

烃类气体是油气田油气微渗漏的主要指示性气体，而近地表的烃类气体从成分上看，主要是由早期的成岩作用、细菌作用和地下热作用等共同作用的结果。共振吸收激光雷达在探测气体分子含量时一般都采用各种可调谐激光器激光雷达探测气体的探测灵敏度，是指激光雷达所能接收到的激光功率细微变化的能力。探测的距离和被测气体分子的吸收截面是影响探铡灵敏度的主要因素。据研究资料介绍，吸收截面越大灵敏度越高；而探测距离越大，灵敏度越高。而路径与灵敏度之间的关系是路径越长，气体分子对激光光束的吸收衰减也越强烈，从而使探测灵敏度大大提高。但是，由于存在着激光光斑的发散和因大气湍流引起的激光传输方向改变的抖动效应，将使激光的有效利用率减小，即信噪比下降，从而影响污染气体分子含量的探测精度。因此探测距离以数公里为宜。2.5使用超高频雷达和离散回波激光雷达估算温带阔叶林和混交林的生物量

本研究的目的是要确定使用哪种方法能更好的估计温带阔叶林的生物量估计，一种方法是单独使用高频雷达数据来确定，另一种是同时使用高频雷达与小尺寸离散回波激光雷达来估计生物量。激光雷达的分布描述数据和平均归一化雷达截面在每个观测点被用来作为独立变量处理。

研究的区域是在弗吉尼亚州阿波马托克斯-白金汉国家森林。首先收集指定区域中的数据。

BioSAR数据是用一艘双引擎飞机收集的，飞机上的雷达发出高频率的波，通过收集反射回来的信号来确定探测物体的信息。可供分析的激光雷达数据是使用便携式机载激光系统在符合BioSAR数据分析要求的13条飞行线路上收集的。激光雷达扫描数据收集时使用的是机载激光雷达测量仪3100系列的传感器，要拍摄的数据包括四个测量值。裸露的地面传回的数据是基于一个专有的算法提供的。普通地面数据的获取是采用空间分辨率为1米的普通克里格插值方法。最后采用以模型为基础的度量计算战略，这种方法适应于直接用地面观察到的生物量与模型比较来估算生物量。最后创建一个最佳子集的线性回归方程作为遥感变量的函数。结果表明，同时使用高频雷达与小尺寸离散回波激光雷达来估计生物量在估算硬木林和混交林的生物量时使非常有效的。在很多林业研究中，激光雷达，无论是扫描或分析，其对生物量的估计比其他传感器更加准确，而且激光雷达已被证明是准确估计树冠高度，甚至老年，单特异性森林与顶部优势生长形式的有效工具。在林业研究中，甚高频散射机制主要应用于简单的森林结构，如轻轻倾斜针叶林，而较长波长激光雷达具有良好的穿透枝叶特性，这又增加了数据的准确性。2.6利用激光雷达进行气象研究

激光雷达是一种非常重要的气象仪器，它是基于电磁能量会从目标反射回来的检测原理。像雷达一样，有关目标的性质、距离、角度等数据都可以通过光的散射给我们提供出来。其比雷达更为优秀的是它不仅可以在微波区域进行操作，而且可以在可见光、红外光或更短的区域进行操作。激光雷达是雷达在光学电磁频谱上的一个延拓。由激光发射机生成一个短脉冲的能量再针对一个目标发射出去。目标辐射出的散射波由接收光学系统收集并且集中到一个敏感的探测器上，它将入射光的能量转换成一个电信号，经过放大信号处理后再进行使用。在斯坦福研究所开发的第一个比较原始的仪器设计清楚地表明了激光雷达的应用，如通过雨水或底层的云的结构探测云和雾层的位置，上升限度的高度。激光雷达回波可以清楚的从低海拔地区观察到一个清晰的连续气溶胶层，而这对于肉眼来说是不可见。

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III的激光雷达，对稀薄的卷云的检测展示了一个更高的水平。它表明一个很高的峰值功率可以穿透云层，同时形成反射。利用这种现象在不同海波高度观察时就可以证明几个不同层的卷云的存在。

虽然用激光雷达性能优越，除了优化设计系统中的参数之外，许多技术被利用来改善的激光雷达系统的性能。例如激光器的冷却就是所有激光器必须解决的问题。激光雷达脉冲重复频率较低或泵浦阈值较低时可以采用空气制冷，而以更大的激光脉冲能量时必须采用制冷系统来冷却激光器。2.7利用机载激光雷达描绘气溶胶浓度的二维轮廓

三维激光雷达系统的改进版本已经发展的可以安装在飞行器上并且具有实时的数据分析能力。该系统可以通过光波的反射来描绘在飞机上方和下方的气溶胶的二维轮廓。激光雷达就是这个系统非常重要的一部分，用来描述气溶胶的光学特性和时空变化性。

这个激光雷达系统被配置在国家气象中心的飞行器上，能够发出585纳米的光，最大谱线宽度是0.4纳米，每个谱线的能量严格相等。激光雷达上的闪光灯和电容火花驱动系统每隔0.5微秒产生一个激光脉冲，为了稳定器件，所有的激光器腔体组件都被安装在一个圆形筒内。激光器产生的激光通过一个光束引导器件输出，光束引导器中有一个光束扩展器，用来改善输出光束的准直使光束与接受器件同轴发射。安装在飞机外部的反射镜系统引导着出射光和接受光要么向上要么向下，这样就能描绘出飞机上下两侧的气溶胶浓度的二维轮廓图。目前在激光雷达系统上配置的接收器是一个直径20厘米、1/4焦距的卡塞格林望远镜。接收光学系统的检测器是一个EMI9658光电倍增管。

这个系统如果在夜间进行地面操作的话，可以观察到23公里高度的数据。计算结果还表明，在与窄带带通滤波器和小接受角的接收器联合使用，我们的激光雷达装置在白天操作效果也和夜晚同样好。同样用于探测飞机上下方向的气溶胶浓度的二维轮廓，与闪光灯泵浦燃料激光器相比这个机载激光雷达系统极大地减轻了系统的重量并且降低了它的功耗。

2.8通过激光雷达平流层臭氧层的监测激光的特性，比如它的强脉冲能量，低发散度和高频谱纯度，使这种光源非常适合远程遥感。用于测定气体中微量成分的是差分式激光雷达，它先发射两束激光，再利用气体对着两束激光的吸收系数不同的原理来完成测量。对于几千米高空的空气微量成分的数据也常使用差分式激光雷达，它的测量范围完全可以得到蒸汽层和臭氧层的垂直剖面。文章主要介绍了搭建一个监视50千米高空臭氧层的系统，这个系统的搭建对于建立模型来预测由于人为释放氟氯甲烷而造成的臭氧损耗是具有特殊意义的。

这个系统采用单脉冲能量为150mJ、频率为100HZ的商业激光器作为发射器，发射的波长为308纳米。激光雷达的参考波长是通过刺激高压气体电池发生拉曼散射产生的。由此产生的两个拉曼位移波长都不容易被臭氧层吸收。通过拉曼方案即简化了设备和调整程序、确保了较高的脉冲能量又允许两个波长的光可以同时发射到同一视场。为了避免光电倍增管由于低海拔信号的反射而达到饱和，要确保接收器和发射器至少相隔1米。由于视场的完全重叠发生在20千米以上的高空，为了能在低海拔区域也能监视，因而安装了单基站。最后将整套设备安装在一个小容器里用飞机运到山顶，这样就避免了激光信号会被气溶胶层所衰减。

为了检测臭氧层轮廓的长期变化趋势，并且克服对臭氧层的自然变化，长时间的精确的调查是必需的。激光雷达技术非常适合于这个目的。检测40千米高空臭氧层的减少量极大地证实了当前这个激光雷达系统模型的有效性。三、激光雷达的应用前景3.1军事领域方面的应用LiDAR技术在军事领域的主要用途是用于测量导弹、飞机、舰艇、坦克，甚至炮弹的运动轨迹，起测量精度很高，足以保证这些武器装备性能的充分发挥。3.2国民经济建设方面的应用LiDAR技术在国民经济建设中如农业、水利电力设计、国土资源调查、城市规划、公路铁路设计、交通旅游与气象环境调查等各大领域中可以得到广泛应用。1.林业项目。根据LiDAR系统测得的数据，分析森林树木的覆盖率及覆盖面积，进一步了解树木的疏密程度，包括年幼树木覆盖面积和年长树木的覆盖面积，便于人们在茂盛森林中进行适当地砍伐，在林木稀疏或无植被区域进行树木种植。另外，通过LiDAR数据可以概算出树木的种类、平均高度和森林占地面积，及木材的数量，便于相关主管部门进行宏观调控。2.水利项目。LiDAR技术应用于河流监控和治理，有着极其重大的意义。通过LiDAR数据生成的DEM高程值可以用不同颜色表示，所以水利部门可以按某一高程值预设一颜色值渲染，便可直观地看出水位淹没的范围，也可测算出水位到达这一高程时所淹没的区域面积以及其造成的危害程度。因此，水利部门利用LiDAR技术可以进行有效的水利工程设计，进行河流水域的监控与治理和水灾防治。3．电力输送项目。LiDAR技术极大地方便电网布设与维护管理工作。在进行线路设计时，通过LiDAR数据可以了解到整个规划线路设计区域内地形和地物要素的基本情况。尤其是在树木密集处，可以估算出