【儀商網(wǎng)-儀器儀表知識(shí)】激光雷達(dá)，是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)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(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

激光雷達(dá)的種類是按照什么劃分的？

　　根據(jù)方向劃分：

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

　　根據(jù)平臺(tái)劃分：

激光雷達(dá)應(yīng)用可分為機(jī)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(cè)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(tái)也是可能的，可以參考衛(wèi)星激光測(cè)高。

激光雷達(dá)種類：

　　機(jī)載激光雷達(dá)

　　機(jī)載激光雷達(dá)（也稱機(jī)載激光掃描）是一種激光掃描儀，在飛行過程中連接到飛機(jī)上，創(chuàng)建一個(gè)3D點(diǎn)云地形模型。這是目前替代數(shù)字?jǐn)z影測(cè)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(cè)量法相比，機(jī)載激光雷達(dá)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是能夠從點(diǎn)云模型中濾除植被反射，從而創(chuàng)建一個(gè)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(jī)載激光雷達(dá)的范疇內(nèi)，有時(shí)會(huì)在高海拔和低海拔應(yīng)用之間進(jìn)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(diǎn)密度都降低了。機(jī)載激光雷達(dá)還可用于在淺水中創(chuàng)建測(cè)深模型。  

　　機(jī)載激光雷達(dá)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(diǎn)和地面點(diǎn)是離散點(diǎn)的矢量，而DEM和DSM是離散點(diǎn)的插值柵格網(wǎng)格，這個(gè)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(jī)載激光雷達(dá)。機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)字高程模型可以穿透森林覆蓋層，對(duì)陡坎、侵蝕和電線桿傾斜進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量。  

　　機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理使用的工具箱稱為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)過濾和森林研究工具箱（TIFF），可用于激光雷達(dá)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(jì)算出每個(gè)點(diǎn)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(duì)象。其余點(diǎn)作為植被處理，用于建模和制圖。在這些圖中，激光雷達(dá)的指標(biāo)是通過計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)來計(jì)算的。  

　　機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深儀

　　機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)深技術(shù)系統(tǒng)包括測(cè)量信號(hào)從信號(hào)源到返回傳感器的飛行時(shí)間。數(shù)據(jù)采集技術(shù)包括一個(gè)海底測(cè)繪組件、一個(gè)視頻橫斷面和一個(gè)采樣的地面真實(shí)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(gè)點(diǎn)陣列。其中一根光束穿透水，并在有利條件下探測(cè)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?yàn)樗鼘⒃谥饕暮４仓茍D程序中發(fā)揮重要作用。該地圖測(cè)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(xiàng)技術(shù)已用于使用水文激光雷達(dá)對(duì)加利福尼亞水域進(jìn)行三維圖像制圖。

　　無人機(jī)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(jì)的方法。無人機(jī)遙感的可能性還消除了載人飛機(jī)機(jī)組人員在困難地形或偏遠(yuǎn)地區(qū)可能遭受的任何危險(xiǎn)。

　　地面激光雷達(dá)

　　激光雷達(dá)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(dòng)的。靜止地面掃描作為一種測(cè)量方法最為常見，例如在傳統(tǒng)的地形、監(jiān)測(cè)、文化遺產(chǎn)文獻(xiàn)和法醫(yī)學(xué)中。從這些類型的掃描儀獲取的3D點(diǎn)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(duì)較短的時(shí)間內(nèi)建立模型。點(diǎn)云中的每個(gè)點(diǎn)都被賦予了像素的顏色，該像素來自于與創(chuàng)建該點(diǎn)的激光束處于相同角度的圖像。

　　移動(dòng)激光雷達(dá)（也稱為移動(dòng)激光掃描）是指將兩個(gè)或多個(gè)掃描儀連接到移動(dòng)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(duì)，包括GNSS接收器和IMU。一個(gè)示例應(yīng)用是測(cè)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(cè)速儀在野外單獨(dú)收集這些測(cè)量數(shù)據(jù)不同，可以從點(diǎn)云創(chuàng)建一個(gè)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(jìn)行所需的所有測(cè)量。這就消除了忘記進(jìn)行測(cè)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(dá)制圖涉及一個(gè)占用柵格地圖的生成過程。這個(gè)過程包括一個(gè)劃分成網(wǎng)格的單元陣列，當(dāng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)落入相應(yīng)的網(wǎng)格單元時(shí)，網(wǎng)格采用一個(gè)存儲(chǔ)高度值的過程。然后，通過對(duì)單元值應(yīng)用特定閾值來創(chuàng)建二進(jìn)制映射，以便進(jìn)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(diǎn)對(duì)應(yīng)于每個(gè)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(dá)系統(tǒng)組成

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

　　激光雷達(dá)系統(tǒng)由以下幾個(gè)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(dòng)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(duì)較高的功率水平下對(duì)人眼安全，因?yàn)樵摬ㄩL(zhǎng)不會(huì)被眼睛強(qiáng)烈吸收，但是檢測(cè)器技術(shù)的發(fā)展不太先進(jìn)，因此這些波長(zhǎng)通常以較低的精度在較長(zhǎng)的范圍內(nèi)使用。它們也用于軍事應(yīng)用，因?yàn)樵谝挂曠R中看不到1550 nm ，這與較短的1000 nm紅外激光不同。

　　機(jī)載地形測(cè)繪激光雷達(dá)通常使用1064nm二極管泵浦的YAG激光器，而測(cè)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?yàn)?/span>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(zhǎng)度通常是激光腔長(zhǎng)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(gè)屬性。如果激光雷達(dá)接收器檢測(cè)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(dá)

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

　　機(jī)載光源使Flash激光雷達(dá)成為一個(gè)主動(dòng)傳感器。通過嵌入式算法處理返回的信號(hào)，以生成傳感器視場(chǎng)內(nèi)物體和地形特征的近乎即時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)別自主航天器著陸場(chǎng)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(gè)天線的微觀陣列照亮任何方向。通過控制每個(gè)天線的定時(shí)（相位），可以將一個(gè)內(nèi)聚信號(hào)導(dǎo)向一個(gè)特定的方向。

　　自1950年代以來，相控陣已用于雷達(dá)，同樣的技術(shù)也可以用于光。大約一百萬個(gè)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(shí)控制，單個(gè)芯片（或幾個(gè)）取代了價(jià)值75000美元的機(jī)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(dá)裝置，其中包括正在設(shè)計(jì)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(jī)電激光雷達(dá)能持續(xù)1000至2000小時(shí)，相比之下，固態(tài)激光雷達(dá)可以運(yùn)行100000小時(shí)。

　　四 微機(jī)電設(shè)備

　　微機(jī)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(shì)。單個(gè)激光被指向單個(gè)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(chǎng)的任何部分。然而，MEMS系統(tǒng)通常在單個(gè)平面（從左到右）中工作。要添加第二個(gè)維度，通常需要上下移動(dòng)第二個(gè)鏡像或者，另一個(gè)激光可以從另一個(gè)角度擊中同一反射鏡。MEMS系統(tǒng)可能受到?jīng)_擊/振動(dòng)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(gè)小型微芯片，以加強(qiáng)創(chuàng)新和進(jìn)一步的技術(shù)進(jìn)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(xiàng)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(huì)影響角度分辨率和可以檢測(cè)到的范圍，可以選擇使用孔鏡或分束器來收集返回信號(hào)。

　　六 定位和導(dǎo)航系統(tǒng)

　　安裝在飛機(jī)或衛(wèi)星等移動(dòng)平臺(tái)上的激光雷達(dá)傳感器需要儀器來確定傳感器的絕對(duì)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(cè)量單元（IMU）。

　　七 傳感器

　　激光雷達(dá)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(cè)和測(cè)量。通過記錄發(fā)射脈沖和反向散射脈沖之間的時(shí)間并使用光速計(jì)算行進(jìn)距離，可以確定到物體的距離。因?yàn)橄鄼C(jī)能夠發(fā)射更大的閃光燈并利用返回的能量來感測(cè)感興趣區(qū)域的空間關(guān)系和尺寸，因此Flash激光雷達(dá)可以進(jìn)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(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)不敏感，失真較小，因此可以實(shí)現(xiàn)更精確的成像。

　　使用掃描和非掃描系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)3D成像?！?/span> 3D門控觀測(cè)激光雷達(dá)”是一種非掃描激光測(cè)距系統(tǒng)，可應(yīng)用脈沖激光和快速門控?cái)z像頭。目前，使用數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)進(jìn)行虛擬光束轉(zhuǎn)向的研究已經(jīng)開始。

　　激光雷達(dá)成像也可以使用高速探測(cè)器陣列和調(diào)制敏感探測(cè)器陣列，通常使用互補(bǔ)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(gè)像素執(zhí)行某些本地處理，例如高速解調(diào)或門控，將信號(hào)向下轉(zhuǎn)換為視頻速率，以便陣列可以像照相機(jī)一樣讀取。使用這項(xiàng)技術(shù)，可以同時(shí)獲得數(shù)千個(gè)像素/通道。高分辨率3-D激光雷達(dá)相機(jī)通過電子CCD或CMOS 快門使用零差檢測(cè)。

　　相干成像激光雷達(dá)使用合成陣列外差檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室宣布推出一款新的成像芯片，其像素超過16384像素，每一個(gè)像素都能成像一個(gè)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(guó)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(jī)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(shí)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(duì)較長(zhǎng)的波長(zhǎng)工作，允許更高的功率和更長(zhǎng)的范圍。在許多應(yīng)用中，如自動(dòng)駕駛汽車，新系統(tǒng)將降低成本，不需要機(jī)械部件來瞄準(zhǔn)芯片。InGaAs使用的危險(xiǎn)波長(zhǎng)比在可見波長(zhǎng)下工作的傳統(tǒng)硅探測(cè)器要小。