機(jī)載激光雷達(dá)（Lidar）基礎(chǔ)原理與應(yīng)用

　　機(jī)載激光雷達(dá)作為航測服務(wù)行業(yè)常用的手段，大家想必對機(jī)載激光雷達(dá)有些好奇，飛燕帶大家了解一下機(jī)載激光雷達(dá)的基礎(chǔ)原理與現(xiàn)在的應(yīng)用。機(jī)載激光雷達(dá)是一種可以精確、快速獲取地面或大氣三維空間信息的主動(dòng)探測技術(shù)，應(yīng)用范圍和發(fā)展前景十分廣闊。以往的傳感器只能獲取目標(biāo)的空間平面信息，需要通過同軌、異軌重疊成像等技術(shù)來獲取三維高程信息，這些方法與LiDAR技術(shù)相比，不但測距精度低，數(shù)據(jù)處理也比較復(fù)雜。正因?yàn)槿绱?，LiDAR技術(shù)與成像光譜、合成孔徑雷達(dá)一起被列為對地觀測系統(tǒng)計(jì)劃中最核心的信息獲取與處理技術(shù)。機(jī)載激光雷達(dá)是將激光技術(shù)、高速信息處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

　　機(jī)載激光雷達(dá)的工作原理

　　激光雷達(dá)是一種雷達(dá)系統(tǒng)，是一種主動(dòng)傳感器，所形成的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云形式。其工作光譜段在紅外到紫外之間，主要發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、測量控制和電源組成。工作原理為：首先向被測目標(biāo)發(fā)射一束激光，然后測量反射或散射信號(hào)到達(dá)發(fā)射機(jī)的時(shí)間、信號(hào)強(qiáng)弱程度和頻率變化等參數(shù)，從而確定被測目標(biāo)的距離、運(yùn)動(dòng)速度以及方位。除此之外，還可以測出大氣中肉眼看不到的微粒的動(dòng)態(tài)等情況。激光雷達(dá)的作用就是精確測量目標(biāo)的位置(距離與角度)、形狀(大小)及狀態(tài)(速度、姿態(tài))，從而達(dá)到探測、識(shí)別、跟蹤目標(biāo)的目的。

　　機(jī)載激光雷達(dá)的現(xiàn)狀及應(yīng)用

　　激光技術(shù)從它的問世到現(xiàn)在，雖然時(shí)間不長，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等幾個(gè)極有價(jià)值的特點(diǎn)，因而在國防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生和科學(xué)研究等方面都有廣泛的應(yīng)用。LiDAR技術(shù)在西方國家發(fā)展相對成熟，已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行的激光雷達(dá)系統(tǒng)(主要指機(jī)載)主要有Optech(加拿大)、TopSys(法國)和Leica(美國)等公司的產(chǎn)品。

　　1. 軍事方面的應(yīng)用

　　目前，在水雷探測激光雷達(dá)、化學(xué)試劑探測激光雷達(dá)、大氣監(jiān)測激光雷達(dá)、生化陸戰(zhàn)激光雷達(dá)等方面已經(jīng)有了很大的成就。另外，中國的攻擊激光雷達(dá)已經(jīng)相當(dāng)?shù)南冗M(jìn)，包含著世界最尖端的五大核心技術(shù)：激光材料研究的突破、激光輻射材料物理機(jī)理及成像圖譜研究的突破、一次性快速跟蹤定位控制技術(shù)的突破、高密度能量可逆轉(zhuǎn)換載體材料的突破、激光成像技術(shù)的突破。

　　2. 測風(fēng)方面的應(yīng)用

　　多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)具有高分辨率、高精度、大探測范圍、能提供晴空條件下三維風(fēng)場信息的能力。多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)利用光的多普勒效應(yīng)，測量激光光束在大氣中傳輸及其回波信號(hào)的多普勒頻移來反演空間風(fēng)速分布。主要有相干(外差)探測和非相干(直接)探測兩種方式。

　　3. 氣象方面的應(yīng)用

　　我國已經(jīng)建立12個(gè)沙塵暴長期觀測站，首次形成全國性的沙塵暴監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)?？梢酝ㄟ^先進(jìn)的觀測、模擬和衛(wèi)星遙感的聯(lián)合研究，查明中國沙塵暴發(fā)生的確切源地，科學(xué)地分辨氣象、氣候條件變化等自然因素和沙漠化土地增加等人為因素對沙塵暴的影響，為準(zhǔn)確預(yù)警、預(yù)報(bào)沙塵暴，制定全面高效的防治計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。

　　4. 醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

　　美國能源部所屬的Oak Ridge國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種集成了激光和雷達(dá)系統(tǒng)的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以減輕燒傷病人的痛苦。研究人員希望這種同頻連續(xù)波激光雷達(dá)映射系統(tǒng)，可以從病人身體上去除壞死的皮膚和肌肉。這種新系統(tǒng)可以對燒傷病人的體表組織進(jìn)行三維的激光雷達(dá)定位探測，以確定損害程度。利用探測定位結(jié)果，激光可以自動(dòng)除去壞死的組織以利于新組織生長。

　　5. 水土保持監(jiān)測中的應(yīng)用

　　目前，全國由于建設(shè)開發(fā)的影響，給水土流失治理帶來很大的難度，據(jù)調(diào)查，全國每年由于開發(fā)建設(shè)使水土流失面積達(dá)到1.00×104平方千米由以上。由于激光雷達(dá)在測量精度上比傳統(tǒng)方法測量結(jié)果要精細(xì)許多，更真實(shí)、可信;而且，可詳細(xì)反映所測場地的形態(tài)，輕松實(shí)現(xiàn)三維建模，從而真正實(shí)現(xiàn)了非接觸式測量，大大減少了外業(yè)工作量，降低了外業(yè)危險(xiǎn);并且可對開挖邊坡、崩崗、山體滑坡等許多形式的水土流失進(jìn)行測量，使傳統(tǒng)水土保持走上“精耕細(xì)作”之路。

　　機(jī)載激光雷達(dá)的未來發(fā)展趨勢

　　1. 星載激光雷達(dá)

　　星載LiDAR以衛(wèi)星作為平臺(tái)，其運(yùn)行軌道高、觀測范圍廣、觀測速度快，受地面背景、天空背景影響小，具有高分辨率、高靈敏度的特點(diǎn)，幾乎可以觸及世界的每一個(gè)角落，為三維控制點(diǎn)和數(shù)字地面模型(DEM)的獲取提供了新的途徑，在國防或是科學(xué)研究等領(lǐng)域都具有十分重大的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。

　　星載LiDAR還具有觀察整個(gè)天體的能力，實(shí)現(xiàn)天體測繪、全球信息采集、全球環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)林業(yè)資源調(diào)查、大氣結(jié)構(gòu)成分測量等。此外，星載LiDAR在植被垂直分布測量、海面高度測量、云層和氣溶膠垂直分布測量以及特殊氣候現(xiàn)象監(jiān)測等方面也可以發(fā)揮重要作用。

　　目前，國際上發(fā)展的星載激光雷達(dá)有：美國的NASA/LaRC星載差分吸收雷達(dá)、月球觀測Clementine系統(tǒng)、火星勘探者的MOLA-2系統(tǒng)、觀測空間小行星的NRL系統(tǒng)、地球觀測的GLAS系統(tǒng)、后向散射雷達(dá)ATLID。研究和解決星載Li-DAR的關(guān)鍵技術(shù)，建立起自己的星載LiDAR系統(tǒng)，將會(huì)是我國激光雷達(dá)的重要的發(fā)展方向。

　　2. 戰(zhàn)場偵察激光雷達(dá)

　　激光雷達(dá)有可能成為重要的偵察工具和手段。美國雷西昂公司正在試驗(yàn)使用GaAA激光行掃描傳感器制造ILR100成像激光雷達(dá)，此設(shè)備可以安裝在商性能飛機(jī)和無人機(jī)上，在120-460米的高空執(zhí)行偵查任務(wù)。偵查的影像可實(shí)時(shí)地傳送到飛機(jī)上的陰極射線管顯示器上或通過數(shù)據(jù)鏈路直接發(fā)送至地面接受站。

　　3. 測風(fēng)激光雷達(dá)

　　測定風(fēng)速對研究氣候變化、提高天氣預(yù)報(bào)的精度、監(jiān)測機(jī)場氣流、優(yōu)化飛機(jī)航線以及在軍事、火箭發(fā)射等方面具有非常重要的意義。目前來看，2μm左右的全固化相干激光雷達(dá)及發(fā)射在紫外波段的非相干激光雷達(dá)將是未來發(fā)展的重點(diǎn)。

　　4. 激光雷達(dá)尋的器

　　激光雷達(dá)可以提供以距離和強(qiáng)度為基礎(chǔ)的高分辨率影像，使空地武器具有自主精確制導(dǎo)能力。激光雷達(dá)尋的器能形成目標(biāo)的三維影像，確保準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)。目前，美國空軍賴特實(shí)驗(yàn)室與海軍聯(lián)合開展了一項(xiàng)基于固態(tài)激光雷達(dá)演示計(jì)劃，目的就是完成激光雷達(dá)尋的器和自主式捕獲目標(biāo)。激光雷達(dá)尋的器將會(huì)安裝在AGM-130、聯(lián)合空地遠(yuǎn)程導(dǎo)彈上，以提高自主制導(dǎo)的能力和打擊精度。

　　結(jié)論

　　由于機(jī)載激光雷達(dá)是一種代價(jià)小、效果好、使用范圍廣的遙感手段，相信將來會(huì)應(yīng)用得更為廣泛。特別是“嫦娥一號(hào)”奔月以來，對我國發(fā)展星載激光雷達(dá)是個(gè)巨大促進(jìn)。當(dāng)然如果想要對于機(jī)載激光雷達(dá)想要詳細(xì)了解，可以聯(lián)系我們飛燕，我們飛燕航空遙感技術(shù)有限公司配備了兩臺(tái)國際上最先進(jìn)的 RIEGL VQ-1560i 機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)。機(jī)載激光雷達(dá)RIEGL VQ-1560i 的最大激光發(fā)射頻率高達(dá)200萬赫茲，有效地面測量速度達(dá)1,330,000點(diǎn)/秒，最高可在4700米的海拔處作業(yè)。該系統(tǒng)能夠在不同高度進(jìn)行飛行作業(yè)獲取大范圍高密度點(diǎn)云。因此特別合適對超大面積區(qū)域和復(fù)雜城市環(huán)境進(jìn)行空中測繪。此外用戶能在復(fù)雜地形做出有效的飛行計(jì)劃，提高飛行效率，并保證飛行安全。