其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測信號(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、跟蹤和識(shí)別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成,激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去,光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖,送到顯示器。
定義
LiDAR(LightLaser Detection and Ranging),是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。用激光器作為輻射源的雷達(dá)。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機(jī) 、天線 、接收機(jī) 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機(jī)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(dǎo)體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器等;天線是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡;接收機(jī)采用各種形式的光電探測器,如光電倍增管、半導(dǎo)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。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式,探測方法分直接探測與外差探測。
歷史
起源
自從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(shù)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(shù),使得從二維像片可以獲取地面三維數(shù)據(jù)(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(shù)據(jù)最精確和最可靠的技術(shù),是國家基本比例尺地形圖測繪的重要技術(shù)。
優(yōu)缺點(diǎn)
激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)
與普通微波雷達(dá)相比,激光雷達(dá)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(diǎn),主要有:
(1)分辨率高
激光雷達(dá)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(gè)目標(biāo)(這是微波雷達(dá)無論如何也辦不到的),并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo);距離分辨率可達(dá)0.lm;速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。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(shù)來獲得目標(biāo)的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達(dá)的最顯著的優(yōu)點(diǎn),其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。
(2)隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)
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(dá)的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠(yuǎn)鏡)口徑很小,可接收區(qū)域窄,有意發(fā)射的激光干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的概率極低;另外,與微波雷達(dá)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(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多,因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng),適于工作在日益復(fù)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(dá)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(duì)于激光雷達(dá)來說,只有被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)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(dá)強(qiáng)了許多。
(4)體積小、質(zhì)量輕
通常普通微波雷達(dá)的體積龐大,整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記,光天線口徑就達(dá)幾米甚至幾十米。而激光雷達(dá)就要輕便、靈巧得多,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級(jí),整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤,架設(shè)、拆收都很簡便。而且激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單,維修方便,操縱容易,價(jià)格也較低。
激光雷達(dá)的缺點(diǎn)
首先,工作時(shí)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(yuǎn)。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(dá)的作用距離,晴天為10—20km,而壞天氣則降至1 km以內(nèi)。而且,大氣環(huán)流還會(huì)使激光光束發(fā)生畸變、抖動(dòng),直接影響激光雷達(dá)的測量精度。
其次,由于激光雷達(dá)的波束極窄,在空間搜索目標(biāo)非常困難,直接影響對(duì)非合作目標(biāo)的截獲概率和探測效率,只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo),因而激光雷達(dá)較少單獨(dú)直接應(yīng)用于戰(zhàn)場進(jìn)行目標(biāo)探測和搜索。
分類
激光雷達(dá)按工作方式可分為脈沖激光雷達(dá)和連續(xù)波激光雷達(dá);
根據(jù)探測技術(shù)的不同,可以分為:直接探測型激光雷達(dá)和相干探測型激光雷達(dá);
按應(yīng)用范圍可分為:靶場測量激光雷達(dá)(武器實(shí)驗(yàn)測量)火控激光雷達(dá)(控制射擊武器自動(dòng)實(shí)施瞄準(zhǔn)與發(fā)射)跟蹤識(shí)別激光雷達(dá)(制導(dǎo)、偵查、預(yù)警、水下目標(biāo)探測),激光雷達(dá)引導(dǎo)(航天器交匯對(duì)接、障礙物回避)、大氣測量激光雷達(dá)(云層高度、大氣能見度、風(fēng)速、大氣中物質(zhì)的成分和含量)。
激光雷達(dá)的主要應(yīng)用于跟蹤,成像制導(dǎo),三維視覺系統(tǒng),測風(fēng),大氣環(huán)境監(jiān)測,主動(dòng)遙感等方向。
發(fā)展
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)及高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,數(shù)字立體攝影測量也逐漸發(fā)展和成熟起來,并且相應(yīng)的軟件和數(shù)字立體攝影測量工作站已在生產(chǎn)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(chǎn)模式的周期太長,以致于不適應(yīng)當(dāng)前信息社會(huì)的需要,也不能滿足“數(shù)字地球”對(duì)測繪的要求。
LIDAR測繪技術(shù)空載激光掃瞄技術(shù)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 PositioningSystem、GPS)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(InertialInertiNavigation System、INS)的發(fā)展,使精確的即時(shí)定位及姿態(tài)付諸實(shí)現(xiàn)。德國Stuttgart大學(xué)于1988到1993年間將激光掃描技術(shù)與即時(shí)定位定姿系統(tǒng)結(jié)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(dāng)快速,約從1995年開始商業(yè)化,目前已有10多家廠商生產(chǎn)空載激光掃瞄儀,可選擇的型號(hào)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?shù)母叨饶P?。由于其高?span id="sakv7v2" class="hrefStyle">自動(dòng)化及精確的觀測成果用空載激光掃瞄儀為主要的DTM生產(chǎn)工具。
軍事用途
激光掃描方法不僅是軍內(nèi)獲取三維地理信息的主要途徑,而且通過該途徑獲取的數(shù)據(jù)成果也被廣泛應(yīng)用于資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)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(zāi)及國家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目等方面,為國民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和科學(xué)研究提供了極為重要的原始資料,并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,展示出良好的應(yīng)用前景。低機(jī)載LIDAR地面三維數(shù)據(jù)獲取方法與傳統(tǒng)的測量方法相比,具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)外業(yè)成本低及后處理成本的優(yōu)點(diǎn)。目前,廣大用戶急需低成本、高密集、快速度、高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù),機(jī)載LIDAR技術(shù)正好滿足這個(gè)需求,因而它成為各種測量應(yīng)用中深受歡迎的一個(gè)高新技術(shù)。
快速獲取高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù)是機(jī)載LIDAR技術(shù)在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的前提,因此,開展機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)精度的研究具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。在這一背景下,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)提高機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)精度做了大量研究。
由于飛行作業(yè)是激光雷達(dá)航測成圖的第一道工序,它為后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理提供直接起算數(shù)據(jù)。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(duì)后一工序的影響應(yīng)為最小。因此,通過研究機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)流程,優(yōu)化設(shè)計(jì)作業(yè)方案來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,是非常有意義的。
LiDAR的基本原理
LIDAR是一種集激光,全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)與一身的系統(tǒng),用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。這三種技術(shù)的結(jié)合,可以高度準(zhǔn)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(shù)字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)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(diǎn)都是利用激光進(jìn)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(dá)幾個(gè)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(nèi)在因素。隨著商用GPS及IMU的發(fā)展,通過LIDAR從移動(dòng)平臺(tái)上(如在飛機(jī)上)獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能并被廣泛應(yīng)用。
LIDAR系統(tǒng)包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)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(zhǔn)確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間。因?yàn)楣饷}沖以光速傳播,所以接收器總會(huì)在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到收到前一個(gè)被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的,傳播時(shí)間即可被轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的測量。結(jié)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(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的座標(biāo)X,Y,Z。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個(gè)脈沖到每秒幾萬個(gè)脈沖。舉例而言,一個(gè)頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng),接收器將會(huì)在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個(gè)點(diǎn)。一般而言,LIDAR系統(tǒng)的地面光斑間距在2-4m不等。
激光雷達(dá)的妙用
激光雷達(dá)是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達(dá)系統(tǒng),其原理和構(gòu)造與激光測距儀極為相似??茖W(xué)家把利用激光脈沖進(jìn)行探測的稱為脈沖激光雷達(dá),把利用連續(xù)波激光束進(jìn)行探測的稱為連續(xù)波激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的作用是能精確測量目標(biāo)位置(距離和角度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、振動(dòng)和姿態(tài))和形狀,探測、識(shí)別、分辨和跟蹤目標(biāo)。經(jīng)過多年努力,科學(xué)家們已研制出火控激光雷達(dá)、偵測激光雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、靶場測量激光雷達(dá)、導(dǎo)航激光雷達(dá)等。
直升機(jī)障礙物規(guī)避激光雷達(dá)
目前,激光雷達(dá)在低空飛行直升機(jī)障礙物規(guī)避、化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測和水下目標(biāo)探測等方面已進(jìn)入實(shí)用階段,其它軍事應(yīng)用研究亦日趨成熟。
直升機(jī)在進(jìn)行低空巡邏飛行時(shí),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(jī)機(jī)載雷達(dá)是人們夢寐以求的愿望。目前,這種雷達(dá)已在美國、德國和法國獲得了成功。
美國研制的直升機(jī)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(jī)和旋轉(zhuǎn)全息掃描器可檢測直升機(jī)前很寬的空域,地面障礙物信息實(shí)時(shí)顯示在機(jī)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(dá)更高一籌,它是一種固體1.54微米成像激光雷達(dá),視場為32度×32度,能探測300―500米距離內(nèi)直徑1厘米粗的電線,將裝在新型EC―135和EC―155直升機(jī)上。
法國達(dá)索電子公司和英國馬可尼公司聯(lián)合研制的吊艙載CLARA激光雷達(dá)具有多種功能,采用CO2激光器。不但能探測標(biāo)桿和電纜之類的障礙,還具有地形跟蹤、目標(biāo)測距和指示、活動(dòng)目標(biāo)指示等功能,適用于飛機(jī)和直升機(jī)。
化學(xué)戰(zhàn)劑探測激光雷達(dá)
傳統(tǒng)的化學(xué)戰(zhàn)劑探測裝置由士兵肩負(fù),一邊探測一邊前進(jìn),探測速度慢,且士兵容易中毒。
俄羅斯研制成功的KDKhr―1N遠(yuǎn)距離地面激光毒氣報(bào)警系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)距離探測化學(xué)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(biāo)以及毒劑相關(guān)參數(shù),并可通過無線電通道或有線線路向部隊(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),比傳統(tǒng)探測前進(jìn)了一大步。
德國研制成功的VTB―1型遙測化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器技術(shù)更加先進(jìn),它使用兩臺(tái)9― 11微米、可在40個(gè)頻率上調(diào)節(jié)的連續(xù)波CO2激光器,利用微分吸收光譜學(xué)原理遙測化學(xué)戰(zhàn)劑,既安全又準(zhǔn)確。
機(jī)載海洋激光雷達(dá)
傳統(tǒng)的水中目標(biāo)探測裝置是聲納。根據(jù)聲波的發(fā)射和接收方式,聲納可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式,可對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)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(dá)幾十噸重。而激光雷達(dá)是利用機(jī)載藍(lán)綠激光器發(fā)射和接收設(shè)備,通過發(fā)射大功率窄脈沖激光,探測海面下目標(biāo)并進(jìn)行分類,既簡便,精度又高。
迄今,機(jī)載海洋激光雷達(dá)已發(fā)展了三代產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代研制成功的第三代系統(tǒng)以第二代系統(tǒng)為基礎(chǔ),增加了GPS定位和定高功能,系統(tǒng)與自動(dòng)導(dǎo)航儀接口,實(shí)現(xiàn)了航線和高度的自動(dòng)控制。
成像激光雷達(dá)可水下探物
美國諾斯羅普公司為美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局研制的ALARMS機(jī)載水雷探測系統(tǒng),具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測功能和三維定位能力,定位分辨率高,可以24小時(shí)工作,采用卵形掃描方式探測水下可疑目標(biāo)。
美國卡曼航天公司研制成功的機(jī)載水下成像激光雷達(dá),最大特點(diǎn)是可對(duì)水下目標(biāo)成像。由于成像激光雷達(dá)的每個(gè)激光脈沖覆蓋面積大,因此其搜索效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非成像激光雷達(dá)。另外,成像激光雷達(dá)可以顯示水下目標(biāo)的形狀等特征,更加便于識(shí)別目標(biāo),這已是成像激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢。
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