激光雷達 又名：lidar;laserradar

       其工作原理是向目標發(fā)射探測信號(激光束),然后將接收到的從目標反射回來的信號(目標回波)與發(fā)射信號進行比較,作適當處理后,就可獲得目標的有關信息,如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別。它由激光發(fā)射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標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。激光雷達是激光技術與雷達技術相結合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機 、天線 、接收機 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機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、半導體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學望遠鏡；接收機采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、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，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，是國家基本比例尺地形圖測繪的重要技術。

優(yōu)缺點

       激光雷達的優(yōu)點

       與普通微波雷達相比,激光雷達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,主要有：

       （1）分辨率高

       激光雷達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的兩個目標(這是微波雷達無論如何也辦不到的),并可同時跟蹤多個目標；距離分辨率可達0.lm；速度分辨率能達到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離——多譜勒成像技術來獲得目標的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達的最顯著的優(yōu)點,其多數(shù)應用都是基于此。

       （2）隱蔽性好、抗有源干擾能力強

       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，且激光雷達的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠鏡)口徑很小,可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的激光干擾信號進入接收機的概率極低；另外，與微波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多，因此激光雷達抗有源干擾的能力很強,適于工作在日益復雜和激烈的信息戰(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)。而對于激光雷達來說,只有被照射的目標才會產(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強了許多。

       （4）體積小、質(zhì)量輕

       通常普通微波雷達的體積龐大，整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記，光天線口徑就達幾米甚至幾十米。而激光雷達就要輕便、靈巧得多,發(fā)射望遠鏡的口徑一般只有厘米級,整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤，架設、拆收都很簡便。而且激光雷達的結構相對簡單，維修方便，操縱容易，價格也較低。

       激光雷達的缺點

       首先，工作時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。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)流還會使激光光束發(fā)生畸變、抖動，直接影響激光雷達的測量精度。

       其次，由于激光雷達的波束極窄,在空間搜索目標非常困難，直接影響對非合作目標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，因而激光雷達較少單獨直接應用于戰(zhàn)場進行目標探測和搜索。

分類

       激光雷達按工作方式可分為脈沖激光雷達和連續(xù)波激光雷達；

       根據(jù)探測技術的不同，可以分為：直接探測型激光雷達和相干探測型激光雷達；

       按應用范圍可分為：靶場測量激光雷達（武器實驗測量）火控激光雷達（控制射擊武器自動實施瞄準與發(fā)射）跟蹤識別激光雷達（制導、偵查、預警、水下目標探測），激光雷達引導（航天器交匯對接、障礙物回避）、大氣測量激光雷達（云層高度、大氣能見度、風速、大氣中物質(zhì)的成分和含量）。

       激光雷達的主要應用于跟蹤，成像制導，三維視覺系統(tǒng)，測風，大氣環(huán)境監(jiān)測，主動遙感等方向。

發(fā)展 

       隨著科學技術的發(fā)展和計算機及高新技術的廣泛應用，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，以致于不適應當前信息社會的需要，也不能滿足“數(shù)字地球”對測繪的要求。 　　

       LIDAR測繪技術空載激光掃瞄技術的發(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）及慣性導航系統(tǒng)（InertialInertiNavigation System、INS）的發(fā)展，使精確的即時定位及姿態(tài)付諸實現(xiàn)。德國Stuttgart大學于1988到1993年間將激光掃描技術與即時定位定姿系統(tǒng)結合，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="ukdmcsi" class="hrefStyle">自動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、防震減災及國家重點建設項目等方面，為國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和科學研究提供了極為重要的原始資料，并取得了顯著的經(jīng)濟效益，展示出良好的應用前景。低機載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。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)，機載LIDAR技術正好滿足這個需求，因而它成為各種測量應用中深受歡迎的一個高新技術。 　　

       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)是機載LIDAR技術在許多領域的廣泛應用的前提，因此，開展機載LIDAR數(shù)據(jù)精度的研究具有非常重要的理論價值和現(xiàn)實意義。在這一背景下，國內(nèi)外學者對提高機載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，對后一工序的影響應為最小。因此，通過研究機載激光雷達作業(yè)流程，優(yōu)化設計作業(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)和慣性導航系統(tǒng)(INS)三種技術與一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。這三種技術的結合，可以高度準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)的共同特點都是利用激光進行探測和測量，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，其測距精度可達幾個厘米，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從移動平臺上（如在飛機上）獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能并被廣泛應用。

　　LIDAR系統(tǒng)包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統(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。接收器準確地測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發(fā)出之前收到收到前一個被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度，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，就可以準確地計算出每一個地面光斑的座標X，Y，Z。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖。舉例而言，一個頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng)，接收器將會在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個點。一般而言，LIDAR系統(tǒng)的地面光斑間距在2-4m不等。 

激光雷達的妙用 

       激光雷達是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達系統(tǒng)，其原理和構造與激光測距儀極為相似?？茖W家把利用激光脈沖進行探測的稱為脈沖激光雷達，把利用連續(xù)波激光束進行探測的稱為連續(xù)波激光雷達。激光雷達的作用是能精確測量目標位置（距離和角度）、運動狀態(tài)（速度、振動和姿態(tài)）和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標。經(jīng)過多年努力，科學家們已研制出火控激光雷達、偵測激光雷達、導彈制導激光雷達、靶場測量激光雷達、導航激光雷達等。 

直升機障礙物規(guī)避激光雷達 

       目前，激光雷達在低空飛行直升機障礙物規(guī)避、化學／生物戰(zhàn)劑探測和水下目標探測等方面已進入實用階段，其它軍事應用研究亦日趨成熟。 　　

       直升機在進行低空巡邏飛行時，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機載雷達是人們夢寐以求的愿望。目前，這種雷達已在美國、德國和法國獲得了成功。 　　

       美國研制的直升機超低空飛行障礙規(guī)避系統(tǒng)，使用固體激光二極管發(fā)射機和旋轉全息掃描器可檢測直升機前很寬的空域，地面障礙物信息實時顯示在機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障礙探測激光雷達更高一籌，它是一種固體1．54微米成像激光雷達，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直升機上。 　　

       法國達索電子公司和英國馬可尼公司聯(lián)合研制的吊艙載CLARA激光雷達具有多種功能，采用CO2激光器。不但能探測標桿和電纜之類的障礙，還具有地形跟蹤、目標測距和指示、活動目標指示等功能，適用于飛機和直升機。 

化學戰(zhàn)劑探測激光雷達 

       傳統(tǒng)的化學戰(zhàn)劑探測裝置由士兵肩負，一邊探測一邊前進，探測速度慢，且士兵容易中毒。 　　

       俄羅斯研制成功的KDKhr―1N遠距離地面激光毒氣報警系統(tǒng)，可以實時地遠距離探測化學毒劑攻擊，確定毒劑氣溶膠云的斜距、中心厚度、離地高度、中心角坐標以及毒劑相關參數(shù)，并可通過無線電通道或有線線路向部隊自動控制系統(tǒng)發(fā)出報警信號，比傳統(tǒng)探測前進了一大步。 　　

       德國研制成功的VTB―1型遙測化學戰(zhàn)劑傳感器技術更加先進，它使用兩臺9― 11微米、可在40個頻率上調(diào)節(jié)的連續(xù)波CO2激光器，利用微分吸收光譜學原理遙測化學戰(zhàn)劑，既安全又準確。 

機載海洋激光雷達 

       傳統(tǒng)的水中目標探測裝置是聲納。根據(jù)聲波的發(fā)射和接收方式，聲納可分為主動式和被動式，可對水中目標進行警戒、搜索、定性和跟蹤。但它體積很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至達幾十噸重。而激光雷達是利用機載藍綠激光器發(fā)射和接收設備，通過發(fā)射大功率窄脈沖激光，探測海面下目標并進行分類，既簡便，精度又高。 　　

       迄今，機載海洋激光雷達已發(fā)展了三代產(chǎn)品。20世紀90年代研制成功的第三代系統(tǒng)以第二代系統(tǒng)為基礎，增加了GPS定位和定高功能，系統(tǒng)與自動導航儀接口，實現(xiàn)了航線和高度的自動控制。 

成像激光雷達可水下探物 

       美國諾斯羅普公司為美國國防高級研究計劃局研制的ALARMS機載水雷探測系統(tǒng)，具有自動、實時檢測功能和三維定位能力，定位分辨率高，可以24小時工作，采用卵形掃描方式探測水下可疑目標。 　　

       美國卡曼航天公司研制成功的機載水下成像激光雷達，最大特點是可對水下目標成像。由于成像激光雷達的每個激光脈沖覆蓋面積大，因此其搜索效率遠遠高于非成像激光雷達。另外，成像激光雷達可以顯示水下目標的形狀等特征，更加便于識別目標，這已是成像激光雷達的一大優(yōu)勢。