激光雷达工作原理及发展现状

激光自20世纪被人类发明以来，它的优势在各方面都得到了认可，也成为了继核能、半导体和电子计算机之后，人类又一重大科技成果。激光雷达是激光技术与传统雷达相结合的产物，它集合了激光技术与雷达技术一系列特点，将光、机、电融合一体，形成具有独特性能的崭新雷达体制，是一种将激光束作为新的探测信号主动式的现代光学遥感技术。激光技术产生和发展，为雷达提供了一种更为理想的辐射源，使激光雷达得以迅速发展。

本文从激光雷达结构出发，介绍激光雷达工作原理与特点，然后阐述激光雷达在军事、大气水域监测、建模与测绘以及航天工程中的应用，尤其是近年来最热门的无人驾驶汽车上的应用。

1　激光雷达工作原理

1.1　激光雷达概念

激光雷达是传统雷达与激光技术相结合的产物，是以激光束作为信息载体，可以用相位、频率、偏振和振幅来搭载信息的主动式雷达。激光雷达发射激光束频率较传统雷达高几个数量级，故频率量变使得激光雷达技术产生了质的变革；又由于激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性特点，所以激光雷达能够精确测距、测速和跟踪，还具有很高角分辨率、速度分辨率和距离分辨率，对更小尺度的目标物也能产生回波信号，在探测细小颗粒有着特有优势。

1.2　激光雷达工作原理

激光雷达一般由激光发射机、激光接收机、光束整形和激光扩束装置、光电探测器、回波检测处理电路、计算机控制和信息处理装置和激光器组成；激光雷达结构和工作原理如图1所示。激光雷达是以激光器作为辐射源，通过激励源激励，发出空间呈高斯分布的激光束，为了能得到质量更好的激光束，经由光束整形和激光扩束装置，使激光束空间分布均匀，加大了激光作用距离；整形和扩束好的激光束作为激光雷达探测信号，以大气为传播媒介，辐射到目标物表面上；激光接收机接收目标物反射和散射信号，光信号经由光电探测器转变为电信号，回波检测处理电路从传来的电信号中分出回波信号和杂波干扰脉冲，并放大回波信号，将回波信号送往计算机进行数据采集与处理，提取有用信息。

（南宁师范大学 物理与电子学院，南宁 530299）

摘　要：激光雷达以其特点和技术优势，在军事和民用上得到广泛应用。基于此，主要介绍了激光雷达工作

原理、特点以及激光雷达在军事、大气水域监测、建模与测绘、航天工程中的应用，阐述说明近年来最热门的无

人驾驶汽车中激光雷达应用方法，并对激光雷达未来进行展望。

关键词：激光雷达 工作原理 特点应用

图1　激光雷达结构及工作原理图

雷达探测、跟踪以及识别未知情况下目标物体作准备。

2　激光雷达特点

激光雷达的一些特点远远超过其他雷达，这些技术优

势显著，如采集数据密度大、精度高、分辨率高以及探测

距离远，使其在很多工作领域内得到普遍应用。激光雷达

与普通雷达各方面能力对比，如表1所示。

激光雷达的信号源发射的信号波束窄、探测数据多，与其他雷达比拟采集数据量更大，每秒可对数十万个点进行测量，有利于真实物体表面还原与建模。根据具体工作情况与工作内容，可调节点采集间距，提高工作效率与工作适用性。

激光雷达的探测距离相比普通雷达来说要远，根据激光雷达性能，探测距离可达数千米，如美国麻省理工学院林肯实验室所研制的“火炮”激光雷达，其作用距离可达到800km。由于激光波长短、频率高，激光雷达的测量精度得到极大提升。在测速上，其最小测量速度可以达到0.003cm/s；在测距上，测距精度可接近米量级；在测角上，精度也很高，可接近乃至到达分的量级。例如光束发散角10°，测角偏差不会大于1°。

激光雷达在角分辨率、速度分辨率以及距离分辨率也是其他雷达所不能比拟的。激光雷达能同时追踪两个或两个以上目标，分辨率不会有所下降。激光雷达能够大规模应用也是得益于激光雷达分辨率高的特点。

激光雷达体积小、质量轻，相比普通雷达以吨计质量、复杂构造、庞大体积，激光雷达有利于运输与维修，架设、拆收都很方便，在战争中不会被敌军轻易发现破坏。质量轻的激光雷达甚至可以单人手持使用。激光雷达质量轻、体积小特点，使其普遍安装在飞行器机体上，不占用太多有限空间，可对地面进行低空探测。

激光雷达隐蔽性好，抗干扰能力强。激光是沿直线传播，传播路径确定，具有方向性好、光束窄特点，想要发现和截获激光信号非常困难。激光雷达不需要普通雷达大的发射和接收口径，就能获得高精度测量数据。由于激光雷达接收和发射部分口径小的特点，干扰信号极难进入，因此十分合适在军事上应用。

激光雷达探测方式是主动式的，相对于普通雷达被动式，不轻易受地物回波、自然光、太阳高度角限制和影响，可以24h全天候作业。

3　激光雷达应用发展现状

3.1　激光雷达在军事上的应用

军事上，激光雷达用于侦察成像、障碍物躲避、化学试剂探测、水雷探测和武器制导等。在侦察成像方面，激光雷达工作波长短、多普勒频移灵敏度高，所以具备极高的角分辨率、速度分辨率和距离分辨率，获得目标图像的清晰度远非其他雷达所能相比的。在水雷探测方面，美国的Kaman宇航公司研制了“魔灯”水雷探测激光雷达，并在海湾战争期间成功地发现水雷，让美军损失降到最低。在武器制导方面，激光雷达分辨率高，热能辐射干扰小，命中目标概率得到极大提高。

3.2　激光雷达在大气水域监测上的应用

激光雷达在大气监测应用上效果出众，对气象研究、海洋次表层温度；利用布里渊散射可测温度、海洋声速和盐度；利用荧光效应测量因各种事故造成泄露在海面上的油气。

3.3　激光雷达在建模与测绘上的应用

激光雷达测绘技术能提高测绘速率和精度，使测绘成本大大降低。激光雷达在工程测绘中的应用，要结合GPS和INS这两种技术，以达到对测绘目标形态和空间分布的展现。

在建模方面，激光雷达能将获取到的点云数据进行处理建模，从而达到实际应用需求。在数字城市领域，将三维点云数据用于城市建筑物建模，是数据城市建设运用的一种新技术手段；文物三维模型准确地记录了文物精确几何信息，对于文物保护和修复起到了重要作用；点云数据构建的三维人体模型是人体模型建模的一种新的技术手段。

3.4　激光雷达在航天工程中的应用

激光雷达在航天工程中的应用也很普遍。因为激光在宇宙中衰减程度比在大气传播弱，有利于激光雷达获取地外星体表面特征数据，建立清晰三维地表图，有利于减少航天器在外星球登陆时事故发生率。

激光雷达也常应用在空中交会对接中，用于精确测定两大航天器间速度、距离以及视线角等参数。我国神舟八号与天宫一号的空中交会对接，神舟八号上的激光雷达在对天宫一号搜索、捕获与测量上发挥了重要作用，使中国在航天工程领域与西方国家之间差距得以缩小。

3.5　激光雷达在无人驾驶汽车上的应用

激光雷达技术是无人驾驶汽车关键技术之一。无人驾驶汽车上的激光雷达第一个作用是定位。百度、谷歌和通用等公司是利用激光雷达即时定位与地图构建技术；SLAM 技术与激光雷达精度高、对动静状态下的环境变化快速响应等特点相结合，在无人驾驶汽车行驶过程中，SLAM技术会对沿途环境特征提取并进行增量式地图构建，形成局部地图，并与已有全局地图环境数据信息相关联，实时更新全局地图；在全局地图上加入新的环境信息，实现精确导航与厘米级定位。激光雷达SLAM技术的弊端是需要提早做好激光雷达地图，也就是全局地图。

激光雷达在无人驾驶汽车上第二个作用是对目标进行分类识别，如四周车辆、车道线、斑马线、路沿和红绿灯等。

波激光信号强度不同，

达数据相融合。