机载激光雷达

引言激光雷达测量技术是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用.LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称，通常指机载对地激光测距技术，对地激光测距的主要目标是获取地质、地形、地貌以及土地利用状况等地表信息。

相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。

随着LIDAR传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR 数据将提供更为丰富的地表和地物信息]1[。

1.激光雷达的发展过程]3[]2[
第1代激光雷达于1967年由美国国际电话和电报公司研制，用于开发航天飞行器交会
干涉激光雷达。

1976对接用的激光雷达，1978年NASA/MFSC研制出了用于同一目的的CO
2
年用于研究地球科学的星载激光雷达一经问世就得到重视，NASA和NOAA委托美国无线电公
相干激光雷达。

1988年NASA研司和帕新一爱而莫公司开发用于测量全球对流层风场的CO
2
制出激光大气风探测器，空间分辨率达到1000ｍ左右，利用不同高度背向散射测量水平风场，到了20世纪90年代，由于全固体激光技术和二极管泵浦全固态技术的迅速发展，较好地解决了制约星载激光雷达的寿命问题，开辟了高精度绘图、远程测距、环境监测、测云、测地被、测目标和非相干测风等应用邻域，发展了基于DPSS技术的差分吸收激光雷达、拉曼散射激光雷达、非相干多普勒激光雷达和生物激光雷达等，显示出巨大的经济效益和军事价值。

2. 激光雷达的应用范围及优缺点
在军事应用方面，激光雷达主要被用于巡航导弹的研制和导航、给机载武器测试目标距离和地飞目标跟踪等。

在民用方面主要用于大气环境监视方面比如污染物监测、大气成分检测、气象观测等，激光雷达在现代测绘、复杂电力系统巡检等都将有更新的应用。

激光雷达的波长比微波短好几个数量级，又有更窄的波束。

因此，和微波雷达相比，激光雷达具有角分辨率高、抗干扰能力强、隐蔽性好、体积小重量轻等优点：
当然，激光雷达也有易受天气影响、难以搜索和捕获目标等缺点：一般先有其他设备实施大空域、快速粗捕目标，然后交由激光雷达对目标进行精密跟踪测量。

3. 激光雷达工作原理]7[]5[
传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。

激光雷达以激光作为载波，可以用振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。

激光雷达的工作原理与雷达非常相近。

由激光器发射出的脉冲激光由空中入射到地面上，打到树木上，道路上，桥梁上，房子上，引起散射。

一部分光波会经过反射返回到到激光雷达的接收器中。

接收器通常是一个光电倍增管或一个光电二极管，它将光信号转变为电信号，记录下来。

同时由所配备的计时器记录下来同一个脉冲光信号由发射到被接收的时间间隔T。

于是，就能够得到由飞机上的的激光雷达到地面上的目标物的距离R为: R = CT/2。

这里C代表光速，是一个常数，即C=300,000公里/秒。

激光雷达每一个脉冲激光的最大距
离分辨率也可由以下公式给出：⊿R = C/2·(t
L +t
N
+t
W
)这里，t
L
代表激光脉冲的长度，t
N
代
表接收器电子器件的时间常数，t
W
代表激光与目标物体的碰撞时间常数。

对于一个Q-开关
的N d:YAG激光器，它的脉冲常数是10纳秒，接收器电子器件的时间常数t
N
一般是50纳秒
到200纳秒，激光与目标物体的碰撞时间常数t
W
较小，一般忽略不计。

因此，距离分辨率⊿R一般在7.5米到30米。

机载LIDAR系统对地定位原理如下，假设地理空间有一向量S，其模为r,如已知该向量
起点O
S 的坐标（X
S
，Y
S
，Z
S
），则该向量的另一端点P的坐标（X,Y，Z）可唯一确定。

对于机
载LIDAR系统来说，起点O
S 为激光发射器中心，其坐标（X
S
,Y
S
，Z
S
）可利用动态差分GPS
求出；向量r的模是由激光测距系统测定的机载激光测距仪到地面激光脚点间的距离，姿态参数可以利用高精度姿态装置测获得。

同时还必须顾及到一些系统误差，包括激光测距仪相对于GPS天线相位中心的偏差，激光扫描仪机架的三个安置脚（翻滚角、俯仰角和航偏角），以及IMU相对于GPS的偏心矢量及IMU机体同载体坐标轴间的视轴偏心角等。

这些误差都需要通过一定的检校场进行。

4 机载激光雷达的组成及其选择依据
机载LIDAR的系统组成主要包括：GPS、INS（惯性导航系统）、激光扫描测距系统、成像装置和工作平台等。

（1）二维激光扫描仪]6[
二维激光扫描仪是激光雷达的核心部分，用于激光雷达的二维激光扫描仪的激光器所输
出的激光波形有两种：一种是脉冲式的，另一种是连续波，脉冲式的激光器一般是半导体激光器，或用半导体激光器泵浦的Nd-YAG激光器。

他们的特点是输出的功率大，峰值功率可达到几MW。

连续波激光雷达用于卫星遥感和长距离遥感。

我们通常用的是基于时间-飞行差原理（time-flight）的脉冲式的激光雷达。

脉冲式激光雷达的测距分辨率⊿H由公式
⊿H=C·t P/2 给出。

C是光速，t P是光的一个脉冲周期时间。

一个脉冲光在一个周期时间里所通过的距离：脉冲宽度Lp=2⊿H。

如果t P=1ns, Lp=300mm; 如果t P=1ns, Lp=3m。

脉冲宽度越短，测距的分辨率越高一般为t rise=1ns。

激光器的峰值输出功率E p一般是2000W,那么每发射一个脉冲光所需要的能量E为E=E p·t P=2000W·10ns=20μj
因而，如果激光器的发射频率f为10,000Hz，所需要的激光器的发射功率为P=E·f=0.2W。

如果f为100,000Hz，所需要的激光器的发射功率为2W。

目前市场上的二维激光器的距离测量精度在1000米的距离时为2厘米—5厘米。

（2）IMU（惯性测量单元）设备
IMU的主要作用就是确保系统的激光扫描仪和数码相机精确三维定位。

当航飞高度在1000米以上时，对于IMU的要求标准较高。

目前比较优异的的IMU（IGI, Applanix, iMAR, iPAS)技术参数表如下所示：
对于航高在500米以下的系统，对于IMU的要求可以降低。

IMU与DGPS的组合使用使两种系统取长补短，Lidar系统将IMU和DGPS获得的信息进行综合，获得更高精度的位置信息，增强了系统的可靠性，部分解决了采样频率低的问题。

(3) 光的色散
激光是目前所有已经知道的光中发散度最小的。

通常我们用弧度来表示光的色散γ。

如果我们以激光器的光窗的孔径为D,激光的波长为λ，光的色散大小的极限值与光衍射相关。

当超过它的极限时，光斑会出现模糊。

因而，γ≧ 2.44λ/D也就是说，如果激光器的发射光窗不变，光的色散随着光的波长的增加而增大；如果光的波长不变，光的色散随着光窗的增加而减小。

（4）最大发射频率
目前市场上的激光雷达的激光发射的最大频率范围为10,000赫兹—240,000赫兹。

均为Riegl公司所生产。

Optech公司和莱卡公司的激光器的最大发射频率分别是160,000赫兹和150,000赫兹。

TopSys的是125,000赫兹。

根据时间-飞行差原理，激光由飞机上的激光器发射打到地面上被发射回到机载雷达的接收器上所经历的时间t=2H/C。

这里C是光在真空中运行的速度，这里更准确话，我们应该用V(光在空气中运行的速度)来代替C.当飞行高度为1000米时，所需时间为6.7微秒。

那么激光发射频率f=1/t。

于是，最大发射频率PRF(Pulse Repetition Frequency)与光速和激光器到标靶的距离相关。

fmax= PRF = V/2Hmax]6[，因此发射激光器标定的最大发射频率都是在一定的高度以下才能达到的。

（5）数码相机设备
目前所配备的数码相机的种类主要有：哈苏、禄来、徕卡、和DSS相机。

总像素分别为：3900万、5000万和6000万。

像素元大小在6—9μm之间。

值得特别留意的是数码相机的固定稳定性问题。

如果相机的固定不是很稳固，经过一段时间，影像的测量误差就会比较大。

另外，还要注意相机的标定问题。

（6）飞行高度和精度的关系
人们对于飞机平台的追求是飞得高一些，飞得快一些，以便尽快完成项目；但是，飞得高，飞得快，GPS/IMU的误差大，激光发射的频率低，入射到地面的激光点稀疏，激光测距的精度低。

我们遇到的大多数项目精度要求在1：2000，如果能够提高到1：500更好。

因此，在
2008年以前，国内设备的激光发射的最高频率为100,000赫兹，飞行高度（AGL: Above Grond Level）大多数在1000米以下，以保证每平方米有一个激光点，GPS/IMU的误差在5－10cm 之间，影像的分辨率在12cm或更小。

近年来，由于具备更高的激光发射频率和具备多脉冲技术的机载激光雷达相继引入我国，飞行的高度可提高到1800米左右。

如果要飞行大面积的精度在1：5000以下的项目，飞行的高度可以设在3000米以上，甚至更高。

但是精度会明显下降，激光点的密度会大幅减少。

如果要飞有植被覆盖的山区，入射到地面的激光点的几率非常小，基本不可取。

5 激光雷达的发展趋势
本人认为小型、机动用于特定目标测量的激光雷达已成为当今激光雷达发展的主流, 特别是小型中小功率激光器的发展与微型化、大规模集成电路和高性能计算机的发展,为小型激光雷达的迅速发展提供了坚实的基础。

机载激光雷达的通用化，组件化会得到普及，机载激光雷达逐渐进入数字信号时代，改变了以前依靠模拟信号的现状。

参考文献
【1】激光雷达测距原理与其应用。

任晓楠，尚连聚
【2】激光雷达技术的发展和应用。

齐晴
【3】李清泉，李必军，激光雷达测量技术及其应用研究［Ｊ］。

武汉测绘科技大学学，2000，25（5）
【4】激光雷达原理。

邓洪川
【5】戴永江. 激光雷达原理[M]. 北京: 国防出版社, 2002.
【6】激光雷达介绍。

刘燕京
【7】机载激光雷达基础原理与应用[M]。

赖旭东.电子工业出版社，2010.。