激光雷达技术的发展和应用

激光雷达技术的发展和应用

摘要:根据激光雷达的测距原理及中心投影共线条件方程式,建立了激光雷达测量系统的几何模型及其精度评价模型，对激光雷达在军事、气象、地质、环境与测绘等领域的应用以及激光雷达未来的发展趋势作了详细介绍。

关键词：激光雷达；几何模型；发展；应用。

引言：２０世纪６０年代初出现了以测距为主要功能的激光雷达（ＬｉＤＡＲ），它以高角分辨率、高速度分辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力、良好的隐蔽性，以及出色的全天候工作能力在很多领域尤其是军事领域中得到了广泛的应用。ＬｉＤＡＲ技术（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＲａｎｇｉｎｇ）也称机载激光雷达，它是一种安装在飞机上的机载激光系统，通过量测地面的三维坐标，生成ＬｉＤＡＲ数据影像，经过相关软件处理后，可以生成地面的ＤＥＭ模型、等值线图及ＤＯＭ正射影像图。ＬｉＤＡＲ系统通过扫描装置，沿航线采集地面点三维数据；系统可自动调节航带宽度，使其与航摄宽度精确匹配，在不同的实地条件下，平面精度可达０.１Ｉｌｌ，采样间隔为２～１２ｍ。ＬｉＤＡＲ是集激光技术、光学技术和微弱信号技术于一体而发展起来的一种现代化光学遥感手段，它使用激光作为探测波段，波长较短而且是单色相干光，凶而呈现出极高的分辨本领和抗干扰能力，为其在各方面的应用奠定了重要基础。ＬｉＤＡＲ探测技术不仅可以获得目标地物表面的反射能量的大小，同时还可获取目标反射波谱的幅度、频率和相位等信息，用于测速和识别移动目标，在环境、生态、通信、航天等方面有着广泛的应用。本文重点介绍ＬｉＤＡＲ的技术现状和应用领域。

正文：

1.激光雷达的发展过程

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对接用的激光雷达，１９７８年ＮＡＳＡ／ＭＦＳＣ研制出了用于同一目的的Ｃ０２干涉激光雷达－７。１９７６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委托美国无线电公司和帕新一爱而莫公司开发用于测量全球对流层风场的Ｃ０２相干激光雷达Ｉ９］。１９８８年ＮＡＳＡ研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，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.激光雷达的主要应用

由于激光雷达特有的优势，在国民经济建设中如农林业、军事侦察、水利电力

勘查设计、道路设计、国土资源与气象环境调查、国家基础测绘、城市规划、煤矿区地质环境动态监测等各大领域中已经得到了广泛的应用。

3.1激光雷达在军事方面的应用

主动式激光雷达用于军事成像侦察有显著的优越性，它不仅可以获取目标及周围地区清晰的图像，而且还可以获得运动物体的速度和方向，某些波段的激光雷达还能够侦察隐蔽目标。在军事应用方面，激光雷达主要有以下应用：•用于巡航导弹的研制和导航。美国休斯公司、通用动力公司和麦道公

司联合为巡航导弹生产激光雷达、制导系统、地形匹配系统。他们宣称：“激光雷达能改善现有和未来的巡航导弹的目标瞄准功能”，从而大大提高巡航导弹的生存能力。

（２）用于测距。它能提供不同目标的特征信息，从而区分大到车辆，小到人员的各种目标、尺寸；能对目标成像，且分辨率很高；能给机载武器发射系统提供目标距离，并选择目标的瞄准点。

（３）用于低飞目标的跟踪测量。美国夕尔凡尼亚公司研制的车载“精密跟踪系统”其测距精度可达0.１ｍ。对提高导弹超低空飞行能力和命中精度、飞机着陆系统校准、导航卫星定位校准等都发挥特殊的作用。在军事上，激光雷达还可用于目标飞行器的测量，为舰艇提供海面信息、跟踪和监测化学武器污染及云团情况，保卫有生力量。

3.2激光雷达在大气环境监测方面的应用

（１）大气污染物分布监测。低空中存在的大量气溶胶是造成大气污染的主要因素，激光雷达发ｌＪ的激光与这些粒子作用时会发生米氏散射，米氏散射激光雷达根据这一性质完成气溶胶浓度、空间分布及能见度的测定。

（２）大气成分观测。差分吸收激光雷达的主要作用是大气成分的测定。其测量原理是使激光雷达发射出两种不等波长的光，其中一个波长调制到与待测物质的吸收波段内，另一波长调制到吸收系数小的边翼，然后以高重复频率将这两种波长交替发射到大气中，通过分析两者波长的回波信号便可得到待测对象的浓度分布，从而达到测量目的”。

（３）气象要素的观测。在大气环境污染观测中有关风速、气温、湿度等气象要素是不可缺少的重要参数。近年来利用拉曼散射与温度关系研制出的拉曼散射激光雷达，已得到广泛的应用。此外，利用多普勒激光雷达也可以测量风速。

结论：激光雷达技术在产品和应用方面日趋成熟，其关键技术也将进一步得到提高，其精度将更高、速度更快，星载激光雷达将得到更广泛的应用。随着机械、星载及相干激光雷达技术的发展要求，一些激光雷达关键技术将得以发展和提高。体积小、质量轻、激光波长，对人眼安全、高能量及半导体泵浦的激光雷达系统将成为今后的主流。由于Ｌａｄａｒ在很多方面有着独特的特点，美国在星载Ｌａｄａｒ上雄心勃勃，其下一步计划是在２０１５年之前使星载Ｌａｄａｒ的激光

测高精度达到分米、厘米级。由于星载激光雷达具有测量区域广、精度高，且激光能量损耗小等诸多优点，因此将会被广泛用于大气测量、全球气候和生态环境研究、地形测量、空间定位、导弹制导、飞行器跟踪、侦察等领域中。而且在诸多应用领域中，多传感器集成将会成为一个重要的特点，地基和天基激光雷达将会集成使用，为定量遥感提供更加准确的数据。