激光雷达调研报告

关于激光雷达报告

机载激光雷达的技术与市场调研

1.应用背景

机载激光雷达系统（Laser Detection and Ranging，简称Ladar，以前功能低级时也被称为Lidar光雷达）是一种综合应用激光测距仪、IMU（惯性测量单元：一般而言IMU要安装在被测物体的重心上。一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。）、GPS的新型快速测量系统，是解决大比例尺三维制图的重要遥感技术手段，在地形测绘、建筑物三维建模、森林垂直结构探测，以及水利电力设计、公路铁路设计、海岸线分析等方面得到广泛应用。

20世纪60年代初出现了以测距为主要功能的激光雷达，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。激光雷达技术也称机载激光雷达，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，生成激光雷达数据影像，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。激光雷达系统通过扫描装置，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0.1m，采样间隔为 2～12m。激光雷达是集激光技术、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，从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。激光雷达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。

目前生产机载激光雷达系统的公司主要有Leica、 Optech、 TopoSys、 Riegl 、 IGI TopEye 、TopScan 等。

2.发展史

激光雷达经历4个发展阶段:

（1）最早且最简单的激光雷达就是激光测距仪

（2）跟踪测角测距雷达

(3)在测角测距的基础上增加测速（径向、横向）功能

(4)激光成像雷达，可以给出极高的空间分辨率

激光成像雷达的关键技术

从原理上讲，只要发射激光波形具有足够高的波束质量和重复频率，接收信号达到一定的信噪比要求，均能通过波束扫描在探测器的光敏面上得到目标的图像。

激光成像雷达的关键技术主要包括高功率的高波束质量的激光器、高性能二维扫描技术、高灵敏度接收器和图像处理及目标识别算法。其中，前三项属于硬件技术，他们随着相关硬件技术的飞速发展均不同程度地得到解决，第四项技术属于软件技术，对数据的理解和相关理论及算法要求很高，还没有得到很好的解决，是目前激光雷达技术发展的瓶颈。

激光雷达的研发早在上个世纪的七十年代就开始了(Jennifer and Jeff 1999)。最初，是由美国的航天航空总署NASA研究出了一种非常笨重的基于激光测量的设备。尽管它非常昂贵，也只能测量放在地面上的飞机的精确的高度。在八十年代后期，随着GPS民用技术的提高，使得GPS对位置定位的精度达到了厘米的量级。高精度的用于记录激光来回时间的计时器和高精度的惯导测量仪（Inertial Measurement Units，IMU）的相继问世，为激光雷达的商业化打下了基础。

后期逐渐出现各种激光雷达：激光多普勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。

国产激光雷达的发展：（介绍人为北京北科天绘科技有限公司总经理张智武）

激光雷达的研究起源于上世纪60年代末，到95年才实现真正商业化，因为激光雷达的应用尤其是移动测量像车载或者机载必须要有高精度的雷达。商业化激光雷达真正面向市场是在95年，从此进入一个高速发展期。今天看到扫描仪能力非常强，主要体现在它的激光脉冲频率，就是一分钟发出几十万个点，现在的国际主流产品激光脉冲频率是300K以上。

张智武说，三维激光成像技术是通过激光在空气中的传播，反射需要一定的时间，反射会带来一定的角度，激光扫描仪就是记录激光反射的时间和角度，中间数据转换和运算十分复杂。与传统雷达相比，波数很窄，所以定向很好，抗干扰能力比较强，同时精度优于传

统雷达。光有了激光脉冲频率，如果不能成像，仍然是不能用的。我们通过激光反射获得一些可量测信息，成的像是对物体很直接的描述，同时和激光配合的传感器精度越来越高，促进了激光雷达的应用。与此同时，各种专业软件和辅助设施，尤其是在欧美。

国产激光雷达走向世界需要打出品牌，张智武说，国外有一些教堂以及古老建筑，希望入住到这个城市，不管住哪个酒店都能看到城市骄傲的文化遗产，他会把城市分成不同的建筑区域，就要靠激光雷达所得到的数据进行城市规划，这已经很普及。此外在基础设施，地铁的建设、公路的建设、城市立体交通规划上，也都使用了激光雷达。

激光雷达已经深入到国计民生的各个角度，与此配套的是各个行业的应用，产业链非常成熟，各种软件、各种工具、各种服务。张智武说，我这次在德国最大一个感受，在国外做激光雷达的硬件厂家来幸福了，可能有一百家软件提供给你提供服务，根据您的需求定制软件。而且是合作共赢的关系。他们有一系列的人挖空心思想，怎么把激光雷达用起来，然后去挣服务与集成的钱。

国产激光雷达除了大家认为理所当然的价格优势之外。张智武说，更主要的是作为国产激光雷达，一定要让别人知道，我们是世界一流的，所以我们的目标一定是要跟世界主流产品媲美。客户价值最主要的是要适用于国内用户，我们会设计中文的操作界面。对于激光雷达这样的产品来说，服务最重要，有问题寄到国外去，需要几个月，最佳时间都过去了，我们在这方面具有得天独厚的优势，24小时技术响应，三天之内现场，20个工作日之内保证你拿到一个好用的设备。这是我们对客户的承诺。我相信国产激光雷达是一个全产业链的合作，我们通过与全产业链中间其他的很牛的公司去合作，实现上下游连通，我们立志于中国，立志于做中国高端制造业，高端制造业不是简单的复制，一定是要有自主的核心技术和能力。

3.原理与工作过程

（1）原理

机载激光雷达是将激光用于回波测距和定向，并通过位置、径向速度计物体反射特性等信息来识别目标。它体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术。机载激光雷达技术起源于传统的工程测量中的激光测距技术，是传统雷达技术与现代激光技术结合的产物，是遥感测量领域的一门新兴技术。

与普通光波相比，激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特点，不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离测量可大大提高了数据采集的可靠性抗干扰能力。