機載激光(guāng)雷達（Lidar）基礎原理(lǐ)與應用(yòng)

　　機載激光(guāng)雷達作爲航測服務行業常用(yòng)的(de)手段，大(dà)家想必對(duì)機載激光(guāng)雷達有些好奇，飛(fēi)燕帶大(dà)家了(le)解一下(xià)機載激光(guāng)雷達的(de)基礎原理(lǐ)與現在的(de)應用(yòng)。機載激光(guāng)雷達是一種可(kě)以精确、快(kuài)速獲取地面或大(dà)氣三維空間信息的(de)主動探測技術，應用(yòng)範圍和(hé)發展前景十分(fēn)廣闊。以往的(de)傳感器隻能獲取目标的(de)空間平面信息，需要通(tōng)過同軌、異軌重疊成像等技術來(lái)獲取三維高(gāo)程信息，這(zhè)些方法與LiDAR技術相比，不但測距精度低，數據處理(lǐ)也(yě)比較複雜(zá)。正因爲如此，LiDAR技術與成像光(guāng)譜、合成孔徑雷達一起被列爲對(duì)地觀測系統計劃中最核心的(de)信息獲取與處理(lǐ)技術。機載激光(guāng)雷達是将激光(guāng)技術、高(gāo)速信息處理(lǐ)技術、計算(suàn)機技術等高(gāo)新技術相結合的(de)産物(wù)。

　　機載激光(guāng)雷達的(de)工作原理(lǐ)

　　激光(guāng)雷達是一種雷達系統，是一種主動傳感器，所形成的(de)數據是點雲形式。其工作光(guāng)譜段在紅外到紫外之間，主要發射機、接收機、測量控制和(hé)電源組成。工作原理(lǐ)爲：首先向被測目标發射一束激光(guāng)，然後測量反射或散射信号到達發射機的(de)時(shí)間、信号強弱程度和(hé)頻(pín)率變化(huà)等參數，從而确定被測目标的(de)距離、運動速度以及方位。除此之外，還(hái)可(kě)以測出大(dà)氣中肉眼看不到的(de)微粒的(de)動态等情況。激光(guāng)雷達的(de)作用(yòng)就是精确測量目标的(de)位置(距離與角度)、形狀(大(dà)小)及狀态(速度、姿态)，從而達到探測、識别、跟蹤目标的(de)目的(de)。

　　機載激光(guāng)雷達的(de)現狀及應用(yòng)

　　激光(guāng)技術從它的(de)問世到現在，雖然時(shí)間不長(cháng)，但是由于它有：高(gāo)亮度性、高(gāo)方向性、高(gāo)單色性和(hé)高(gāo)相幹性等幾個(gè)極有價值的(de)特點，因而在國防軍事、工農業生産、醫學衛生和(hé)科學研究等方面都有廣泛的(de)應用(yòng)。LiDAR技術在西方國家發展相對(duì)成熟，已經投入商業運行的(de)激光(guāng)雷達系統(主要指機載)主要有Optech(加拿大(dà))、TopSys(法國)和(hé)Leica(美(měi)國)等公司的(de)産品。

　　1. 軍事方面的(de)應用(yòng)

　　目前，在水(shuǐ)雷探測激光(guāng)雷達、化(huà)學試劑探測激光(guāng)雷達、大(dà)氣監測激光(guāng)雷達、生化(huà)陸戰激光(guāng)雷達等方面已經有了(le)很大(dà)的(de)成就。另外，中國的(de)攻擊激光(guāng)雷達已經相當的(de)先進，包含著(zhe)世界最尖端的(de)五大(dà)核心技術：激光(guāng)材料研究的(de)突破、激光(guāng)輻射材料物(wù)理(lǐ)機理(lǐ)及成像圖譜研究的(de)突破、一次性快(kuài)速跟蹤定位控制技術的(de)突破、高(gāo)密度能量可(kě)逆轉換載體材料的(de)突破、激光(guāng)成像技術的(de)突破。

　　2. 測風方面的(de)應用(yòng)

　　多(duō)普勒測風激光(guāng)雷達具有高(gāo)分(fēn)辨率、高(gāo)精度、大(dà)探測範圍、能提供晴空條件下(xià)三維風場(chǎng)信息的(de)能力。多(duō)普勒測風激光(guāng)雷達利用(yòng)光(guāng)的(de)多(duō)普勒效應，測量激光(guāng)光(guāng)束在大(dà)氣中傳輸及其回波信号的(de)多(duō)普勒頻(pín)移來(lái)反演空間風速分(fēn)布。主要有相幹(外差)探測和(hé)非相幹(直接)探測兩種方式。

　　3. 氣象方面的(de)應用(yòng)

　　我國已經建立12個(gè)沙塵暴長(cháng)期觀測站，首次形成全國性的(de)沙塵暴監測網絡。可(kě)以通(tōng)過先進的(de)觀測、模拟和(hé)衛星遙感的(de)聯合研究，查明(míng)中國沙塵暴發生的(de)确切源地，科學地分(fēn)辨氣象、氣候條件變化(huà)等自然因素和(hé)沙漠化(huà)土地增加等人(rén)爲因素對(duì)沙塵暴的(de)影(yǐng)響，爲準确預警、預報沙塵暴，制定全面高(gāo)效的(de)防治計劃提供科學依據。

　　4. 醫學方面的(de)應用(yòng)

　　美(měi)國能源部所屬的(de)Oak Ridge國家實驗室開發出一種集成了(le)激光(guāng)和(hé)雷達系統的(de)系統，這(zhè)種系統可(kě)以減輕燒傷病人(rén)的(de)痛苦。研究人(rén)員(yuán)希望這(zhè)種同頻(pín)連續波激光(guāng)雷達映射系統，可(kě)以從病人(rén)身體上去除壞死的(de)皮膚和(hé)肌肉。這(zhè)種新系統可(kě)以對(duì)燒傷病人(rén)的(de)體表組織進行三維的(de)激光(guāng)雷達定位探測，以确定損害程度。利用(yòng)探測定位結果，激光(guāng)可(kě)以自動除去壞死的(de)組織以利于新組織生長(cháng)。

　　5. 水(shuǐ)土保持監測中的(de)應用(yòng)

　　目前，全國由于建設開發的(de)影(yǐng)響，給水(shuǐ)土流失治理(lǐ)帶來(lái)很大(dà)的(de)難度，據調查，全國每年由于開發建設使水(shuǐ)土流失面積達到1.00×104平方千米由以上。由于激光(guāng)雷達在測量精度上比傳統方法測量結果要精細許多(duō)，更真實、可(kě)信;而且，可(kě)詳細反映所測場(chǎng)地的(de)形态，輕松實現三維建模，從而真正實現了(le)非接觸式測量，大(dà)大(dà)減少了(le)外業工作量，降低了(le)外業危險;并且可(kě)對(duì)開挖邊坡、崩崗、山體滑坡等許多(duō)形式的(de)水(shuǐ)土流失進行測量，使傳統水(shuǐ)土保持走上“精耕細作”之路。

　　機載激光(guāng)雷達的(de)未來(lái)發展趨勢

　　1. 星載激光(guāng)雷達

　　星載LiDAR以衛星作爲平台，其運行軌道高(gāo)、觀測範圍廣、觀測速度快(kuài)，受地面背景、天空背景影(yǐng)響小，具有高(gāo)分(fēn)辨率、高(gāo)靈敏度的(de)特點，幾乎可(kě)以觸及世界的(de)每一個(gè)角落，爲三維控制點和(hé)數字地面模型(DEM)的(de)獲取提供了(le)新的(de)途徑，在國防或是科學研究等領域都具有十分(fēn)重大(dà)的(de)應用(yòng)價值和(hé)研究意義。

　　星載LiDAR還(hái)具有觀察整個(gè)天體的(de)能力，實現天體測繪、全球信息采集、全球環境監測、農業林(lín)業資源調查、大(dà)氣結構成分(fēn)測量等。此外，星載LiDAR在植被垂直分(fēn)布測量、海面高(gāo)度測量、雲層和(hé)氣溶膠垂直分(fēn)布測量以及特殊氣候現象監測等方面也(yě)可(kě)以發揮重要作用(yòng)。

　　目前，國際上發展的(de)星載激光(guāng)雷達有：美(měi)國的(de)NASA/LaRC星載差分(fēn)吸收雷達、月(yuè)球觀測Clementine系統、火星勘探者的(de)MOLA-2系統、觀測空間小行星的(de)NRL系統、地球觀測的(de)GLAS系統、後向散射雷達ATLID。研究和(hé)解決星載Li-DAR的(de)關鍵技術，建立起自己的(de)星載LiDAR系統，将會是我國激光(guāng)雷達的(de)重要的(de)發展方向。

　　2. 戰場(chǎng)偵察激光(guāng)雷達

　　激光(guāng)雷達有可(kě)能成爲重要的(de)偵察工具和(hé)手段。美(měi)國雷西昂公司正在試驗使用(yòng)GaAA激光(guāng)行掃描傳感器制造ILR100成像激光(guāng)雷達，此設備可(kě)以安裝在商性能飛(fēi)機和(hé)無人(rén)機上，在120-460米的(de)高(gāo)空執行偵查任務。偵查的(de)影(yǐng)像可(kě)實時(shí)地傳送到飛(fēi)機上的(de)陰極射線管顯示器上或通(tōng)過數據鏈路直接發送至地面接受站。

　　3. 測風激光(guāng)雷達

　　測定風速對(duì)研究氣候變化(huà)、提高(gāo)天氣預報的(de)精度、監測機場(chǎng)氣流、優化(huà)飛(fēi)機航線以及在軍事、火箭發射等方面具有非常重要的(de)意義。目前來(lái)看，2μm左右的(de)全固化(huà)相幹激光(guāng)雷達及發射在紫外波段的(de)非相幹激光(guāng)雷達将是未來(lái)發展的(de)重點。

　　4. 激光(guāng)雷達尋的(de)器

　　激光(guāng)雷達可(kě)以提供以距離和(hé)強度爲基礎的(de)高(gāo)分(fēn)辨率影(yǐng)像，使空地武器具有自主精确制導能力。激光(guāng)雷達尋的(de)器能形成目标的(de)三維影(yǐng)像，确保準确地識别目标。目前，美(měi)國空軍賴特實驗室與海軍聯合開展了(le)一項基于固态激光(guāng)雷達演示計劃，目的(de)就是完成激光(guāng)雷達尋的(de)器和(hé)自主式捕獲目标。激光(guāng)雷達尋的(de)器将會安裝在AGM-130、聯合空地遠(yuǎn)程導彈上，以提高(gāo)自主制導的(de)能力和(hé)打擊精度。

　　結論

　　由于機載激光(guāng)雷達是一種代價小、效果好、使用(yòng)範圍廣的(de)遙感手段，相信将來(lái)會應用(yòng)得(de)更爲廣泛。特别是“嫦娥一号”奔月(yuè)以來(lái)，對(duì)我國發展星載激光(guāng)雷達是個(gè)巨大(dà)促進。當然如果想要對(duì)于機載激光(guāng)雷達想要詳細了(le)解，可(kě)以聯系我們飛(fēi)燕，我們飛(fēi)燕航空遙感技術有限公司配備了(le)兩台國際上最先進的(de) RIEGL VQ-1560i 機載激光(guāng)雷達測量系統。機載激光(guāng)雷達RIEGL VQ-1560i 的(de)最大(dà)激光(guāng)發射頻(pín)率高(gāo)達200萬赫茲，有效地面測量速度達1,330,000點/秒，最高(gāo)可(kě)在4700米的(de)海拔處作業。該系統能夠在不同高(gāo)度進行飛(fēi)行作業獲取大(dà)範圍高(gāo)密度點雲。因此特别合适對(duì)超大(dà)面積區(qū)域和(hé)複雜(zá)城(chéng)市環境進行空中測繪。此外用(yòng)戶能在複雜(zá)地形做(zuò)出有效的(de)飛(fēi)行計劃，提高(gāo)飛(fēi)行效率，并保證飛(fēi)行安全。