【儀商網-儀器儀表知識】激光雷達，是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統。其工作原理是向目標發射探測信號(激光束),然后將接收到的從目標反射回來的信號(目標回波)與發射信號進行比較,作適當處理后,就可獲得目標的有關信息,如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數,從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別。

激光雷達的種類是按照什么劃分的？

　　根據方向劃分：

　　激光雷達的方向可以是最低點、天頂或側面。例如，激光雷達高度計往下看，大氣激光雷達往上看，而基于激光雷達的防撞系統要往側面看。

　　根據平臺劃分：

激光雷達應用可分為機載和地面兩種類型。這兩種類型需要根據數據用途、要捕獲的區域大小、所需測量范圍、設備成本等不同要求，使用不同規格的激光掃描儀。星載平臺也是可能的，可以參考衛星激光測高。

激光雷達種類：

　　機載激光雷達

　　機載激光雷達（也稱機載激光掃描）是一種激光掃描儀，在飛行過程中連接到飛機上，創建一個3D點云地形模型。這是目前替代數字攝影測量法的最詳細和準確的創建數字高程模型的方法。與攝影測量法相比，機載激光雷達的一個主要優勢是能夠從點云模型中濾除植被反射，從而創建一個數字地形模型，該模型表示被樹木掩蔽的地表，如河流、道路、文化遺產地等。在機載激光雷達的范疇內，有時會在高海拔和低海拔應用之間進行區分，但主要區別是在較高海拔下獲取的數據的準確性和點密度都降低了。機載激光雷達還可用于在淺水中創建測深模型。  

　　機載激光雷達的主要組成部分包括數字高程模型（DEM）和數字表面模型（DSM）。點和地面點是離散點的矢量，而DEM和DSM是離散點的插值柵格網格，這個過程還包括拍攝數字航空照片。為了解釋深層滑坡，例如，在植被覆蓋下，使用陡坎、張力裂縫或傾斜樹木的變化，可以使用機載激光雷達。機載激光雷達數字高程模型可以穿透森林覆蓋層，對陡坎、侵蝕和電線桿傾斜進行詳細測量。  

　　機載激光雷達數據處理使用的工具箱稱為激光雷達數據過濾和森林研究工具箱（TIFF），可用于激光雷達數據過濾和地形研究軟件，使用該軟件將數據插值到數字地形模型。激光指向要繪制地圖的區域，通過從相應的數字地形模型高程中減去原始z坐標，計算出每個點的離地高度。基于此離地高度，可獲得非植被數據，該數據可能包括諸如建筑物、電線、飛鳥、昆蟲等之類的對象。其余點作為植被處理，用于建模和制圖。在這些圖中，激光雷達的指標是通過計算平均值、標準差、偏度、百分位數、二次平均值等統計數據來計算的。  

　　機載激光雷達測深儀

　　機載激光雷達測深技術系統包括測量信號從信號源到返回傳感器的飛行時間。數據采集技術包括一個海底測繪組件、一個視頻橫斷面和一個采樣的地面真實度組件。它使用綠色光譜（532nm）的激光束工作。兩束激光投射到快速旋轉的反射上，形成一個點陣列。其中一根光束穿透水，并在有利條件下探測水的底面。

　　所獲得的數據顯示了暴露在海底之上的陸地表面的全部范圍。該技術非常有用，因為它將在主要的海床制圖程序中發揮重要作用。該地圖測繪出了陸地地形和水下高程。海底反射成像是該系統的另一種解決方案產品，有利于繪制海底生境圖，這項技術已用于使用水文激光雷達對加利福尼亞水域進行三維圖像制圖。

　　無人機現在正與激光掃描儀以及其他遙感器一起使用，作為掃描較小區域的一種更經濟的方法。無人機遙感的可能性還消除了載人飛機機組人員在困難地形或偏遠地區可能遭受的任何危險。

　　地面激光雷達

　　激光雷達的地面應用（也包括地面激光掃描）發生在地球表面，可以是靜止的，也可以是移動的。靜止地面掃描作為一種測量方法最為常見，例如在傳統的地形、監測、文化遺產文獻和法醫學中。從這些類型的掃描儀獲取的3D點云可以與從掃描儀位置獲取的掃描區域的數字圖像相匹配，以創建逼真的3D效果，與其他技術相比，能在相對較短的時間內建立模型。點云中的每個點都被賦予了像素的顏色，該像素來自于與創建該點的激光束處于相同角度的圖像。

　　移動激光雷達（也稱為移動激光掃描）是指將兩個或多個掃描儀連接到移動的車輛上，沿路徑收集數據。這些掃描儀幾乎總是與其他類型的設備配對，包括GNSS接收器和IMU。一個示例應用是測量街道，其中需要考慮電力線、準確的橋梁高度、邊界樹木等。與使用測速儀在野外單獨收集這些測量數據不同，可以從點云創建一個三維模型，根據所收集數據的質量，在該模型中可以進行所需的所有測量。這就消除了忘記進行測量的問題，只要模型可用、可靠并且具有適當的精度水平。

　　地面激光雷達制圖涉及一個占用柵格地圖的生成過程。這個過程包括一個劃分成網格的單元陣列，當激光雷達數據落入相應的網格單元時，網格采用一個存儲高度值的過程。然后，通過對單元值應用特定閾值來創建二進制映射，以便進一步處理。下一步是處理每次掃描的徑向距離和z坐標，以確定哪些3D點對應于每個指定的網格單元，從而導致數據形成過程。

激光雷達系統組成

　　一個基本的激光雷達系統包括一個由旋轉鏡反射的激光測距儀（頂部），激光在被數字化的一維或二維場景周圍被掃描（中間），以指定的角度間隔收集距離測量值（底部）。

　　激光雷達系統由以下幾個主要組件組成。

　　一 激光

　　600-1000nm激光最常見于非科學應用。激光的最大功率是有限的，或者使用自動關閉系統在特定的高度關閉激光，以確保工作人員的安全。

　　1550 nm激光是一種常見的替代方法，在相對較高的功率水平下對人眼安全，因為該波長不會被眼睛強烈吸收，但是檢測器技術的發展不太先進，因此這些波長通常以較低的精度在較長的范圍內使用。它們也用于軍事應用，因為在夜視鏡中看不到1550 nm ，這與較短的1000 nm紅外激光不同。

　　機載地形測繪激光雷達通常使用1064nm二極管泵浦的YAG激光器，而測深（水下深度研究）系統通常使用532 nm倍頻二極管泵浦的YAG激光器，因為532 nm穿透水的衰減比1064 nm 小得多。激光設置包括激光重復頻率（控制數據收集速度）。脈沖長度通常是激光腔長度、通過增益材料（YAG、YLF等）所需的通過次數以及Q開關（脈沖）速度的一個屬性。如果激光雷達接收器檢測器和電子設備具有足夠的帶寬，則可以使用較短的脈沖獲得更好的目標分辨率。

　　二 Flash激光雷達

　　Flash（閃光）激光雷達相機的焦平面具有像素行和列，這些像素具有足夠的“深度”和“強度”以創建3D景觀模型。每個像素記錄每個激光脈沖擊中目標并返回到傳感器所需的時間，以及被激光脈沖接觸的物體的深度、位置和反射強度。閃光燈使用單一光源，該單一光源以單一脈沖照明視場，就像照相機拍的是距離，而不是顏色。

　　機載光源使Flash激光雷達成為一個主動傳感器。通過嵌入式算法處理返回的信號，以生成傳感器視場內物體和地形特征的近乎即時的3D渲染。激光脈沖重復頻率足以生成具有高分辨率和準確性的3D視頻。傳感器的高幀速率使其成為各種應用程序的有用工具，這些應用程序受益于實時可視化，例如高精度的遠程著陸操作。通過立即返回目標景觀的3D高程網格，Flash傳感器可用于識別自主航天器著陸場景中中的最佳著陸區域。

　　三 相控陣

　　相控陣可以通過使用單個天線的微觀陣列照亮任何方向。通過控制每個天線的定時（相位），可以將一個內聚信號導向一個特定的方向。

　　自1950年代以來，相控陣已用于雷達，同樣的技術也可以用于光。大約一百萬個光學天線用于在特定方向上觀察特定尺寸的輻射圖，該系統由精確閃光定時控制，單個芯片（或幾個）取代了價值75000美元的機電系統，從而大大降低了成本。

　　有幾家公司正在開發商用固態激光雷達裝置，其中包括正在設計905 nm固態器件的Quanergy公司，盡管它們似乎在開發中遇到一些問題。

　　控制系統可以改變鏡頭的形狀以啟用放大/縮小功能，特定的分區可以以亞秒間隔為目標。

　　機電激光雷達能持續1000至2000小時，相比之下，固態激光雷達可以運行100000小時。

　　四 微機電設備

　　微機電系統（MEMS）并非全固態。然而，它們微小的外形提供了許多相同的成本優勢。單個激光被指向單個反射鏡上，鏡子快速旋轉，該反射鏡可以重新定向以查看目標場的任何部分。然而，MEMS系統通常在單個平面（從左到右）中工作。要添加第二個維度，通常需要上下移動第二個鏡像或者，另一個激光可以從另一個角度擊中同一反射鏡。MEMS系統可能受到沖擊/振動的干擾，可能需要重復校準。我們的目標是創造一個小型微芯片，以加強創新和進一步的技術進步。

　　五 掃描儀和光學元件

　　圖像顯影速度受其掃描速度的影響，掃描方位角和仰角的選項包括雙振蕩平面鏡、多角鏡和雙軸掃描儀的組合。光學選擇會影響角度分辨率和可以檢測到的范圍，可以選擇使用孔鏡或分束器來收集返回信號。

　　六 定位和導航系統

　　安裝在飛機或衛星等移動平臺上的激光雷達傳感器需要儀器來確定傳感器的絕對位置和方向，這樣的設備通常包括全球定位系統接收器和慣性測量單元（IMU）。

　　七 傳感器

　　激光雷達使用有源傳感器提供自己的光源，能源撞擊物體，反射的能量由傳感器檢測和測量。通過記錄發射脈沖和反向散射脈沖之間的時間并使用光速計算行進距離，可以確定到物體的距離。因為相機能夠發射更大的閃光燈并利用返回的能量來感測感興趣區域的空間關系和尺寸，因此Flash激光雷達可以進行3D成像。由于不需要將捕獲的幀縫合在一起，并且系統對平臺運動不敏感，失真較小，因此可以實現更精確的成像。

　　使用掃描和非掃描系統均可實現3D成像。“ 3D門控觀測激光雷達”是一種非掃描激光測距系統，可應用脈沖激光和快速門控攝像頭。目前，使用數字光處理（DLP）技術進行虛擬光束轉向的研究已經開始。

　　激光雷達成像也可以使用高速探測器陣列和調制敏感探測器陣列，通常使用互補金屬氧化物半導體（CMOS）和混合CMOS /電荷耦合器件（CCD）制造技術在單芯片上構建。在這些設備中，每個像素執行某些本地處理，例如高速解調或門控，將信號向下轉換為視頻速率，以便陣列可以像照相機一樣讀取。使用這項技術，可以同時獲得數千個像素/通道。高分辨率3-D激光雷達相機通過電子CCD或CMOS 快門使用零差檢測。

　　相干成像激光雷達使用合成陣列外差檢測來使凝視的單元素接收器像成像陣列一樣工作。

　　2014年，林肯實驗室宣布推出一款新的成像芯片，其像素超過16384像素，每一個像素都能成像一個光子，使它們能夠在一幅圖像中捕捉到廣闊的區域。2010年1月海地地震后，美國軍方就采用了像素技術數量的四分之一的較早技術，一架商務飛機在太子港上空3000米（10,000英尺）一次通行證就能夠以30厘米（12英寸）的分辨率捕獲城市600米平方的瞬時快照。林肯系統的速度要快10倍，該芯片使用銦鎵砷化物（InGaAs），它在紅外光譜中以相對較長的波長工作，允許更高的功率和更長的范圍。在許多應用中，如自動駕駛汽車，新系統將降低成本，不需要機械部件來瞄準芯片。InGaAs使用的危險波長比在可見波長下工作的傳統硅探測器要小。