激光雷達(dá) 又名：lidar;laserradar

       其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)(激光束),然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(hào)(目標(biāo)回波)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

定義 

       LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)，是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。用激光器作為輻射源的雷達(dá)。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機(jī) 、天線 、接收機(jī) 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機(jī)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；接收機(jī)采用各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測(cè)器件等。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法分直接探測(cè)與外差探測(cè)。
 

歷史 

起源 

       自從1839年由Daguerre和Niepce拍攝第一張像片以來，利用像片制作像片平面圖(X、Y)技術(shù)一直沿用至今。到了1901年荷蘭人Fourcade發(fā)明了攝影測(cè)量的立體觀測(cè)技術(shù)，使得從二維像片可以獲取地面三維數(shù)據(jù)(X、Y、Z)成為可能。一百年以來，立體攝影測(cè)量仍然是獲取地面三維數(shù)據(jù)最精確和最可靠的技術(shù)，是國(guó)家基本比例尺地形圖測(cè)繪的重要技術(shù)。

優(yōu)缺點(diǎn)

       激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)

       與普通微波雷達(dá)相比,激光雷達(dá)由于使用的是激光束,工作頻率較微波高了許多,因此帶來了很多優(yōu)點(diǎn),主要有：

       （1）分辨率高

       激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo)(這是微波雷達(dá)無論如何也辦不到的),并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo)；距離分辨率可達(dá)0.lm；速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離——多譜勒成像技術(shù)來獲得目標(biāo)的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達(dá)的最顯著的優(yōu)點(diǎn),其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。

       （2）隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)

       激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,只有在其傳播路徑上才能接收到，因此敵方截獲非常困難，且激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠(yuǎn)鏡)口徑很小,可接收區(qū)域窄，有意發(fā)射的激光干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的概率極低；另外，與微波雷達(dá)易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多，因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng),適于工作在日益復(fù)雜和激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中。

       （3）低空探測(cè)性能好

       微波雷達(dá)由于存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區(qū)域的盲區(qū)(無法探測(cè)的區(qū)域)。而對(duì)于激光雷達(dá)來說,只有被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)生反射,完全不存在地物回波的影響，因此可以"零高度"工作，低空探測(cè)性能較微波雷達(dá)強(qiáng)了許多。

       （4）體積小、質(zhì)量輕

       通常普通微波雷達(dá)的體積龐大，整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記，光天線口徑就達(dá)幾米甚至幾十米。而激光雷達(dá)就要輕便、靈巧得多,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級(jí),整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤，架設(shè)、拆收都很簡(jiǎn)便。而且激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維修方便，操縱容易，價(jià)格也較低。

       激光雷達(dá)的缺點(diǎn)

       首先，工作時(shí)受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠(yuǎn)。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。如工作波長(zhǎng)為10.6μm的co2激光，是所有激光中大氣傳輸性能較好的,在壞天氣的衰減是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷達(dá)的作用距離,晴天為10—20km,而壞天氣則降至1 km以內(nèi)。而且,大氣環(huán)流還會(huì)使激光光束發(fā)生畸變、抖動(dòng)，直接影響激光雷達(dá)的測(cè)量精度。

       其次，由于激光雷達(dá)的波束極窄,在空間搜索目標(biāo)非常困難，直接影響對(duì)非合作目標(biāo)的截獲概率和探測(cè)效率,只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo)，因而激光雷達(dá)較少單獨(dú)直接應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和搜索。

分類

       激光雷達(dá)按工作方式可分為脈沖激光雷達(dá)和連續(xù)波激光雷達(dá)；

       根據(jù)探測(cè)技術(shù)的不同，可以分為：直接探測(cè)型激光雷達(dá)和相干探測(cè)型激光雷達(dá)；

       按應(yīng)用范圍可分為：靶場(chǎng)測(cè)量激光雷達(dá)（武器實(shí)驗(yàn)測(cè)量）火控激光雷達(dá)（控制射擊武器自動(dòng)實(shí)施瞄準(zhǔn)與發(fā)射）跟蹤識(shí)別激光雷達(dá)（制導(dǎo)、偵查、預(yù)警、水下目標(biāo)探測(cè)），激光雷達(dá)引導(dǎo)（航天器交匯對(duì)接、障礙物回避）、大氣測(cè)量激光雷達(dá)（云層高度、大氣能見度、風(fēng)速、大氣中物質(zhì)的成分和含量）。

       激光雷達(dá)的主要應(yīng)用于跟蹤，成像制導(dǎo)，三維視覺系統(tǒng)，測(cè)風(fēng)，大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，主動(dòng)遙感等方向。

發(fā)展 

       隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)及高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字立體攝影測(cè)量也逐漸發(fā)展和成熟起來，并且相應(yīng)的軟件和數(shù)字立體攝影測(cè)量工作站已在生產(chǎn)部門普及。但是攝影測(cè)量的工作流程基本上沒有太大的變化，如航空攝影-攝影處理-地面測(cè)量(空中三角測(cè)量)-立體測(cè)量-制圖(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本沒有大的變化。這種生產(chǎn)模式的周期太長(zhǎng)，以致于不適應(yīng)當(dāng)前信息社會(huì)的需要，也不能滿足“數(shù)字地球”對(duì)測(cè)繪的要求。 　　

       LIDAR測(cè)繪技術(shù)空載激光掃瞄技術(shù)的發(fā)展，源自1970年，美國(guó)航天局（NASA）的研發(fā)。因全球定位系統(tǒng)（Global PositioningSystem、GPS）及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（InertialInertiNavigation System、INS）的發(fā)展，使精確的即時(shí)定位及姿態(tài)付諸實(shí)現(xiàn)。德國(guó)Stuttgart大學(xué)于1988到1993年間將激光掃描技術(shù)與即時(shí)定位定姿系統(tǒng)結(jié)合，形成空載激光掃描儀（Ackermann-19）。之后，空載激光掃瞄儀隨即發(fā)展相當(dāng)快速，約從1995年開始商業(yè)化，目前已有10多家廠商生產(chǎn)空載激光掃瞄儀，可選擇的型號(hào)超過30種（Baltsavias-1999）。研發(fā)空載激光掃瞄儀的原始目的是觀測(cè)多重反射（multiple echoes）的觀測(cè)值，測(cè)出地表及樹頂?shù)母叨饶Ｐ?。由于其高?span id="dmidocn" class="hrefStyle">自動(dòng)化及精確的觀測(cè)成果用空載激光掃瞄儀為主要的DTM生產(chǎn)工具。 

軍事用途 

       激光掃描方法不僅是軍內(nèi)獲取三維地理信息的主要途徑，而且通過該途徑獲取的數(shù)據(jù)成果也被廣泛應(yīng)用于資源勘探、城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)開發(fā)、水利工程、土地利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通通訊、防震減災(zāi)及國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目等方面，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和科學(xué)研究提供了極為重要的原始資料，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，展示出良好的應(yīng)用前景。低機(jī)載LIDAR地面三維數(shù)據(jù)獲取方法與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比，具有生產(chǎn)數(shù)據(jù)外業(yè)成本低及后處理成本的優(yōu)點(diǎn)。目前，廣大用戶急需低成本、高密集、快速度、高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù)，機(jī)載LIDAR技術(shù)正好滿足這個(gè)需求，因而它成為各種測(cè)量應(yīng)用中深受歡迎的一個(gè)高新技術(shù)。 　　

       快速獲取高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù)是機(jī)載LIDAR技術(shù)在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的前提，因此，開展機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)精度的研究具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。在這一背景下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)提高機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)精度做了大量研究。 　

       由于飛行作業(yè)是激光雷達(dá)航測(cè)成圖的第一道工序，它為后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理提供直接起算數(shù)據(jù)。按照測(cè)量誤差原理和制定“規(guī)范”的基本原則，都要求前一工序的成果所包含的誤差，對(duì)后一工序的影響應(yīng)為最小。因此，通過研究機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)流程，優(yōu)化設(shè)計(jì)作業(yè)方案來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，是非常有意義的。 

LiDAR的基本原理 

       LIDAR是一種集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)與一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準(zhǔn)確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用于獲得地面數(shù)字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應(yīng)用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點(diǎn)都是利用激光進(jìn)行探測(cè)和測(cè)量，這也正是LIDAR一詞的英文原譯，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。 　　

       激光本身具有非常精確的測(cè)距能力，其測(cè)距精度可達(dá)幾個(gè)厘米，而LIDAR系統(tǒng)的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、GPS及慣性測(cè)量單元(IMU)三者同步等內(nèi)在因素。隨著商用GPS及IMU的發(fā)展，通過LIDAR從移動(dòng)平臺(tái)上（如在飛機(jī)上）獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能并被廣泛應(yīng)用。

　　LIDAR系統(tǒng)包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器所接收。接收器準(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間。因?yàn)楣饷}沖以光速傳播，所以接收器總會(huì)在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到收到前一個(gè)被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時(shí)間即可被轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的測(cè)量。結(jié)合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發(fā)射方向，就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的座標(biāo)X，Y，Z。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個(gè)脈沖到每秒幾萬個(gè)脈沖。舉例而言，一個(gè)頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng)，接收器將會(huì)在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個(gè)點(diǎn)。一般而言，LIDAR系統(tǒng)的地面光斑間距在2-4m不等。 

激光雷達(dá)的妙用 

       激光雷達(dá)是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達(dá)系統(tǒng)，其原理和構(gòu)造與激光測(cè)距儀極為相似。科學(xué)家把利用激光脈沖進(jìn)行探測(cè)的稱為脈沖激光雷達(dá)，把利用連續(xù)波激光束進(jìn)行探測(cè)的稱為連續(xù)波激光雷達(dá)。激光雷達(dá)的作用是能精確測(cè)量目標(biāo)位置（距離和角度）、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度、振動(dòng)和姿態(tài)）和形狀，探測(cè)、識(shí)別、分辨和跟蹤目標(biāo)。經(jīng)過多年努力，科學(xué)家們已研制出火控激光雷達(dá)、偵測(cè)激光雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、靶場(chǎng)測(cè)量激光雷達(dá)、導(dǎo)航激光雷達(dá)等。 

直升機(jī)障礙物規(guī)避激光雷達(dá) 

       目前，激光雷達(dá)在低空飛行直升機(jī)障礙物規(guī)避、化學(xué)／生物戰(zhàn)劑探測(cè)和水下目標(biāo)探測(cè)等方面已進(jìn)入實(shí)用階段，其它軍事應(yīng)用研究亦日趨成熟。 　　

       直升機(jī)在進(jìn)行低空巡邏飛行時(shí)，極易與地面小山或建筑物相撞。為此，研制能規(guī)避地面障礙物的直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)是人們夢(mèng)寐以求的愿望。目前，這種雷達(dá)已在美國(guó)、德國(guó)和法國(guó)獲得了成功。 　　

       美國(guó)研制的直升機(jī)超低空飛行障礙規(guī)避系統(tǒng)，使用固體激光二極管發(fā)射機(jī)和旋轉(zhuǎn)全息掃描器可檢測(cè)直升機(jī)前很寬的空域，地面障礙物信息實(shí)時(shí)顯示在機(jī)載平視顯示器或頭盔顯示器上，為安全飛行起了很大的保障作用。 　　

       德國(guó)戴姆勒.奔馳宇航公司研制成功的Hel??las障礙探測(cè)激光雷達(dá)更高一籌，它是一種固體1．54微米成像激光雷達(dá)，視場(chǎng)為32度×32度，能探測(cè)300―500米距離內(nèi)直徑1厘米粗的電線，將裝在新型EC―135和EC―155直升機(jī)上。 　　

       法國(guó)達(dá)索電子公司和英國(guó)馬可尼公司聯(lián)合研制的吊艙載CLARA激光雷達(dá)具有多種功能，采用CO2激光器。不但能探測(cè)標(biāo)桿和電纜之類的障礙，還具有地形跟蹤、目標(biāo)測(cè)距和指示、活動(dòng)目標(biāo)指示等功能，適用于飛機(jī)和直升機(jī)。 

化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá) 

       傳統(tǒng)的化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)裝置由士兵肩負(fù)，一邊探測(cè)一邊前進(jìn)，探測(cè)速度慢，且士兵容易中毒。 　　

       俄羅斯研制成功的KDKhr―1N遠(yuǎn)距離地面激光毒氣報(bào)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)距離探測(cè)化學(xué)毒劑攻擊，確定毒劑氣溶膠云的斜距、中心厚度、離地高度、中心角坐標(biāo)以及毒劑相關(guān)參數(shù)，并可通過無線電通道或有線線路向部隊(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，比傳統(tǒng)探測(cè)前進(jìn)了一大步。 　　

       德國(guó)研制成功的VTB―1型遙測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器技術(shù)更加先進(jìn)，它使用兩臺(tái)9― 11微米、可在40個(gè)頻率上調(diào)節(jié)的連續(xù)波CO2激光器，利用微分吸收光譜學(xué)原理遙測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑，既安全又準(zhǔn)確。 

機(jī)載海洋激光雷達(dá) 

       傳統(tǒng)的水中目標(biāo)探測(cè)裝置是聲納。根據(jù)聲波的發(fā)射和接收方式，聲納可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式，可對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行警戒、搜索、定性和跟蹤。但它體積很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至達(dá)幾十噸重。而激光雷達(dá)是利用機(jī)載藍(lán)綠激光器發(fā)射和接收設(shè)備，通過發(fā)射大功率窄脈沖激光，探測(cè)海面下目標(biāo)并進(jìn)行分類，既簡(jiǎn)便，精度又高。 　　

       迄今，機(jī)載海洋激光雷達(dá)已發(fā)展了三代產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代研制成功的第三代系統(tǒng)以第二代系統(tǒng)為基礎(chǔ)，增加了GPS定位和定高功能，系統(tǒng)與自動(dòng)導(dǎo)航儀接口，實(shí)現(xiàn)了航線和高度的自動(dòng)控制。 

成像激光雷達(dá)可水下探物 

       美國(guó)諾斯羅普公司為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局研制的ALARMS機(jī)載水雷探測(cè)系統(tǒng)，具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)功能和三維定位能力，定位分辨率高，可以24小時(shí)工作，采用卵形掃描方式探測(cè)水下可疑目標(biāo)。 　　

       美國(guó)卡曼航天公司研制成功的機(jī)載水下成像激光雷達(dá)，最大特點(diǎn)是可對(duì)水下目標(biāo)成像。由于成像激光雷達(dá)的每個(gè)激光脈沖覆蓋面積大，因此其搜索效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非成像激光雷達(dá)。另外，成像激光雷達(dá)可以顯示水下目標(biāo)的形狀等特征，更加便于識(shí)別目標(biāo)，這已是成像激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢(shì)。