Lidar技术

物理学术语

LiDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的系统，用于获得点云数据并生成精确的数字化三维模型。这三种技术的结合，可以在一致绝对测量点位的情况下获取周围的三维实景。

工作原理

激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。

因为光速是已知的，所以根据发射光的发出时间和后向散射光的接收时间的时间差就可计算出激光器与污染剂的距离。这就是激光雷达能测距的原理。

过程与方法

激光雷达测物的基本作用过程是，作为光源的激光器发出特定波长的光束，射向污染剂(或毒剂云团)，该波长的光同污染剂相互作用后，有一部分光以与发射光束相反的方向反射回接收装置，经探测后便可获知有关污染剂的信息。

激光雷达探测大气污染剂在遥感中属主动式方法。还有被动式方法。被动法本身没有人工光源，本身不发射光束，只接收来自目标云团自身的热辐射或天然光源(太阳)的辐射，然后进行分析测定而得出结论。

分类

激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。激光雷达中使用的激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移Nd：YAG激光器、GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。

根据光与污染剂分子作用原理不同，激光雷达可分为如下几种。

基于吸收原理的激光雷达

几乎所有的由多种原子组成的污染剂(包括化学战剂)都能吸收特定波长的光，不同的化合物吸收的光波长也不一样。要测哪种污染剂，就让激光器发出该污染剂最强烈吸收的那个波长的光。发射光被吸收掉一部分后，总有一少部分反射回探测器，分析接收到的光强度的变化就能察知污染剂的浓度大小。如将激光器发出的光束波长调谐到与待测污染剂的吸收波长相重合并使其频宽小于该污染剂的吸收线宽，这时，就将产生最强烈的吸收效应。这叫共振吸收，基于测量共振吸收的激光雷达叫共振吸收激光雷达。共振吸收时，除产生热能外，还产生荧光。基于测量共振吸收时所产生的荧光强度的激光雷达叫共振荧光激光雷达。

如果使激光器发出两束波长不同的光，其波长分别位于待测污染剂吸收峰和吸收谷的位置，测量两束光通过污染剂后各自的强度，从而计算污染剂浓度，这种方法叫作差分吸收法，用此原理工作的雷达叫差分吸收激光雷达。

米氏散射激光雷达

光波与污染剂分子相互作用除了上述的吸收效应外，还有散射效应。所谓散射是指光在不均匀介质中传播时偏离原来的方向而向各个方向散开的现象。这一现象的产生是因为介质中混杂有折射率各不相同的微小粒子(原子、分子、微粒)之故。如果粒子的径度与光束波长大小相等或稍大于波长，则引起的散射叫米氏散射。米氏散射中入射光波长与反射光波长相等。利用米氏散射原理的激光雷达叫米氏散射激光雷达。

喇曼散射激光雷达

如果用一束频率为υ0的单色光照射污染剂，则在散射光中除了频率为u0的成分之外，还有频率为υ0+Δυ和频率为υ0-Δυ的成分，使入射光频率发生位移的这种散射叫喇曼散射。分子种类不同，其喇曼散射光的频率位移值Δυ也不同，与入射光频率υ0无关。可见，探测后向散射光中的Δυ就可推断是哪种污染剂分子存在。利用这个原理的雷达叫喇曼散射激光雷达。

根据探测技术的不同分类

，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。其中直接探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（AM），且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可用外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率调制（FM）或混合调制。按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，运动目标指示雷达，流速测量雷达，风剪切探测雷达，目标识别雷达，成像雷达及振动传感雷达。

相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共同在所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收（T/R）开头隔离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最后高频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含两套望远镜和光学扫描部件，T/R开关自然不再需要，其余部分与单稳系统的相同。

发展过程

美国

美国陆军1958年就宣告研制成功第一台主动式毒剂遥测仪〔1〕，名叫LOPAIR，是一种基于含磷毒剂对9,8μm波长红外线差分吸收原理的光雷达，但光源不是激光器(世界第一台激光器1960年研制成功)，LOPAIR总重54磅，探测距离400米，对0.01μg/l浓度的神经毒剂有响应。但由于性能不佳，未装备部队。70年代，美国陆军曾探索性地研制过同位素CO2激光雷达〔2〕。作用原理同LOPAIR。为它规定的主要性能要求是：探测距离1km，可探测神经毒剂和模拟剂，灵敏度CL=500mg/m2。但至今未见这种激光雷达研制情况的进一步报道。差不多与此同时，美国陆军当局又同布鲁克工程公司签订合同，研制喇曼散射激光雷达〔3〕，使用一台宇宙线2-J红宝石激光器，全套设备装在一辆拖车上，可在野外不同气候条件下进行污染剂遥感测量，探测距离400米，距离分辨率10米，对SO2的灵敏度300ppm米。后来经改进后，化学兵当局已能用它测量G类和V类神经毒剂，且作用距离增加到2km。还曾计划用它来探测生物战剂。可是，该激光雷达最终也未能装备部队.美国空军80年代研制成功一种差分吸收激光雷达DIAL〔4〕，光源为一只频率可调CO2激光器，该激光器能发出波长位于9~10μm波段(含磷神经毒剂峰值吸收线波长为9.8μm)的60条谱线，以供选择用于照射毒剂。DIAL的作用距离2km，对神经毒剂的灵敏度为0.01mg/m3，对芥子气为0.1mg/m3。计划服役后，每个空军基地机场塔台下的工事中安装2台DIAL，就足以对整个机场实施毒剂监测。1986年，DIAL系统的体积和重量都有所减小，探测距离也增加到了7公里，这更有利于野外使用。还计划将此激光雷达安装在直升机和远程有人驾驶飞机中使用〔5〕。

眼下，美国休斯飞机公司正在为美国陆军发展一种基于吸收原理的CO2调频激光雷达〔6〕。该光雷达的CO2激光器可调出4种激光束用以照射毒剂，对蒸气态毒剂的作用距离5km，对气溶胶毒剂是1km，对地面液态毒剂是500m〔7〕。服役后将安装在防化侦察车和直升机上。

如今，激光雷达在美国陆军的远景规划中已被确定为要重点加以发展的技术之一。

前苏联

前苏联1987年试验、1990年批量生产的KDKhR-1N型探测化学战剂的激光雷达是以ACRV炮兵指挥车外壳和底盘为工作平台改装而成的，其激光传感器可在360°范围内通过光谱吸收分析来扫描并探测距离1～3公里(一说3~5公里)处的毒剂云团，车内携带的一台计算机控制系统能让操作者测出毒剂云团的距离、大小和形状，以及在地面上空的运动速度和方向。对神经毒剂的灵敏度达每立方米空气零点零几毫克〔8〕。

法国

法国研制的主动式激光雷达名叫DETADIS，是一种差分吸收激光雷达〔9〕。该系统应用2台TEA CO2激光器作光源，这个光源可在9～11μm之间调谐，而且效率高。该系统其他基本性能参数如下：激光脉冲能量30mJ，重现率10Hz，接收望远镜口径160mm，光探测器为冷却状态下的HgCdTe，观测方位角120°，竖直观测角30°，对气态毒剂的作用距离3km，灵敏度值低于毒剂的阈值。

日本

日本环境厅国立公害研究所1981年就建成当时的世界最大激光雷达〔10〕，该雷达能在瞬间测出60公里范围内的大气污染物分布状况。激光器发出的激光束被大气污染物散射，散射光被1.5米口径的反射望远镜接收。由此可以推断，这是一台米氏散射式激光雷达。米氏散射激光雷达只能测出污染剂的距离、分布状况、运动速度和方向，而分辨不出污染剂到底为何物及浓度是多少。

英国

英国早在1970年就制成了一台激光雷达〔11〕，使用红宝石激光器为光源，用来探测飞机布洒物。飞机尾部的布洒物把激光束反射回来，由地面牛顿望远镜收集并聚焦于一个光电池上，光电池把光能变成电信号，电信号进入示波器

匈牙利

匈牙利正在发展一种供野外用的差分吸收激光雷达VTB-1〔12〕，VTB-1具有两个连续波射频激励CO2波导激光器作为光源。该激光器在9～11μm波段可调谐出40条谱线。因此，使用时可以很容易地选出两条谱线使其位于待测物的吸收峰和吸收谷的位置，从而得以用差分吸收法鉴别大气污染剂(或毒剂)的种类。VTB-1是两端式装置，即将激光器置于一辆卡车上，而将一台人工反射器--1m2喷砂铝反射器安装于几千米之外的一个三脚架上(上述其他各国的激光雷达都为单端式的，即它们不用人工反射器，而是接收污染剂的后向散射光)。使用时，将装有激光器的卡车置于某大型设施中(如某个工业区)，然后在该设施周期布放几个反射器，就可实施对此设施的监测。激光器可旋转360°，竖直活动范围为15～20°。VTB-1最小可测光密度10～20W，频宽只有1Hz。其光学系统主要有迈克尔逊干涉仪，卡塞格伦望远镜用作发射和接收装置。数据处理部分有低噪声前置放大器和带通滤光器。VTB-1可探测出所有G类和V类神经毒剂气体，灵敏度在130mg/m2～250mg/m2之间，作用距离5公里。

发展

美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似，即侧重于对目标的监视、捕获、跟踪、毁伤评（SATKA）和导航。然而，由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导航任务，因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上，例如高精度毁伤评估，极精确的导航修正及高分辨率成像。较早出现的一种激光雷达称为“火池”，它是由美国麻省理工学院的林肯实验室投资，于60年代末研制的。70年代初，林肯实验室演示了火池雷达精确跟踪卫星，获得多普勒影像的能力。80年代进行的实验证明，这种CO2激光雷达可以穿透某些烟雾，识破伪装，远距离捕获空中目标和探测化学战剂。发展到80年代末的火池激光雷达，采用一台高稳定CO2激光振荡器作为信号源，经一台窄带CO2激光放大器放大，其频率则由单边带调制器调制。另有工作于蓝-绿波段的中功率氩离子激光与上述雷达波束复合，用于对目标进行角度跟踪，而雷达波束的功能则是收集距离――多普勒影像，实时处理并加以显示。两束波均由一个孔径为1.2M的望远镜发射并接收。据报道，美国战略防御局和麻省理工学院的研究人员于1990年3月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西洋海岸发射的探空火箭进行了跟踪实验。在二级点火后6分钟，火箭进入亚轨道，即爬升阶段，并抛出其有效负载，即一个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞行器的可充气气球。该气球有气体推进器以提供与再入飞行器和诱饵的物理结构相一致的动力学特性。目标最初由L波段跟踪雷达和X波段成像雷达进行跟踪。并将这些雷达传感器取得的数据交给火池激光雷达，后者成功地获得了距离约800千米处目标的像。

据1991年5月的《防卫电子学》报导，美国空军和海军当时正在研制“先进技术激光雷达系统（ATLAS）”。该系统拟装在巡航导弹上，用CO2激光和新型红外雷达将巡航导弹引向目标。此项计划由设在佛罗里达州伊格林空军基地的莱特研究所先进制导部主管，主承包商麦道公司和通用动力公司康威尔分部各自按照1500万美元的合同研制AGM-130或巡航导弹型武器。海军发言人雷上尉当时称计划在1992年财政年度对ATLAS以吊舱结构进行飞行试验；1992年，位于加利福尼亚州的休斯公司光电与数据系统研究组已研制成功一种先进的CO2激光雷达，并将其作为ATLAS计划的一部分，交付主承包商通用动力公司康威尔分部。1992年6月的《光子学》和7月的《防卫电子学》对此相继作了报导。为了演示激光雷达的功能，康威尔分部将其与有关的信号处理电子设备以及制导系统的其他部件。即处理机，导航传感器和测试仪器等一起装入吊舱，吊挂在康威尔分部的试验喷气飞机上，在伊格林试验场针对目标进行飞行，激光雷达提供了目标区域的高分辨率三维图像。此后，又进行了多种空对地武器的导航，末端瞄准和精密寻的导引试验，充分显示出该激光雷达用于导弹制导的很多独特的优点。

用途

测污

在世界范围内，大气污染问题日益严重。要治理这种环境污染，首先就要探测污染源头。激光雷达是探测污染源头在哪里的最有威力的手段。使用它可以随时监测某个地域上空的空气污染情况，甚至探测出某个烟囱都排放出哪些污染物，从而为迅速采取对策提供依据。这是说的民用方面。　[特点]激光雷达测污(或探测化生战剂)具有下列几大优点。第一，它无需兴师动众去收集样品，也就省去了样品预处理方面的繁琐手续，因而方法简便，分析速度快；第二，检测人员不同污染物接触，因而可避开诸如有毒、肮脏、高温、险峻等等恶劣环境；第三，因激光雷达具有测距功能，故用它可以实时测出污染剂的三维空间(立体)分布状况，根据不同时间的三维分布又可勾画出污染剂的移动速度、路线和浓度变化图，有利于预报。在防化领域意义更重大，它能提供更多预警时间，让部队较从容而充分地采取防护措施，减少伤亡，也就等于削弱了敌化生袭击的效果。

军事探测

在军事上，对付敌化学生物袭击的最重要措施之一是迅速发现化生战剂的存在，以便及时地采取各种相应的防护，而用激光雷达技术进行探测，由于其探测距离远、获得结果快速和手续简便，使它远远胜过其他任何一种常规的生化战剂的检测方法。

军事上常常希望飞机低空飞行，但飞机飞行的最低高度受到机上传感器探测小型障碍物能力的限制。且不说阻塞气球线这样的对抗设施，在60米以下，各种动力线，高压线铁塔，桅杆、天线拉线这样的小障碍物也有明显的危险性。现有的飞机传感器，从人眼到雷达，均难以事先发现这些危险物，这种情况，在夜间和恶劣天气条件下尤其突出。而扫描型激光雷达因其具有高的角分辨率，故能实时形成这些障碍物有效的影像，提供适当的预警。据1993年5月出版的《军事技术》报导，在法国政府和英国政府的倡议下，由法国达索电子公司和英国GEC-马可尼航空电子学公司雷达系统分部组成的联合体研制出一种紧凑的激光雷达（CLARA）。其主要功能即是发现飞机航线上有危险的障碍物。并显示给驾驶员，且不论白天、黑夜及天气的好坏，均能对前面所提到的各种障碍物进行实时探测、分类和显示。选用的工作波长不受阳光的影响，有良好的穿透烟、雾的特性。为了保证飞机转弯时始终提供适当的警戒，传感器采用了大视场。

紧凑激光雷达的另一功能是进行地形跟踪和目标确定，这要求系统能实现处理飞机前方地形的回波，以产生飞行控制指令。紧凑激光雷达由三部分组成，即传感器头，扫描器及信号与数据处理器。传感器头的核心是激光器组件与探测器组件，前者包括两台CO2激光器，一台提供脉冲或连续波发射光束；另一台是小功率本机振荡器，用于与回波进行外差相干。而探测器组件则为宽波段红外探测器上光学元件的组合，并采用超低温冷却，以减小量子噪声，提高探测灵敏度。探测器将光信号转换为电信号，送往信号处理器进行处理，扫描器的核心是陀螺稳定的双反射镜及其他可旋转光学部件，要求能适应不同的工作模式。在障碍物告警模式下，首先要找到目标的大致方位，因而无需很多的分辨率，但必须有较大的扫描视场；与此相反，在瞄准模式下，目标的大致位置已知，因此无需很大的扫描视场，但要求有很高的距离和视角分辨率，并能以高精度跟踪所选目标。

技术难点

激光雷达技术复杂、研制周期长，设备昂贵，因此要发展它不仅需要有关的高级专门人才，还要有雄厚的经济基础。它就使它普及起来很困难，它主要应用于科学研究方面。

激光雷达发出的激光束具有较高能量，对人的防护是道难题。

激光雷达技术发展还不充分，某些问题还未完全解决，使其应用受到了限制。例如喇曼激光雷达在鉴定污染剂方面在理论上有巨大的优越性，但由于技术不过关，使世界上为数不多的喇曼激光雷达散射截面很小，信号接收很困难，作用距离一般只有几百米，不能发挥其应有的作用。

激光雷达通常体积庞大而笨重，使用中需要经常调试。解决这一问题也非轻而易举之事。

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