LiDAR(Light Detection and Ranging),是激光探測及測距系統的簡稱,另外也稱Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)。

用激光器作為發射光源,采用光電探測技術手段的主動遙感設備。激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。由發射系統、接收系統 、信息處理等部分組成。發射系統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、半導體激光器及波長可調諧的固體激光器以及光學擴束單元等組成;接收系統采用望遠鏡和各種形式的光電探測器,如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等組合。激光雷達采用脈沖或連續波2種工作方式,探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達。

LIDAR測繪技術空載激光掃瞄技術的發展,源自1970年,美國航天局(NASA)的研發。因全球定位系統(Global Positioning System、GPS)及慣性導航系統(Inertial Navigation System、INS)的發展,使精確的即時定位及姿態確定成為可能。德國Stuttgart大學于1988到1993年間將激光掃描技術與即時定位定姿系統結合,形成空載激光掃描儀(Ackermann-19)。之后,空載激光掃瞄儀隨即發展相當快速,約從1995年開始商業化,目前已有10多家廠商生產空載激光掃瞄儀,可選擇的型號超過30種(Baltsavias-1999)。研發空載激光掃瞄儀的原始目的是觀測多重反射(multiple echoes)的觀測值,測出地表及樹頂的高度模型。由于其高度自動化及精確的觀測成果用空載激光掃瞄儀為主要的DTM生產工具。

快速獲取高精度的數字高程數據或數字表面數據是機載LIDAR技術在許多領域的廣泛應用的前提,因此,開展機載LIDAR數據精度的研究具有非常重要的理論價值和現實意義。在這一背景下,國內外學者對提高機載LIDAR數據精度做了大量研究。

由于飛行作業是激光雷達航測成圖的第一道工序,它為后續內業數據處理提供直接起算數據。按照測量誤差原理和制定"規范"的基本原則,都要求前一工序的成果所包含的誤差,對后一工序的影響應為最小。因此,通過研究機載激光雷達作業流程,優化設計作業方案來提高數據質量,是非常有意義的。

激光本身具有非常精確的測距能力,其測距精度可達幾個厘米,而LIDAR系統的精確度除了激光本身因素,還取決于激光、GPS及慣性測量單元(IMU)三者同步等內在因素。隨著商用GPS及IMU的發展,通過LIDAR從移動平臺上(如在飛機上)獲得高精度的數據已經成為可能并被廣泛應用。

LIDAR系統包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統。激光器產生并發射一束光脈沖,打在物體上并反射回來,最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發射到被反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播,所以接收器總會在下一個脈沖發出之前收到前一個被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的,傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度,激光掃描角度,從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發射方向,就可以準確地計算出每一個地面光斑的坐標X,Y,Z。激光束發射的頻率可以從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖。舉例而言,一個頻率為每秒一萬次脈沖的系統,接收器將會在一分鐘內記錄六十萬個點。一般而言,LIDAR系統的地面光斑間距在2-4m不等。

(1)分辨率高

激光雷達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的兩個目標(這是微波雷達無論如何也辦不到的),并可同時跟蹤多個目標;距離分辨率可達0.lm;速度分辨率能達到10m/s以內。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離——多譜勒成像技術來獲得目標的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達的最顯著的優點,其多數應用都是基于此。

(2)隱蔽性好、抗有源干擾能力強

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,且激光雷達的發射系統(發射望遠鏡)口徑很小,可接收區域窄,有意發射的激光干擾信號進入接收機的概率極低;另外,與微波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同,自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多,因此激光雷達抗有源干擾的能力很強,適于工作在日益復雜和激烈的信息戰環境中。

(3)低空探測性能好

微波雷達由于存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區域的盲區(無法探測的區域)。而對于激光雷達來說,只有被照射的目標才會產生反射,完全不存在地物回波的影響,因此可以"零高度"工作,低空探測性能較微波雷達強了許多。

(4)體積小、質量輕

通常普通微波雷達的體積龐大,整套系統質量數以噸記,光天線口徑就達幾米甚至幾十米。而激光雷達就要輕便、靈巧得多,發射望遠鏡的口徑一般只有厘米級,整套系統的質量最小的只有幾十公斤,架設、拆收都很簡便。而且激光雷達的結構相對簡單,維修方便,操縱容易,價格也較低。

其次,由于激光雷達的波束極窄,在空間搜索目標非常困難,直接影響對非合作目標的截獲概率和探測效率,只能在較小的范圍內搜索、捕獲目標,因而激光雷達較少單獨直接應用于戰場進行目標探測和搜索。

直升機障礙物規避激光雷達

目前,激光雷達在低空飛行直升機障礙物規避、化學/生物戰劑探測和水下目標探測等方面已進入實用階段,其它軍事應用研究亦日趨成熟。

直升機在進行低空巡邏飛行時,極易與地面小山或建筑物相撞。為此,研制能規避地面障礙物的直升機機載雷達是人們夢寐以求的愿望。目前,這種雷達已在美國、德國和法國獲得了成功。

美國研制的直升機超低空飛行障礙規避系統,使用固體激光二極管發射機和旋轉全息掃描器可檢測直升機前很寬的空域,地面障礙物信息實時顯示在機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。

德國戴姆勒。奔馳宇航公司研制成功的Hel??las障礙探測激光雷達更高一籌,它是一種固體1.54微米成像激光雷達,視場為32度×32度,能探測300―500米距離內直徑1厘米粗的電線,將裝在新型EC―135和EC―155直升機上。

法國達索電子公司和英國馬可尼公司聯合研制的吊艙載CLARA激光雷達具有多種功能,采用CO2激光器。不但能探測標桿和電纜之類的障礙,還具有地形跟蹤、目標測距和指示、活動目標指示等功能,適用于飛機和直升機。

化學戰劑探測激光雷達

傳統的化學戰劑探測裝置由士兵肩負,一邊探測一邊前進,探測速度慢,且士兵容易中毒。

俄羅斯研制成功的KDKhr―1N遠距離地面激光毒氣報警系統,可以實時地遠距離探測化學毒劑攻擊,確定毒劑氣溶膠云的斜距、中心厚度、離地高度、中心角坐標以及毒劑相關參數,并可通過無線電通道或有線線路向部隊自動控制系統發出報警信號,比傳統探測前進了一大步。

德國研制成功的VTB―1型遙測化學戰劑傳感器技術更加先進,它使用兩臺9― 11微米、可在40個頻率上調節的連續波CO2激光器,利用微分吸收光譜學原理遙測化學戰劑,既安全又準確。

機載海洋激光雷達

傳統的水中目標探測裝置是聲納。根據聲波的發射和接收方式,聲納可分為主動式和被動式,可對水中目標進行警戒、搜索、定性和跟蹤。但它體積很大,重量一般在600公斤以上,有的甚至達幾十噸重。而激光雷達是利用機載藍綠激光器發射和接收設備,通過發射大功率窄脈沖激光,探測海面下目標并進行分類,既簡便,精度又高。

迄今,機載海洋激光雷達已發展了三代產品。20世紀90年代研制成功的第三代系統以第二代系統為基礎,增加了GPS定位和定高功能,系統與自動導航儀接口,實現了航線和高度的自動控制。

成像激光雷達可水下探物

美國諾斯羅普公司為美國國防高級研究計劃局研制的ALARMS機載水雷探測系統,具有自動、實時檢測功能和三維定位能力,定位分辨率高,可以24小時工作,采用卵形掃描方式探測水下可疑目標。

美國卡曼航天公司研制成功的機載水下成像激光雷達,最大特點是可對水下目標成像。由于成像激光雷達的每個激光脈沖覆蓋面積大,因此其搜索效率遠遠高于非成像激光雷達。另外,成像激光雷達可以顯示水下目標的形狀等特征,更加便于識別目標,這已是成像激光雷達的一大優勢。