淺析LiDAR技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

劉妍　司海燕　楊金玲　曹先革　張為成

摘要：隨著科技的發(fā)展，LiDAR技術(shù)逐漸被應(yīng)用到涉及到測量的許多領(lǐng)域。由于我國激光雷達(dá)技術(shù)的研究相對較晚，因此對于LiDAR技術(shù)的了解不夠具體，本文給予機(jī)載LiDAR技術(shù)的基本工作原理的詳細(xì)闡述，分析了機(jī)載LiDAR技術(shù)的測量工作及其發(fā)展趨勢又從應(yīng)用角度對LiDAR技術(shù)進(jìn)行分析研究，希望為LiDAR技術(shù)提供更多資料，

關(guān)鍵詞：LiDAR技術(shù)；發(fā)展；應(yīng)用；研究

一、LiDAR技術(shù)概述

1.LiDAR技術(shù)

LiDAR是一種將激光測距、動(dòng)態(tài)GPS差分以及慣性導(dǎo)航姿態(tài)測定高度集成的技術(shù)，是集激光，全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）為一體的新型遙感系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。

2.LiDAR的工作原理

直接探測型雷達(dá)的基本的工作原理和無線電雷達(dá)一樣，都是先由雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)向外發(fā)送一個(gè)信號，再經(jīng)目標(biāo)反射后被雷達(dá)的接收系統(tǒng)收集后，通過測量反射光的運(yùn)行時(shí)間而計(jì)算目標(biāo)的距離。而且還可以通過反射光的多普勒頻移開確定目標(biāo)的徑向速度，或者是通過兩個(gè)或多個(gè)距離的測量，和計(jì)算得出其變化率從而確定速度。簡而言之就是在速度已知的情況下測量時(shí)間求得距離。

3.機(jī)載LiDAR技術(shù)系統(tǒng)的特點(diǎn)

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)系統(tǒng)和機(jī)載GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INs以及CCD相機(jī)結(jié)合，精確度更高，空間定位更準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的攝影測量相比，機(jī)載LIDAR采用激光點(diǎn)云的地標(biāo)測量，采集數(shù)據(jù)密度極大，間距在08-1.2m之間，甚至更小，對真實(shí)地面高程模型的獲取更加有力。因?yàn)長iDAR的激光具有多次回波的特性，當(dāng)任意一束激光找到植被時(shí)都可以通過植被的空隙將地面形成返回的高程數(shù)據(jù)，而且也可以返回葉面、枝椏、地面等多個(gè)其他回波，不僅有效克服植被自當(dāng)，還能反應(yīng)地面高程的真實(shí)狀況。而且LiAR數(shù)據(jù)的高程精度更高，工作量更少，測制圖形成更加快捷。LiDAR技術(shù)采用主動(dòng)測量方式，相比傳統(tǒng)航測方式不依賴自然光，無死角精確獲取數(shù)據(jù)。

二、LiDAR技術(shù)在各國的發(fā)展過程

1.美國

1958年美國陸軍成功研制一臺主動(dòng)式毒劑遙測儀是借助光雷達(dá)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)采集的，雖然不是激光器作為光源但是借助含磷毒劑對9，8μm波長紅外線差分吸收原理的遙測儀已經(jīng)開啟了激光雷達(dá)研制的新里程。

20世紀(jì)70-80年代，美國陸軍對光雷達(dá)的研究發(fā)展升級，計(jì)劃光源為一只頻率可調(diào)CO2激光器發(fā)出波長位于9-10μm波段的60條譜線的DIAL系統(tǒng)安裝在直升機(jī)和遠(yuǎn)程有人駕駛飛。目前，激光雷達(dá)在美國陸軍的遠(yuǎn)景規(guī)劃中已被確定為要重點(diǎn)加以發(fā)展的技術(shù)之一。而且激光雷達(dá)在美國也到了應(yīng)用去其他領(lǐng)域中。

2.英國

英國早在1970年就制成了一臺光源使用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，被應(yīng)用于探測飛機(jī)布灑物。該激光雷達(dá)通過飛機(jī)尾部激光束照射布灑物再用地面牛頓望遠(yuǎn)鏡將反射回來光束進(jìn)行收集，然后聚焦在一個(gè)光電池后把光能轉(zhuǎn)化成電信號進(jìn)入示波器.出波形軌跡。3.日本

日本早在1981年就建成一臺米氏散射式激光雷達(dá)成為當(dāng)時(shí)的世界最大LiDAR，激光器發(fā)出的激光束，瞬間能通過污染物散射測出60公里范圍內(nèi)的大氣污染物分布狀況，如污染劑的分布狀況、距離、運(yùn)動(dòng)速度和方向等。

機(jī)中使用。

4.法國

法國研制的主動(dòng)式LiDAR名是一種差分吸收激光雷達(dá)，名叫DETADIS。DETADIS的LiDAR技術(shù)系統(tǒng)光源是2臺TEACO2激光器，可在9-11μm之間高效調(diào)諧。激光脈沖能量30mJ，接收望遠(yuǎn)鏡口徑160mm，重現(xiàn)率10Hz，光探測器為冷卻狀態(tài)下的HgcdTe，豎直觀測角30。，觀測方位角120°，靈敏度值低于毒劑的閾值，對氣態(tài)毒劑的作用距離3km。

三、激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用

1.測污的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，然而從根本上治理環(huán)境污染就必須探測到環(huán)境污染的源頭。LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)的在大氣測污領(lǐng)域的應(yīng)用不僅為環(huán)境治理創(chuàng)造了條件，也為大氣測污，需找污染源提供了便利。借助LiDAR發(fā)出激光并將這些特定波長的光束射向大氣，與大氣中的污染物接觸并發(fā)生作用，形成一束反射光，被接收裝置探測后獲取污染物的相關(guān)信息。LiDAR激光雷達(dá)技術(shù)探測大氣中的污染物是借助主動(dòng)方式的遙感探測，不僅可以對某一地區(qū)的大氣進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測，還可以對空氣污染情況進(jìn)行跟蹤探測。激光雷達(dá)還能探測排污染物的具體位置和污染物的成分，大氣污染治理部門根據(jù)這些數(shù)據(jù)采取與之相對應(yīng)的治理策略。

2.軍事探測的應(yīng)用

在軍事上，對付敵化學(xué)生物襲擊的最重要措施之一是迅速發(fā)現(xiàn)化生戰(zhàn)劑的存在，以便及時(shí)地采取各種相應(yīng)的防護(hù)，而用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行探測，由于其探測距離遠(yuǎn)、獲得結(jié)果快速和手續(xù)簡便，使它遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過其他任何一種常規(guī)的生化戰(zhàn)劑的檢測方法。緊湊LiDAR激光雷達(dá)的另一功能是進(jìn)行地形跟蹤和目標(biāo)確定，這要求系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)處理飛機(jī)前方地形的回波，以產(chǎn)生飛行控制指令。endprint