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)行時間而計算目標(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，或者是通過兩個或多個距離的測量，和計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)動速度和方向等。

機(jī)中使用。

4.法國

法國研制的主動式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