激光雷达

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激光雷达,也被称为激光雷达,是一种雷达系统,通过发射激光束来检测目标的位置、速度和其他特征。在20世纪60年代初,科学家提出了激光雷达的概念。激光雷达的工作原理是向目标发射探测信号(激波),将目标反射的接收信号(目标回波)与发射信号进行比较,通过适当的处理,获得目标的距离、方位、高度、速度、姿态甚至形状参数等相关信息,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射器、光接收器、转盘和信息...

激光雷达简介

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激光雷达,也被称为激光雷达,是一种雷达系统,通过发射激光束来检测目标的位置、速度和其他特征。在20世纪60年代初,科学家提出了激光雷达的概念。激光雷达的工作原理是向目标发射探测信号(激波),将目标反射的接收信号(目标回波)与发射信号进行比较,通过适当的处理,获得目标的距离、方位、高度、速度、姿态甚至形状参数等相关信息,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射器、光接收器、转盘和信息处理系统组成。激光发射器将电脉冲转换成光脉冲并发射出去。然后,光学接收器将从目标反射回来的光脉冲恢复为电脉冲,并将其发送到显示器。

与工作在微波波段的雷达相比,激光雷达具有分辨率高、成像清晰、测量精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强、体积小、设备简单等优点。然而,激光雷达无法穿透云层、雨滴或浓烟,需要在更好的天气条件下使用。在应用方面,LiDAR可应用于大气探测、无人机、机器人、自动驾驶、工业应用等领域。2022年,中国科学技术大学研究团队在相干风激光雷达上首次实现了高速风场观测3米0.1秒的世界最高时空分辨率。

激光雷达

激光雷达历史与发展

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自从1839年Daguerre和Niepce拍摄了第一张照片以来,使用照片创建摄影计划(X, Y)的技术一直被使用到今天。1901年,荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术,使得从二维照片中获得三维地面数据(X, Y, Z)成为可能。一百多年来,立体摄影测量一直是获取三维地面数据最准确、最可靠的技术,是国家基本比例尺地形测绘的重要技术。

随着科学技术的发展,计算机和高新技术的广泛应用,数字立体摄影测量逐渐发展和成熟,相应的软件和数字立体摄影测量工作站在生产部门得到了普及。然而,摄影测量的工作流程并没有发生明显的变化,例如航拍摄影处理地面测量(航空三角测量)立体测量测绘(DLG、DTM、GIS等)的模式。这种生产模式的周期太长,不能满足当前信息社会的需要,也不能满足数字地球对测绘的要求。

激光雷达测量技术和机载激光扫描技术的发展,起源于1970年NASA的研究与开发。由于全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)的发展,使得精确的实时定位和姿态确定成为可能。1988年至1993年,德国斯图加特大学将激光扫描技术与实时定位和定向系统相结合,形成了机载激光扫描仪(Ackermann-19)。随后,机载激光扫描仪的发展相当迅速,并在1995年左右开始商业化。目前,有超过10家制造商生产机载激光扫描仪,有30多种型号可供选择(Baltias-1999)。发展机载激光扫描仪的最初目的是观察多重回波和测量地面和树顶的高度模型。由于自动化程度高,观测结果精确,DTM的主要生产工具是机载激光扫描仪。

激光雷达定义

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LiDAR(Light Detection and Ranging),是激光探测及测距系统的简称,另外也称Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)。

一种以激光为发射光源,采用光电探测技术的主动遥感装置。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术相结合的一种先进的探测手段。它由传输系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统由多种形式的激光器组成,如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器、波长可调固体激光器和光束扩展单元;接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器,如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多探测器装置等。激光雷达有两种工作模式:脉冲或连续波。检测方法根据检测原理可分为不同的类型,如米氏散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等。

激光雷达构成与原理

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激光雷达是一种结合激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)技术来获取数据并生成精确的dem的系统。这三种技术的结合可以精确定位激光束击中物体的位置。进一步分为日益成熟的获取地面数字高程模型(dem)的地形激光雷达系统和成熟的获取水下数字高程模型的水文激光雷达系统。这两种系统的共同特点是使用激光进行探测和测量,这也是LIDAR一词的英文翻译,即:光探测和测距- LIDAR。

激光本身具有非常精确的测距能力,测距精度可达几厘米,而激光雷达系统的精度不仅取决于激光本身,还取决于激光同步、GPS、惯性测量单元(IMU)等内部因素。随着商用GPS和IMU的发展,通过激光雷达从移动平台(如飞机上)获取高精度数据已经成为可能,并得到了广泛的应用。

激光雷达系统包括一个单窄带激光器和一个接收系统。激光产生并发射一束光脉冲,光脉冲击中物体并反射回来,最终被接收器接收。接收机精确地测量光脉冲从发射到反射的传播时间。由于光脉冲以光速传播,接收器总是在发射下一个脉冲之前接收到前一个反射脉冲。既然光速是已知的,传播时间就可以转换成距离的度量。结合激光的高度、激光的扫描角度、GPS获得的激光位置和INS获得的激光发射方向,可以精确计算出每个地面光斑的X、Y、Z坐标。激光束发射的频率从每秒几个脉冲到每秒数万脉冲不等。例如,一个频率为每秒10000脉冲的系统将在一分钟内由接收器记录60万个点。一般来说,激光雷达系统的地面光斑间距在2-4m之间。

激光雷达的工作原理与雷达非常相似。采用激光作为信号源,激光发出的脉冲激光打在地面的树木、道路、桥梁、建筑物上,造成散射。一部分光波将被反射到激光雷达接收器上。根据激光测距原理,可以计算出激光雷达到目标点的距离。脉冲激光对目标物体进行连续扫描,获取目标物体上所有目标点的数据。利用这些数据进行成像处理后,可以得到精确的三维图像。

激光雷达的工作原理与雷达非常相似。采用激光作为信号源,激光发出的脉冲激光打在地面的树木、道路、桥梁、建筑物上,造成散射。一部分光波将被反射到激光雷达接收器上。根据激光测距原理,可以计算出激光雷达到目标点的距离。脉冲激光对目标物体进行连续扫描,获取目标物体上所有目标点的数据。利用这些数据进行成像处理后,可以得到精确的三维图像。

激光雷达的基本工作原理与无线电雷达没有什么不同,都是通过雷达发射系统发出信号,被目标反射,再由接收系统采集。通过测量反射光的运行时间来确定目标的距离。对于目标的径向速度,可以通过反射光的多普勒频移来确定,也可以通过测量两个或多个距离并计算它们的变化率来获得速度。这也是直接探测雷达的基本工作原理。

激光雷达优缺点

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激光雷达的优点

与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多优点,主要有:

(1)分辨率高

激光雷达可以在角度、距离和速度上实现极高的分辨率。通常,角分辨率不小于0.1mard,即能以0.3m的距离分辨出距离为3km的两个目标(这是微波雷达在任何情况下都无法做到的),并能同时跟踪多个目标;距离分辨率可达0。lm;速度分辨率可达10m/s。距离和速度的高分辨率意味着利用距离多普勒成像技术可以获得清晰的目标图像。高分辨率是激光雷达最显著的优势,它的大部分应用都是基于它。

(2)隐蔽性好、抗有源干扰能力强

激光以直线传播,具有良好的方向性,光束很窄,只能在其传播路径上接收。因此,敌人拦截非常困难,而且激光雷达传输系统(传输望远镜)的孔径很小,接收区域很窄。有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低;此外,与微波雷达在自然界中容易受到电磁波的广泛影响不同,在自然界中能够干扰激光雷达的信号源并不多。因此,激光雷达具有很强的抗主动干扰能力,适合在日益复杂、激烈的信息战环境中工作。

(3)低空探测性能好

由于各种地面回波的影响,微波雷达在低空某些区域存在盲点(不可探测区域)。对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,不受地面回波的影响。因此,它可以在零高度工作,低空探测性能比微波雷达强得多。

(4)体积小、质量轻

通常,普通微波雷达体积较大,整个系统重达吨,光学天线的孔径可达几米甚至几十米。另一方面,激光雷达更轻,更灵活。发射望远镜的口径一般只有厘米,整个系统的最小重量也只有几十公斤,安装和拆卸都很方便。而且,激光雷达的结构相对简单,易于维护,易于操作,价格也相对较低。

激光雷达的缺点

首先,工作受天气和大气条件的影响很大。在晴朗的天气里,激光通常衰减较小,传播距离较远。在大雨、浓烟、大雾等恶劣天气下,衰减急剧增大,传输距离受到较大影响。当工作波长为10.6 μ时,波长为m的CO2激光器的大气传输性能最好,在恶劣天气下的衰减是晴天的6倍。在地面或低空使用的CO2激光雷达在晴天的工作范围为10-20公里,而在恶劣天气下则减少到1公里以内。此外,大气环流会引起激光束的畸变和抖动,直接影响激光雷达的测量精度。

其次,由于激光雷达的波束极窄,在空间中搜索目标非常困难,直接影响了非合作目标的拦截概率和探测效率,只能在很小的范围内搜索和捕获目标。因此,激光雷达很少直接应用到战场上单独进行目标探测和搜索

激光雷达分类

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激光雷达按工作方式可分为脉冲激光雷达和连续波激光雷达。根据探测技术的不同,激光雷达可分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达。根据其应用范围,激光雷达可分为目标距离测量激光雷达(武器实验测量)、火控激光雷达(控制射击武器自动瞄准和发射)、跟踪识别激光雷达(制导、侦察、预警、水下目标探测)、制导激光雷达(航天器对接、避障)、大气测量激光雷达(云层高度、大气能见度、风速、大气中物质的组成和含量)。激光雷达的主要应用方向有跟踪、成像制导、三维视觉系统、测风、大气环境监测、主动遥感等方向。

激光雷达用途

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激光扫描方法不仅是军队内部获取三维地理信息的主要途径,而且通过该方法获得的数据还广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通信、防震减灾、国家重点建设工程等领域。为国民经济、社会发展和科学研究提供原料,取得了经济效益,具有广阔的应用前景。与传统测量方法相比,低空机载激光雷达地面三维数据采集方法具有生产数据现场成本和后处理成本低的优点。目前,用户迫切需要低成本、高密度、快速度、高精度的数字高程数据或数字地表数据。机载激光雷达技术正好满足了这一需求,使其成为各种测量应用中流行的高科技。

快速获取高精度数字高程数据或数字地面数据是机载激光雷达技术在许多领域广泛应用的前提。因此,开展机载激光雷达数据精度研究具有重要的理论价值和现实意义。在此背景下,国内外学者对提高机载激光雷达数据精度进行了广泛的研究。

激光雷达是一种工作在红外到紫外光谱范围内的雷达系统,其原理和结构与激光测距仪非常相似。科学家把利用激光脉冲进行探测称为脉冲激光雷达,把利用连续波激光束进行探测称为连续波激光雷达。激光雷达的功能是精确测量目标的位置(距离、角度)、运动状态(速度、振动、姿态)、形状,检测、识别、区分和跟踪目标。经过多年的努力,科学家们已经开发出火控激光雷达、探测激光雷达、导弹制导激光雷达、测距激光雷达、导航激光雷达等。

由于飞行操作是激光雷达航空测绘的第一步,因此它们为后续办公室数据处理提供了直接的启动数据。根据测量误差原理和制定标准的基本原则,要求前一道工序结果中所含的误差对后续工序的影响应最小。因此,研究机载激光雷达的工作过程,优化操作方案设计,对提高数据质量具有重要意义。

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词条目录
  1. 激光雷达简介
  2. 激光雷达历史与发展
  3. 激光雷达定义
  4. 激光雷达构成与原理
  5. 激光雷达优缺点
  6. 激光雷达的优点
  7. 激光雷达的缺点
  8. 激光雷达分类
  9. 激光雷达用途

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