1、激光雷达LiDAR(Light Detection and Ranging) 的定义及其组成系统
激光雷达是激光探测及测距系统的简称。是一种以激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。
图1激光雷达技术示意图
发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成。
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、红外和可见光多元探测器件等组合。
激光雷达采用脉冲或连续波两种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。
2、激光雷达的基本原理
激光雷达是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系
统，用于获得数据并生成精确的数字高程模型( DEM)。这三种技术的结合，可以高度准
确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型的
地形激光雷达系统和已经成熟应用的用于获得数字高程模型的水文激光雷达系统，这两种系
统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是激光雷达一词的英文原译，即：LIght Detection And Ran gi ng - LIDAR 。
激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确
度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随
着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上(如在飞机上)获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。
LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接被收器准确地测量光脉冲从发射到反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器
的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可
以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲
到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内
记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。
在雷达中，采用的是无线电波，而在莱达中，采用的是激光器发射的可见和近红外光波。
激光光束发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。
3、激光雷达的分类
激光雷达类别可以从不同的角度来划分。若按用途和功能划分，则有精密跟踪激光雷达、制导激光雷
达、火控激光雷达、气象激光雷达、侦毒激光雷达、水下激光雷达等；若按工作体制划分，则有单脉冲、连续波、调频脉冲压缩、调频连续波、调幅连续波、脉冲多普勒等体制的激光雷达。
4、激光雷达的应用
4.1 侦察用成像激光雷达
激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。
美国雷锡昂公司研制的ILR100 激光雷达，安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地
区的上空以120?460m的高度飞行，用GaAs激光进行行扫描。获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。
4.2 障碍回避激光雷达
许多国家在研制直升机用的障碍回避激光雷达。美国罗斯洛普?格鲁曼公司与陆军通信
电子司令部夜视和电子传感器局联合研制直升机超低空飞行用的障碍回避系统。该系统使用
半导体激光发射机和旋转全息扫描器，探测直升机前很宽的范围，可将障碍信息显示在平视显示器或头盔显示器上。该激光雷达系统已在两种直升机上进行了试验。
4.3 大气监测激光雷达
激光雷达通过测量大气中自然出现的少量颗粒的后向散射，可以检测风速、探测紊流、实时测量风场等。由于返回的后向散射辐射很微弱，因而大气监测激光雷达需要使用灵敏的接收器。
在高空投掷炸弹和其它兵器时遇到的一个问题是，风干扰向下的弹道。美国空军尝试使用的主要办法是，利用增加的尾部装置进行惯性或GPS制导，修正飞行路线。但这增加了投
掷的各种武器的成本。空军器材司令部正在进行的弹道风计划，采用了另一种方法，即利用机载激光雷达实时提供投掷区风场的信息，以便通过调整投掷点，来补偿风的影响。该计划的目标是，测量飞机和地面间的实时三维风场图，从而允许从3000m以上的高空精确地投掷。
风场图按100m分层，速度精度在0.5m/s以内。空军赖特实验室委托相干技术公司研制激光雷达。第一台激光雷达采用闪光灯泵浦激光器，脉冲能量50mJ,脉冲重复频率7Hz,安装在
C-141飞机上试验。第二台激光雷达采用二极管泵浦激光器，脉冲能量 3.5mJ，脉冲重复频
率200Hz,重913kg，体积3.26m3。第三台为人眼安全的Tm（YAG激光雷达。该激光雷达工作波长2021.84nm，激光脉冲能量12mJ,激光脉冲持续时间650ns，脉冲重复频率100Hz, 重272kg，体积
1.27m3。激光雷达由发射接收机、信号处理装置、环境控制装置、光学扫描器、惯性导航装置和电源组成, 安装在C-130 飞机的改装的油箱鼻锥内的支架上。扫描器使激光束沿椭圆形路线（20o x 30o）扫描。椭圆的中心的俯仰角可根据飞行条件控制在固定位
置。该俯仰角的范围为—30?370。激光雷达与飞机航空电子系统、显示器、用户界面接口。1995 年开始使用C-141 飞机进行第一台激光雷达测风的飞行试验，随后C-130 飞机上实验飞行第二和第三台激光雷达。据称，作战使用型激光雷达需要将硬件小型化，可使空投精度提高2 倍以上。
目前的飞机阵风缓和系统以安装在机身上的加速度计为基础，效能有限。有效的系统要求在飞机与紊流相遇前测量紊流。激光雷达探测紊流阵风的能力，可以为未来的军用和民用飞机提供更好的阵风缓和系统。美国航天局的“先进的飞行中测量用机载相干激光雷达”，正在探索这个概念。
飞机后微爆风切变和尾流，给与其相遇的飞机造成危险。英国国防鉴定与研究局（DARA）的研究人员研制的激光雷达，能测量在飞机后微爆风切变和尾流速度。将这种激光雷达置于跑道上进行实时监测，就可以提高安全性，增加飞机的通过量。
B- 2“幽灵”轰炸机携带的激光雷达的与众不同的任务是，检测飞机后的空气，检查有无暴露这种隐形轰炸机的凝结尾流。该激光雷达驾驶员报警系统使用Ophir 公司的低截获概率激光发射机和激光接收机，探测突然出现的凝结尾流，向乘员报警。
4.4 制导激光雷达
以非制冷二极管泵浦固体激光器为基础的工作波长1m左右的激光雷达系统，可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影像。激光雷达得到的影像不同于红外影像，允许使用比处理红外场景简单的算法实现自主目标捕获。因此，激光雷达寻的器可以为空- 地武器提供自
主精确制导手段。随着成本的降低，激光雷达寻的器还将用于短程消耗性弹药。
4.5 化学/ 生物战剂探测激光雷达
化学/ 生物武器是一种大规模毁伤武器。面对不断扩散的化学/生物武器的威胁，许多
国家正在采取措施，加强对这类武器的防御。美国国防部认为，需要能在战场上使用的、快速响应的、灵敏的监视系统，以尽快提供化学/ 生物威胁的报警。这种系统不同于防空和反潜警戒系统，必须具有搜索、探测、识别、定量化、监测和诊断等功能。激光雷达可用于化学/ 生物战剂的遥测。每种化学战剂仅吸收特定波长的激光，对其他波长的激光是透明的。被化学战剂污染的表面则反射不同波长的激光。化学战剂的这种特性，就允许利用激光雷达探测和识别之。激光雷达可以利用差分吸收、差分散射、弹性后向散射、感应荧光等原理，实现化学生物战剂的探测。化学/生物战剂探测激光雷达采用的激光器，主要是CO2激光器
和Nd:YAG激光器。
4.6 水下探测激光雷达
激光雷达具有足够的空间分辨率，来分辨目标的尺寸和形状，因而是有效的探测水下目标并进行分类的工具。1988 年美国“罗伯茨”号护卫舰在阿拉伯湾几乎被廉价的水雷击沉。此后Kaman 宇航公司研制了“魔灯”水雷探测激光雷达。该激光雷达使用蓝- 绿激光器、灵
敏的电子选通像增强摄像机和精确脉冲定时发生器。机载激光器向海面发射激光脉冲，扫描水雷。同时，脉冲定时发生器控制摄像机快门，仅接收特定深度反射的激光能量。在这个深
度的目标反射激光而被显现。影像通过数据链路传送给舰船。“魔灯”激光雷达可以在海面以上120?460m高度工作，名义工作高度460m,但低空飞行时分辨率和信噪比较高，而视场有限。探测深度最初定为12?61m的浅水区，但根据初步作战评估和不断的研究，调整为
包括3?12m的极浅水区和深度不足3m的冲浪区。“魔灯”激光雷达不仅可以自动探测水中目标,而且可以实施目标分类和定位。1988 年的样机试验表明,该系统可以迅速探测锚雷, 并定位。
4.8 其他军用激光雷达
?弹道导弹防御激光雷达
七八十年代, 美国曾考虑将激光雷达用于洲际弹道导弹防御, 测量重入飞行器的距离和速度。由于要求目标识别距离在1000km以上，因而造成系统非常庞大、复杂和昂贵。至U 90年代, 美国认为战区弹道导弹成为主要的威胁, 防御这些导弹需要早期探测和跟踪, 以便确定发射点、命中点和可能的拦截点。为此, 波音防御和空间集团公司考察了将机载激光雷达用于战区弹道导弹防御。研究表明, 激光雷达与被动红外系统相结合时, 利用连续的红外方位和俯仰测量结果与激光雷达的精确距离测量数据, 可以使目标弹道估算迅速收敛, 使弹道估算误差成数量级地下降。该公司考察了CO2激光器、掺钦或铥YAG激光器以及喇曼频移
YAG激光器等在这种激光雷达中的应用前景，进行了激光雷达的性能分析，考虑了与波长有关的目标横截面、大气衰减、背景辐射以及直接或外差探测对信噪比的影响等。
?靶场测量激光雷达
美国白沙导弹靶场利用快速光束控制CO2激光雷达系统，进行成像和跟踪测量。该系统
由0.5m孔径的光学系统、3?5卩m摄像机和CO2激光雷达组成，可在大角度范围内以高跟踪修正速率跟踪单个目标, 可在多个目标间重新确定目标, 可进行测距和多普勒测量。该系统已在靶场实用。
?振动遥测激光雷达
激光雷达可以远距离测量振动,完成目标识别等任务。几个国家一直在研究这项技术。瑞典国防研究局设计并制造了以半导体激光技术为基础的相干激光雷达系统。该系统输出功
率50mW，线宽280kHz,可进行振动测量，利用自适应信号处理，可获得运动目标的振动特征信号。
?多光谱激光雷达美国空军赖特实验室和戴顿大学在研究多光谱激光雷达。该激光雷达采用激光输出在1.35?5卩m连续可调的光学参量振荡器，脉冲能量为 3.3mJ，脉宽3ns。用可调单态反射计
系统, 测量目标的双向反射分布函数。该激光雷达可在有杂乱回波和目标部分隐蔽的情况下将地面目标成像,并识别之。
5、激光雷达的选择
激光雷达主仪要部件包括：二维激光扫描、GPS、IMU, 二维激光扫描仪是激光雷达的核心部分。
5.1 二维激光扫描仪的选取
用于激光雷达的二维激光扫描仪的激光器所输出的激光波形有两种：一种是脉冲式的另一种是连续波( continuous wave, CW )。
脉冲式的激光器一般是半导体激光器，或用半导体激光器泵浦的Nd-YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet, Nd:Y3Al5O12) 激光器。他们的特点是输出的功率大，峰值功率可达到几MW/Optech和莱卡公司使用的是Nd-YAG激光器，波长为1064 nm安全等级为IV级；而Riegl和TopSys使用的是波长为1550nm的半导体激光器，安全等级为I 级/安全等级为I 级的激光器即使在面对面使用是也不会对人眼和动物的眼睛造成伤害/
脉冲式激光雷达的测距分辨率" H由公式(1)给出。
"H=C? tP/2 (1)
C是光速，tP是光的一个脉冲周期时间。
目前市场上的二维激光器的距离测量精度在1000米的距离时为2 厘米—5厘米/
5.2 光的色散
我们都知道，光会产生色散现象/ 我们平时经常会看到，汽车的大灯随着光照距离的增加，其射出的光斑越来越大，这就是色散/
激光是目前所有已经知道的光中发散度最小的。通常我们用弧度来表示光的色散丫 /如果我们以激光器的光窗的孔径为D,激光的波长为入，光的色散大小的极限值与光衍射相关。
当超过它的极限时，光斑会出现模糊/因而，
丫仝2.44 入/D ( 2)
也就是说，如果激光器的发射光窗不变，光的色散随着光的波长的增加而增大；如果光的波长不变，光的色散随着光窗的增加而减小/
例如：如果光的波长为1060nm,光窗的直径为100mm那么，光的色散为0.26mrad /如果光的波长为1550nm,光窗的直径为100mm那么，光的色散为0.38mrad /
通常，激光器的发射和接收光窗的直径D为5-15厘米。
打到地面的光斑的直径DL由上图推出
DL=D+2h(tan 丫/2)= 2h(tan 丫/2)= 2h 丫/2= h 丫
我们以0.3mrad来举例说明它的意义。当测量距离为100米时，光斑的直径为30mm当
测量距离为1,000米时，光斑的直径为300mm 一般讲，光斑越小，激光的空间分辨率越小。连续波激光器一般用于卫星遥感或高空遥感。
5.3 目前市场上常用激光雷达的激光器及其最大发射频率。
目前市场上的激光雷达的激光发射的最大频率范围为10,000 赫兹—240,000 赫兹。均为Riegl 公司所生产。Optech 公司和莱卡公司的激光器的最大发射频率分别是160,000 赫兹和150,000赫兹。TopSys 的是125,000赫兹。在上个月在北京召开的的2008 ISPRS会议上，徕卡公司推出了新的ALS60系统，其激光器的最大发射频率为200,000赫兹。另外，根据内部消息，Riegl公司也将在9月底的2008 INTERGEO会议上推出新的激光雷达系统。
莱卡和Optech公司采用的是大功率的波长为1064纳米的安全等级为IV级（I级是最
安全的，II级以上越来越不安全）的Nd-YAG激光器。当低空飞行时，就必须增大激光的光斑，并且采用强度衰减器来降低输出激光的强度。
而Riegl公司和TopSys公司采用的是对人和动物眼睛安全的波长为1550纳米的近红外
激光器。因此无论是低空飞行还是中高空飞行都不需要增大激光的光斑和衰减激光的强度。
小角发散度的光斑的优点：空间分辨率高，水平X-Y测量精度高，容易穿透植被。
大角发散度的光斑：在低空飞行如小于700 米时，使用大功率的安全等级为二级、三级和四级的激光器会对人眼和动物眼睛造成一定的损害，因此采用增大激光点光斑的直径，并
通过强度衰减器来降低输出的激光强度，从而减少激光对人和动物可能造成的伤害程度。由
此带来的负面影响是所获取的结果的空间分辨率降低，测量精度下降。