第二章 激光雷达的基本技术
如前所述，激光雷达的种类繁多、结构各异，其整机形式及体积重量也很不相同。为说明这一
特点，图2.1~2.4给出了几种典型的激光雷达外观图。其中，图2.1~2.2为两种大型的激光雷达。而
图2.3~2.4则为两种小型激光雷达。尽管如此，对所有的激光雷达而言，有一点是共同的，它们都是
图2.1 NASA平流层气溶胶Lidar照片
图2.2 欧共体ALOMAR Lidar
图
2.3 IAP RMR 激光雷达 图2.4 便携式激光雷达 由发射、接收和信号处理三个主要部分组成。并且再分下去，这三部分又都由激光器、发射光学、
接收光学、窄带滤光、通道分光、光电探测器和信号处理电路（通常包括微型计算机）等几个部件
组成。此外，在由部件组成激光雷达时，都会涉及发射光束和接收视场的匹配，联调或同步扫描等
技术问题。也就是说，在不同的激光雷达中都需要采用一些共同的部件或整机技术。因此，本书在
讲述各种具体类型激光雷达之前，先对这些共同的激光雷达部件技术作简要的介绍。 2.1 发射系统技术
2.1.1 发射激光器
激光器用来产生发射激光束，故常称用于激光雷达的激光器为发射激光器。发射激光器是激光
雷达中最为重要的技术部件，它的质量往往在很大程度上决定了激光器的探测性能。对用于激光雷
达的激光器，通常有如下要求：
1． 有较大的输出功率，且大多数都需要工作于脉冲方式，因此相应的要求是脉冲能量大、
脉冲重复频率高。
2． 激光的光束质量好，特别是要求光束的发散度要小、指向性要好。
3． 对于工作于差分吸收或荧光机制的激光雷达，还要求激光输出波长处于特定光谱范围或
要求其可以调谐。
4． 通常还要求激光器体积、功耗小，性能稳定可靠等，以满足激光雷达多种运载方式的要
求。
能基本上满足上述要求的激光器有很多种，范围涵盖了以固体、气体、液体和半导体为工作物
质的各种激光器。但是，真正经常用于激光雷达的激光器实际上有少量几种，现分别简介如下：
第35卷，增刊v01．35Supplement红外与激光工程Inf}aredandLaserEngineering2006年lO月Oct．2006
地形测绘激光成像雷达技术研究
李磊，郑永超，彭凤超，邓全
(中国电子科技集团第二十七研究所，河南郑州450015)
摘要：激光雷达作为一种低成本、高效率的获取空问数据的方法，已成为测绘遥感技术的重要发展方向。结合地形测绘领域的应用要求，对激光雷达在该领域的国外发展状况进行了评述，简要介绍了激光成像雷达
的工作原理，对指标和关键技术进行了分析。
关键词：测绘；激光雷达；成像
中图分类号：TN249文献标识码：A文章编号：l007．2276(2006)增C—0294一05
Researchofthree—dimensionimaginglidaronlandtopography
LILei，ZHENGYongchao，PENGFeng—chao，DENGQuan
(The27thResearchl惦titutc，Chi∞E1％tronicsTechnologyGroupCorporation，zhengzhou450015，Chi腑)
Abstract：Aslidarisawayofacquiringspatialdatawithlowcostandhighea’ectiVeness，itbecomesthe
developmentdirectiononlandtopography．FromtheViewofappljcationonlandtopography，thelidardeVelopments
overseasarediscussed，andtheprinciples，thespecinca“onsandthekeytechnologiesoflidarareanalyzed．
Keywords：TOpography；Lidar；Imaging
O引言
测绘这一古老的学科住空间技术、计算机技术和信息技术以及通讯技术的发展和推动下，出现了以“3S”
第卷第期红外与激光工程之吃年月成像激光雷达中的扫描方案‘王晓鸥赵远乔立杰蔡喜平孙东松南京达戴永江哈尔滨工业大学应用物理系哈尔滨文摘文中对成像激光雷达来统中的几种扫描方式—光栅扫描声光扫描电光扫描和光机扫描进行了分析比较给出了一种适合于低空飞行前视避障系统的二维摆镜扫描设计方案具有结构紧凑体积小等特点并且可通过计算机来控制摆动的转轴实现预定的扫描方案为实现激光雷达系统小型化提供了重要方案关锐词激光雷达光机扫描成像雷达块入〕飞盯呀雌砷卯让而证引言成像激光雷达是飞行器前视避障地形跟随的有效手段〔‘它可以提高飞行系统的制导精度增强其适应能力二极管泵浦激光器兼有半导体激光二极管和固体激光器两者的优点以其效率高稳定性好结构紧凑寿命长等优点而倍受青睐特别是年代后期随着激光二极管性能的不断改善取得了关键性的技术突破使激光效率大大提高目前高重复频率高峰值功率的开关二极管泵浦激光器已商品化电光调激光器已能做到激光重复频率一时峰值功率达兆瓦级水平足以满足战术激光雷达研制的需要而且体积很小以作为光源的成像激光雷达适合巡航导弹前视避障地形跟随系统要求扫描技术是成像激光雷达的关键技术之一它直接影响着激光雷达成像速率和质量文中分析了各类扫描系统确定适合于前视避障系统要求的扫描方案成像激光雷达系统成像激光雷达系统主要由收发天线激光发射系统扫描系统放大系统成像分析系统等组成其工国防基金资助项目收稿作者简介王晓鸥女岁硕士讲师从事激光成像雷达的研究和教学工作曾在国内外刊物上发表论文数篇红外与激光工程第卷第期作原理雷达发射激光束经扫描器快速扫描目标和目标区域同时由该雷达接收回波信号回波信号经放大后送入成像分析系统经分析处理最后得到图像所以扫描系统是成像激光雷达的关键技术之一图为成像激光雷达原理框图一一叫〔图成像激光雷达原理框图扫描体制的选择目前可完成激光扫描的方式有光栅扫描声光扫描电光扫描和光机扫描四种光栅扫描视场大效率高惯性小但其衍射效率较低从而降低了整个扫描系统的透过率并容易对收发隔离产生不利的影响声光扫描电光扫描属无惯性扫描扫描速度快效率高但扫描视场小要保证扫描均匀性很困难声光扫描虽然比电光扫描视场大一些但存在衍射率间题总的来说这三种扫描方式的技术都不成熟都存在许多技术难关有待突破国内外激光雷达系统的扫描机构绝大多数都采用光机扫描光机扫描又分像空间扫描和物空间扫描两种物空间扫描是利用光学扫描元件的摆动或转动不断地把远离光轴的红外辐射变为近轴光束送入主光学系统从而使小视场的望远镜对物方总视场直接进行二维扫描取样直至扫遍整个物方视场其优点是光学系统视场小容易设计制造出高质量的物镜轴上光的空间分辨率也容易做得高缺点是扫描器的体积较大扫描效率低不适合小型化的要求像空间扫描的优点是扫描部分结构简单轻巧扫描效率高但像空间扫描增加了光学系统设计的难度也增加了像差同时扫描角也要随着天线放大倍数的增大而增大’这种扫描方式不适合主动扫描系统扫描器的选择应由系统的总体要求来确定在激光雷达系统中多采用振镜摆动的平面反射镜光楔等扫描器件来实现物空间扫描振镜扫描一般应用于平行光中其扫描机构体积小扫描效率高对光学系统的像差影响小能多光谱兼容但在高速扫描时边缘视场附近扫描精度差并且要求较高的电机功率对所应用的背景不适用激光雷达系统中还常采用双光楔及多光楔组的扫描方式其优点是扫描系统处于平行光路中引起的像差较小对动力环境的要求较低满足弹上环境的要求但缺点是按系统要求要将扫描通光口径限制在以下扫描范围较大收发望远镜的像差设计难度较大若要减小扫描范围扫描通光口径太大扫描速度较难保证所以此方式也不可取基于所应用的背景前视避障系统根据对现有光机扫描器的分析比较可编程的二平面镜摆动扫描器为最佳扫描方式它的优点是扫描效率高孔径效率高惯性小具有玫瑰线扫描图案和光栅扫描图案两种功能其技术也较成熟并适合小型化系统它的缺点是在会聚光束中扫描会产生散焦现象采用双平面藕合这种扫描方式可将扫描器结构做得更紧凑从而达到小型化的要求光机二维扫描器的结构设计扫描镜的几何尺寸扫描镜的几何尺寸决定着扫描系统的动力学特性影响系统的稳定性能例如扫描频率扫描角度线性扫描区折返时间以及扫描精度等扫描镜的有效孔径由扫描光束直径确定由于光束在扫描镜表面拉长镜子的有效孔径总是大于光束直径如图所示在二维扫描结构中第二扫描镜的孔径大小还必须考虑由于第一扫描镜产生的光束移动设光束直径为在第镜面上的投影二式中—入射光线与镜平面的夹角当镜工摆动士角时一此时反射光线转角为士则在镜上光斑中心间移动的距离为第卷第期红外与激光工程但是这时系统的外形结构并未减小如果进一步改变光束的入射方向如图即光束垂直镜面入射到第一扫描镜变化后的系统外形结构也将得到进一步压缩由公式可知两镜面间的距离愈小光斑移动也愈小所以在结构紧凑的同时扫描镜的尺寸也可减小从而实现小型化的要求硷………卜髦图紧凑的扫描结构图激光光束在扫描镜表面上的投影石讼,而结论式中—镜面上两光斑中心联线考虑到第二扫描镜也以角在垂直方向摆动可得光斑在垂直方向拉长同理由上述算式得到光束直径在扫描镜表面上的轨迹可减少多余的镜子部分扫描镜系统的几何结构采用双平面镜辆合实现二维扫描还需要考虑扫描结构的小型化问题一般实现二维扫描的两个平面镜平行放置其入射和出射光束传播方向相同两个摆镜沿着平行的垂直镜面方向摆动实现二维扫描图案这种结构占用空间大摆镜的几何尺寸也大如果将第一扫描镜的位置与第二扫描镜的位置错开一个角度中则扫描镜的几何尺寸可以减小综上所述在激光成像雷达系统中扫描体制的选择要由系统的总体要求来确定针对前视避障系统应选用扫描效率高孔径效率高惯性小体积小的扫描系统为此采用可编程的二平面镜摆动扫描方式其优点是扫描部件可做得更小结构更紧凑并且可通过计算机来控制摆动的转轴实现预定的扫描图案此扫描体制对实现激光雷达系统的小型化具有重要的现实意义参考文献王永芝激光雷达的军事应用电光系统张光义等弹道导弹防御系统中的预警探测雷达系统工程与电子技术组李正直红外光学系统国防工业出版社上接第页参考文献结论激光制导武器具有极高的命中率因此在不断发展激光制导技术的同时积极开展激光制导武器的对抗技术研究保护重要武器装备和重要军事设施不受破坏是十分必要的张承锉主编国外军用激光仪器手册北京兵器工业出版社陈宏哲光电对抗与无源干扰一周刚姜宁孙国祯光电对抗与无源干扰一邓仁亮光学技术北京国防工业出版社记塔一
２０１４年６月（上旬刊）Ｉ设计与应用 地形测绘激光成像雷达技术研究 仇小宁 ４５２２２４１ ９８６１ ０２０００７１Ｉ 摘要：随着社会的不断发展，地形测绘的技术也在逐渐的增多。而激光成像雷达技术作为其中的一种．由于有着成本低、效率高的 使用特点，因此成为我国地形测绘遥感技术发展的主要方向。在地形测绘中得到了较为广泛的应用。本文通过对国外激光雷达成 像技术的发展状况进行简要的介绍．对其地形测绘激光成像雷达技术的工作机理和指标进行了分析．阐述了地形测绘激光雷达的 关键性技术．以供相关人士参考 关键词：地形测绘激光成像雷达技术 目前在测绘工作中．人们已经将许多先进的科学技术应用到 其中．并且在各种新型技术的推动下得到了很好的发展 而从当 前的地下测绘技术的发展情况来看．现代化的测绘技术已经实 现了信息数据收集、处理、运输和显示一体化，并且对空间数据 信息的来源以及相关的地面测量设备进行有效的管理 而雷达 技术的应用不仅提高了地形测量对空间数据的获取率．还降低 了空间信息数据获取的成本．因此在地形测绘中这种激光成像 雷达技术得到了人们的广泛应用 下面我们就对地形测绘激光 成像雷达技术的相关内容进行介绍 一 国外发展状况 激光成像雷达技术作为当前地形测绘遥感技术主要的发展 方向．在国外发达困家中已经得到了十分广泛的应用 并且研发 出了机载、星载平台来方便信息的空间信息数据的收集和处理。 机载平台激光成像雷达的应用．主要是将雷达设备安设在可飞 行高度在４００ｍ至３０００ｍ高度的飞行设备上．以便于对城市、河 流、海岸、山川Ｉ等地形结构的相关信息进行收集处理，从而获取 相关的地下分辨图像的数据信息 这种机载雷达技术测绘的精 确度达到了１５ｅｍ ５０ｃｍ．其中扫描现场的误差范围在±２０。 它可 以通过相关的信息系统对地理信息数据实现共享。此外，我们还 可以采用蓝绿激光器将其雷达设备安置在潜水机械设备上．对 海底结构进行探测 而星载平台的应用．主要是通过卫星来对地 形进行探测．以便于人们对空间信息数据的收集。 二 地形测绘激光成像雷达工作的原理 所谓的地形测绘激光成像雷达技术也就是一种将激光技 术、光电探测技术以及全球定位技术集合在＿起的综合技术．在 利用雷达探测的方法来完成对空间信息数据的收集 在实际应 用的过程中。激光雷达主要是由激光发射机、接收设备、光电扫 描系统、数据信息处理系统这四个部分组成的。下面我们就以机 载平台激光成像雷达系统为例．它的工作原理主要为： 在地形测绘激光成像雷达工作时．人们将信息数据处理设 备安装在飞行仪器的下方．并且与飞行方向相互垂直对地下结 构进行高速扫描．而在对地下结构的空间信息数据进行扫描的 过程中。还要通过对激光发射机进行控制采用一定的激光发射 频率的激光发射脉冲．来对探测区域的进行扫描 三、指标分析 在地形测绘激光成像雷达工作时．对测绘结构有着决定性 意义的主要有测量的精度以及空间分辨率 这也是测绘产品的 重要指标，只有使其各项指标达到了一定的匹配程度．才能保证 整个测量系统的测量结果的准确性 ３．１高程精度 激光雷达在飞行器上工作时．由于飞行器的姿态变化．雷达 直接测得是目标的斜向距离．要形成地表高程数据．必须进行一 定的数学转换。而在激光雷达在实际应用的过程中．影响其高程 精度的准确性．使其产生误差的种类主要有激光雷达的斜程测 量误差、高度测量误差、激光出射角度误左等多种因素 因此，激 光雷达、ＧＰＳ，ＩＮＳ的测量精度必须要匹配，才能实现整个系统的 测量精度。 ３．２空间分辨率 激光雷达空间分辨率由扫捕角度、扫描速度、激光频率、飞 行速度决定，假设激光雷达工作在机载平台．发射光束散角为０． ３ｍｒａｄ。当飞行高度为３０００ｍ时．对应的地面光斑直径为０．９ｍ；横 向扫描视场为２ｏ０时．对应的幅宽为ｌｋｍ：当飞行器以８０ｒｒｄｓ的 速度飞行，扫捕频率每秒４０行时．每秒的测量区域为 １０００ｍｘ８０ｍ．采用２０ｋＨｚ的激光发射频率．则在１０００ｍｘ８０ｍ的区 域内有２００００个像素点．则激光雷达空间分辨率为２ｍｅ当然．从 经济角度考虑．希望扫捕角度和吃行速度越大越好．这样会使探 测效率增人。但会导致测量精度 降．设计中必须综合考虑 四、关键技术 ４．１地形测绘激光雷达总体技术 地形测绘激光成像雷达的总体技术主要进行系统休制和指 标体系的研究，对距离测量而言．可以考虑采用脉冲测距．也可 以采用相位测距．脉冲测距相对比较成熟．测程也比较远．相位 测距测程近．但测量精度高；对成像而言，可以采用扫描成像，也 可以采用探测器阵列成像，扫捕成像控制相对复杂一些．在形成 每帧图像时需要进行逐点修正．探侧器阵列成像在数据处理上 相对简单一些．但由于要求发射激光光束具有一定的覆盖率．对 单脉冲能量要求较高 ４．２激光发射技术 机载、星载平台对载荷的体积、功耗有苛刻的要求，平台运行 环境也有其特殊性，如震动强烈（机载），温交变人、真空度高（星 载１等．同时地形测绘要求激光雷达具有较高的空间分辨率．因此 地形测绘激光雷达激光发射机必须具有高效、高重频、宽温、宽 谱抗震、小型化等特点 ４．３微弱信号检测技术 要获得高精度的测绘产品．激光雷达需要具有较高的探测概 率，但一味增加激光发射功率必然会带来设备功耗、体积的增大， 必须进行微弱信号检测技术的研究．可以采用高灵敏度探测器、 窄带滤光片抑制杂散光、脉冲串积累相关检测等多项技术提高 检测概率 ４．４复合扫描控制技术 在激光成像雷达中．扫捕器作用是将出射的激光偏折射向探 测区域，并将对应的反射光导人接收光学系统．扫描的非线性必 然带来图像的扭曲．在星载平台，由于探测距离远．反射光相对 发射光滞后较多，必须对扫描器进行精确控制．一是扫描的线性 控制：二是收发扫捕光路的对准问题 ４．５高速信号处理技术 地形测绘激光成像雷达要形成精确、清晰的网像．在图像处 理上．要进行多种转换和修正，对扫捕成像体制的激光雷达。测量 值是逐点的斜向距离．必须进行一维测量数据向■维图像数据的 转换．斜程测量数据向高程数据的转换．多传感器（ＬＩＤＡＡ．ＧＰＳ． ＩＮＳ）￣标的转换，平台运动导致图像扭曲、变形的修正，测量误差 的修正等。 五 结束语 由此可见．随着当前地形测绘激光成像雷达技术的日益成 熟，我国也开始借鉴国外发达国家的技术理论对其进行应用．使 得我国在激光雷达技术方面有了重大的突破．这不仅为我围地 形测绘方面打下了扎实的基础．还为我国激光成像雷达技术的提 供了一个广阔的发展前景．在我国社会的经济建设上作出了卓越 的贡献 参考文献： 【１】刘立宝，蔡喜平，乔立杰，杨洋．激光主动成像制导雷达的研究方 向［Ｊ］．红外与激光工程，２００００２） ［２］周建民．制导和监视用激光雷达进展［Ｊ］．应用光学，１９９４（０１） Ｃ Ｈ Ｉ Ｎ Ａ Ｖ Ｅ Ｎ Ｔ Ｕ Ｒ Ｅ Ｃ Ａ Ｐ ｌ Ｔ Ａ Ｌ
