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LiDAR(Light Detection and Ranging),是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱,另外也稱Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)。

用激光器作為發(fā)射光源,采用光電探測(cè)技術(shù)手段的主動(dòng)遙感設(shè)備。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測(cè)方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng) 、信息處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器,如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器以及光學(xué)擴(kuò)束單元等組成;接收系統(tǒng)采用望遠(yuǎn)鏡和各種形式的光電探測(cè)器,如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測(cè)器件等組合。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式,探測(cè)方法按照探測(cè)的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達(dá)。

LIDAR測(cè)繪技術(shù)空載激光掃瞄技術(shù)的發(fā)展,源自1970年,美國(guó)航天局(NASA)的研發(fā)。因全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System、GPS)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System、INS)的發(fā)展,使精確的即時(shí)定位及姿態(tài)確定成為可能。德國(guó)Stuttgart大學(xué)于1988到1993年間將激光掃描技術(shù)與即時(shí)定位定姿系統(tǒng)結(jié)合,形成空載激光掃描儀(Ackermann-19)。之后,空載激光掃瞄儀隨即發(fā)展相當(dāng)快速,約從1995年開始商業(yè)化,目前已有10多家廠商生產(chǎn)空載激光掃瞄儀,可選擇的型號(hào)超過30種(Baltsavias-1999)。研發(fā)空載激光掃瞄儀的原始目的是觀測(cè)多重反射(multiple echoes)的觀測(cè)值,測(cè)出地表及樹頂?shù)母叨饶Ｐ汀Ｓ捎谄涓叨茸詣?dòng)化及精確的觀測(cè)成果用空載激光掃瞄儀為主要的DTM生產(chǎn)工具。

快速獲取高精度的數(shù)字高程數(shù)據(jù)或數(shù)字表面數(shù)據(jù)是機(jī)載LIDAR技術(shù)在許多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的前提,因此,開展機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)精度的研究具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。在這一背景下,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)提高機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)精度做了大量研究。

由于飛行作業(yè)是激光雷達(dá)航測(cè)成圖的第一道工序,它為后續(xù)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理提供直接起算數(shù)據(jù)。按照測(cè)量誤差原理和制定"規(guī)范"的基本原則,都要求前一工序的成果所包含的誤差,對(duì)后一工序的影響應(yīng)為最小。因此,通過研究機(jī)載激光雷達(dá)作業(yè)流程,優(yōu)化設(shè)計(jì)作業(yè)方案來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,是非常有意義的。

激光本身具有非常精確的測(cè)距能力,其測(cè)距精度可達(dá)幾個(gè)厘米,而LIDAR系統(tǒng)的精確度除了激光本身因素,還取決于激光、GPS及慣性測(cè)量單元(IMU)三者同步等內(nèi)在因素。隨著商用GPS及IMU的發(fā)展,通過LIDAR從移動(dòng)平臺(tái)上(如在飛機(jī)上)獲得高精度的數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能并被廣泛應(yīng)用。

LIDAR系統(tǒng)包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖,打在物體上并反射回來,最終被接收器所接收。接收器準(zhǔn)確地測(cè)量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時(shí)間。因?yàn)楣饷}沖以光速傳播,所以接收器總會(huì)在下一個(gè)脈沖發(fā)出之前收到前一個(gè)被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的,傳播時(shí)間即可被轉(zhuǎn)換為對(duì)距離的測(cè)量。結(jié)合激光器的高度,激光掃描角度,從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發(fā)射方向,就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出每一個(gè)地面光斑的坐標(biāo)X,Y,Z。激光束發(fā)射的頻率可以從每秒幾個(gè)脈沖到每秒幾萬個(gè)脈沖。舉例而言,一個(gè)頻率為每秒一萬次脈沖的系統(tǒng),接收器將會(huì)在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個(gè)點(diǎn)。一般而言,LIDAR系統(tǒng)的地面光斑間距在2-4m不等。

(1)分辨率高

激光雷達(dá)可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個(gè)目標(biāo)(這是微波雷達(dá)無論如何也辦不到的),并可同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo);距離分辨率可達(dá)0.lm;速度分辨率能達(dá)到10m/s以內(nèi)。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離——多譜勒成像技術(shù)來獲得目標(biāo)的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達(dá)的最顯著的優(yōu)點(diǎn),其多數(shù)應(yīng)用都是基于此。

(2)隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng)

激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,只有在其傳播路徑上才能接收到,因此敵方截獲非常困難,且激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)(發(fā)射望遠(yuǎn)鏡)口徑很小,可接收區(qū)域窄,有意發(fā)射的激光干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)的概率極低;另外,與微波雷達(dá)易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同,自然界中能對(duì)激光雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多,因此激光雷達(dá)抗有源干擾的能力很強(qiáng),適于工作在日益復(fù)雜和激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中。

(3)低空探測(cè)性能好

微波雷達(dá)由于存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區(qū)域的盲區(qū)(無法探測(cè)的區(qū)域)。而對(duì)于激光雷達(dá)來說,只有被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)生反射,完全不存在地物回波的影響,因此可以"零高度"工作,低空探測(cè)性能較微波雷達(dá)強(qiáng)了許多。

(4)體積小、質(zhì)量輕

通常普通微波雷達(dá)的體積龐大,整套系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)以噸記,光天線口徑就達(dá)幾米甚至幾十米。而激光雷達(dá)就要輕便、靈巧得多,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的口徑一般只有厘米級(jí),整套系統(tǒng)的質(zhì)量最小的只有幾十公斤,架設(shè)、拆收都很簡(jiǎn)便。而且激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,維修方便,操縱容易,價(jià)格也較低。

其次,由于激光雷達(dá)的波束極窄,在空間搜索目標(biāo)非常困難,直接影響對(duì)非合作目標(biāo)的截獲概率和探測(cè)效率,只能在較小的范圍內(nèi)搜索、捕獲目標(biāo),因而激光雷達(dá)較少單獨(dú)直接應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和搜索。

直升機(jī)障礙物規(guī)避激光雷達(dá)

目前,激光雷達(dá)在低空飛行直升機(jī)障礙物規(guī)避、化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)和水下目標(biāo)探測(cè)等方面已進(jìn)入實(shí)用階段,其它軍事應(yīng)用研究亦日趨成熟。

直升機(jī)在進(jìn)行低空巡邏飛行時(shí),極易與地面小山或建筑物相撞。為此,研制能規(guī)避地面障礙物的直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)是人們夢(mèng)寐以求的愿望。目前,這種雷達(dá)已在美國(guó)、德國(guó)和法國(guó)獲得了成功。

美國(guó)研制的直升機(jī)超低空飛行障礙規(guī)避系統(tǒng),使用固體激光二極管發(fā)射機(jī)和旋轉(zhuǎn)全息掃描器可檢測(cè)直升機(jī)前很寬的空域,地面障礙物信息實(shí)時(shí)顯示在機(jī)載平視顯示器或頭盔顯示器上,為安全飛行起了很大的保障作用。

德國(guó)戴姆勒。奔馳宇航公司研制成功的Hel??las障礙探測(cè)激光雷達(dá)更高一籌,它是一種固體1.54微米成像激光雷達(dá),視場(chǎng)為32度×32度,能探測(cè)300―500米距離內(nèi)直徑1厘米粗的電線,將裝在新型EC―135和EC―155直升機(jī)上。

法國(guó)達(dá)索電子公司和英國(guó)馬可尼公司聯(lián)合研制的吊艙載CLARA激光雷達(dá)具有多種功能,采用CO2激光器。不但能探測(cè)標(biāo)桿和電纜之類的障礙,還具有地形跟蹤、目標(biāo)測(cè)距和指示、活動(dòng)目標(biāo)指示等功能,適用于飛機(jī)和直升機(jī)。

化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)

傳統(tǒng)的化學(xué)戰(zhàn)劑探測(cè)裝置由士兵肩負(fù),一邊探測(cè)一邊前進(jìn),探測(cè)速度慢,且士兵容易中毒。

俄羅斯研制成功的KDKhr―1N遠(yuǎn)距離地面激光毒氣報(bào)警系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)距離探測(cè)化學(xué)毒劑攻擊,確定毒劑氣溶膠云的斜距、中心厚度、離地高度、中心角坐標(biāo)以及毒劑相關(guān)參數(shù),并可通過無線電通道或有線線路向部隊(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),比傳統(tǒng)探測(cè)前進(jìn)了一大步。

德國(guó)研制成功的VTB―1型遙測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器技術(shù)更加先進(jìn),它使用兩臺(tái)9― 11微米、可在40個(gè)頻率上調(diào)節(jié)的連續(xù)波CO2激光器,利用微分吸收光譜學(xué)原理遙測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑,既安全又準(zhǔn)確。

機(jī)載海洋激光雷達(dá)

傳統(tǒng)的水中目標(biāo)探測(cè)裝置是聲納。根據(jù)聲波的發(fā)射和接收方式,聲納可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式,可對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行警戒、搜索、定性和跟蹤。但它體積很大,重量一般在600公斤以上,有的甚至達(dá)幾十噸重。而激光雷達(dá)是利用機(jī)載藍(lán)綠激光器發(fā)射和接收設(shè)備,通過發(fā)射大功率窄脈沖激光,探測(cè)海面下目標(biāo)并進(jìn)行分類,既簡(jiǎn)便,精度又高。

迄今,機(jī)載海洋激光雷達(dá)已發(fā)展了三代產(chǎn)品。20世紀(jì)90年代研制成功的第三代系統(tǒng)以第二代系統(tǒng)為基礎(chǔ),增加了GPS定位和定高功能,系統(tǒng)與自動(dòng)導(dǎo)航儀接口,實(shí)現(xiàn)了航線和高度的自動(dòng)控制。

成像激光雷達(dá)可水下探物

美國(guó)諾斯羅普公司為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局研制的ALARMS機(jī)載水雷探測(cè)系統(tǒng),具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)功能和三維定位能力,定位分辨率高,可以24小時(shí)工作,采用卵形掃描方式探測(cè)水下可疑目標(biāo)。

美國(guó)卡曼航天公司研制成功的機(jī)載水下成像激光雷達(dá),最大特點(diǎn)是可對(duì)水下目標(biāo)成像。由于成像激光雷達(dá)的每個(gè)激光脈沖覆蓋面積大,因此其搜索效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非成像激光雷達(dá)。另外,成像激光雷達(dá)可以顯示水下目標(biāo)的形狀等特征,更加便于識(shí)別目標(biāo),這已是成像激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢(shì)。