激光雷達(dá)的探測技術(shù)介紹 機(jī)載激光雷達(dá)發(fā)展歷程

激光雷達(dá)（LIDAR）是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行距離測量和成像的傳感器設(shè)備。其工作原理是通過發(fā)射脈沖激光束，然后測量激光束與目標(biāo)物體之間的反射時(shí)間，從而得出目標(biāo)物體到激光雷達(dá)的準(zhǔn)確距離。激光雷達(dá)可以提供高精度和高分辨率的三維空間數(shù)據(jù)，用于環(huán)境感知、地圖建模、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤等應(yīng)用。

激光雷達(dá)主要由以下幾個(gè)組成部分構(gòu)成：

激光發(fā)射器：用于產(chǎn)生并發(fā)射脈沖激光束的裝置，通常是通過激光二極管或激光器件來實(shí)現(xiàn)。

接收器：用于接收目標(biāo)物體反射回來的激光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

光電探測器：用于檢測和測量激光信號(hào)的特性，如強(qiáng)度、反射時(shí)間等。

控制器：用于控制激光雷達(dá)的工作模式、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)處理。

旋轉(zhuǎn)鏡或掃描器：有些激光雷達(dá)使用旋轉(zhuǎn)鏡或掃描器來改變激光束的方向，以實(shí)現(xiàn)全方位的三維掃描。

激光雷達(dá)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括但不限于：

自動(dòng)駕駛技術(shù)：激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛車輛中的核心傳感器之一，用于實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境、檢測障礙物并規(guī)劃路徑。

機(jī)器人技術(shù)：激光雷達(dá)可用于機(jī)器人導(dǎo)航、環(huán)境感知和物體識(shí)別，提高機(jī)器人的智能化水平。

地理測繪：激光雷達(dá)可用于地形測繪、建筑測量、城市規(guī)劃等領(lǐng)域，生成高精度的三維地圖數(shù)據(jù)。

軍事和安全領(lǐng)域：激光雷達(dá)在軍事情報(bào)收集、目標(biāo)識(shí)別、導(dǎo)航和監(jiān)控任務(wù)中發(fā)揮重要作用。

激光雷達(dá)是一種利用激光技術(shù)進(jìn)行測距和成像的設(shè)備，其主要作用包括：

1. 測距和測速：激光雷達(dá)可以通過測量激光脈沖的往返時(shí)間來準(zhǔn)確測量目標(biāo)物體與激光雷達(dá)之間的距離，同時(shí)也可以利用多普勒效應(yīng)來測量目標(biāo)的速度。這使得激光雷達(dá)在自動(dòng)駕駛、距離測量、速度測量等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

2. 環(huán)境感知：激光雷達(dá)可以對周圍環(huán)境進(jìn)行精確的三維測繪，包括檢測目標(biāo)物體的位置、形狀和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以提供環(huán)境感知和障礙物檢測功能。這對于無人車輛、無人機(jī)、機(jī)器人等智能設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

3. 地圖建模：激光雷達(dá)可以用于地圖建模和地圖更新，通過高精度的三維地圖數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的地圖構(gòu)建，為導(dǎo)航、城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供支持。

4. 目標(biāo)識(shí)別與跟蹤：激光雷達(dá)可以幫助識(shí)別各種目標(biāo)物體，并對其進(jìn)行跟蹤，例如在軍事領(lǐng)域中的目標(biāo)識(shí)別和跟蹤，或者在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的物體定位與追蹤。

5. 三維成像和掃描：激光雷達(dá)可以生成具有高精度和高分辨率的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景的三維成像和掃描，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑測繪、文物保護(hù)等領(lǐng)域。

技術(shù)原理

激光雷達(dá)探測的具體技術(shù)可以分為TOF飛行時(shí)間法與相干探測方法。其中ToF方法可以進(jìn)一步區(qū)分為iToF和dToF方法；

飛行時(shí)間（ToF）探測方法

通過直接計(jì)算發(fā)射及接收電磁波的時(shí)間差測量被測目標(biāo)的距離；

相干探測方法（如：FMCW）

通過測量發(fā)射電磁波與返回電磁波的頻率變化解調(diào)出被測目標(biāo)的距離及速度；

FMCW雷達(dá)原理示意圖

機(jī)載激光雷達(dá)是指安裝在飛行器（如飛機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)等）上的激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于從空中對地面或其他目標(biāo)進(jìn)行測量、成像和監(jiān)測。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)通常由激光器、接收器、控制器、數(shù)據(jù)處理單元和安裝支架等組成。

發(fā)展歷程

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)自20世紀(jì)60年代起步，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已取得顯著進(jìn)步。其發(fā)展歷程可大致劃分為3個(gè)階段：

第1階段：初創(chuàng)期（20世紀(jì)60–80年代）。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)剛剛興起，主要采用固體激光器和鏡面轉(zhuǎn)向裝置，最大探測范圍僅為200～500m，圖像分辨率較低。這一階段為機(jī)載激光雷達(dá)的基本原理奠定了基礎(chǔ)。

第2階段：發(fā)展期（20世紀(jì)末–21世紀(jì)初）。伴隨新型激光器、光電探測器及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的出現(xiàn)，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)得以迅速發(fā)展。具備掃描、定位及高速數(shù)據(jù)記錄功能的測深系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行測深，還可繪制海底地形。這一階段實(shí)現(xiàn)了機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的飛躍。

第3階段：成熟期（21世紀(jì)后）。機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)不斷優(yōu)化，關(guān)鍵技術(shù)逐漸成熟。采用半導(dǎo)體泵浦Nd：YAG固體激光器和雙波長系統(tǒng)顯著提升了系統(tǒng)的探測能力，同時(shí)系統(tǒng)的體積、重量及能耗均得到一定程度的降低，機(jī)動(dòng)性和續(xù)航時(shí)間得以增強(qiáng)。此外，數(shù)字信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的融入顯著提高了系統(tǒng)的智能化水平。典型系統(tǒng)包括CZMILSuperNova、HAWKEYEⅢ和LADSMAKⅢ等。在這一階段，機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)逐漸走向成熟。

機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)有哪些優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)

機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中具有以下優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)：

1. 高精度： 機(jī)載激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)高精度的三維測量，對于地形地貌、建筑結(jié)構(gòu)等目標(biāo)的測量精度較高，能夠提供精確的空間數(shù)據(jù)。

2. 快速獲取數(shù)據(jù)： 由于激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)傳感器，能夠快速獲取目標(biāo)物體的距離信息，實(shí)現(xiàn)高頻率的數(shù)據(jù)采集，使得數(shù)據(jù)處理和分析更加迅速高效。

3. 大范圍覆蓋： 機(jī)載激光雷達(dá)在飛行狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)對大范圍區(qū)域的快速掃描和測量，適用于需要大范圍覆蓋和快速獲取數(shù)據(jù)的測繪和監(jiān)測任務(wù)。

4. 適應(yīng)性強(qiáng)： 機(jī)載激光雷達(dá)可以適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境和天氣條件下的測量任務(wù)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以在各種復(fù)雜情況下進(jìn)行測量工作。

5. 實(shí)時(shí)性： 機(jī)載激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理，能夠提供及時(shí)的反饋和信息更新，適用于需要實(shí)時(shí)監(jiān)測和決策支持的應(yīng)用場景。

6. 非接觸性： 機(jī)載激光雷達(dá)無需與目標(biāo)接觸，通過遠(yuǎn)距離激光測量實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的準(zhǔn)確測量，避免了對目標(biāo)造成損壞或干擾。

7. 多功能性： 機(jī)載激光雷達(dá)可以結(jié)合其他傳感器或設(shè)備，如相機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，提高數(shù)據(jù)的多維度分析和應(yīng)用能力。

機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)具有高精度、快速獲取數(shù)據(jù)、大范圍覆蓋、適應(yīng)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性、非接觸性和多功能性等優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、遙感、測繪、環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察等領(lǐng)域，為空中測繪、地形分析、環(huán)境監(jiān)測等提供了高效、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

審核編輯：黃飛