激光(guang)(guang)雷達是(shi)一種可以(yi)準確、快速獲取(qu)(qu)(qu)地(di)面或(huo)大氣三維(wei)空(kong)間(jian)信息的主動(dong)探測(ce)(ce)技(ji)(ji)術(shu)(shu)，應用范圍和發展前景(jing)十分廣闊。以(yi)往的傳感(gan)器只(zhi)能獲取(qu)(qu)(qu)目標的空(kong)間(jian)平面信息，需要通過同軌、異軌重疊成(cheng)(cheng)像(xiang)等技(ji)(ji)術(shu)(shu)來(lai)獲取(qu)(qu)(qu)三維(wei)高(gao)程信息，這些方(fang)法(fa)與(yu)LiDAR技(ji)(ji)術(shu)(shu)相比(bi)，不但測(ce)(ce)距精度低，數據處理(li)也比(bi)較復雜(za)。正因為如此，LiDAR技(ji)(ji)術(shu)(shu)與(yu)成(cheng)(cheng)像(xiang)光(guang)(guang)譜、合成(cheng)(cheng)孔徑雷達一起被列為對地(di)觀測(ce)(ce)系統(tong)計(ji)劃中(zhong)核(he)心的信息獲取(qu)(qu)(qu)與(yu)處理(li)技(ji)(ji)術(shu)(shu)。激光(guang)(guang)雷達是(shi)將激光(guang)(guang)技(ji)(ji)術(shu)(shu)、高(gao)速信息處理(li)技(ji)(ji)術(shu)(shu)、計(ji)算機技(ji)(ji)術(shu)(shu)等高(gao)新技(ji)(ji)術(shu)(shu)相結合的產(chan)物。
一、激光雷達的工作原理
激光(guang)雷達(da)是(shi)(shi)一種雷達(da)系統，是(shi)(shi)一種主動(dong)傳感(gan)器，所形(xing)成的(de)(de)數(shu)據是(shi)(shi)點(dian)云形(xing)式。其工作(zuo)光(guang)譜段(duan)在紅外到(dao)紫外之(zhi)間(jian)，主要(yao)發(fa)(fa)射(she)(she)機、接收(shou)機、測(ce)(ce)量控(kong)制(zhi)和電源組成。工作(zuo)原理(li)為：首先向(xiang)被測(ce)(ce)目(mu)標發(fa)(fa)射(she)(she)一束激光(guang)，然后測(ce)(ce)量反射(she)(she)或散射(she)(she)信(xin)號(hao)(hao)到(dao)達(da)發(fa)(fa)射(she)(she)機的(de)(de)時(shi)間(jian)、信(xin)號(hao)(hao)強弱程度(du)和頻(pin)率變化等參數(shu)，從(cong)而(er)(er)確(que)定(ding)被測(ce)(ce)目(mu)標的(de)(de)距(ju)離(li)、運(yun)動(dong)速度(du)以及(ji)方(fang)位。除此之(zhi)外，還可以測(ce)(ce)出大氣(qi)中(zhong)肉眼看不到(dao)的(de)(de)微粒的(de)(de)動(dong)態(tai)(tai)等情況。激光(guang)雷達(da)的(de)(de)作(zuo)用就是(shi)(shi)準確(que)測(ce)(ce)量目(mu)標的(de)(de)位置（距(ju)離(li)與角度(du)）、形(xing)狀（大小）及(ji)狀態(tai)(tai)（速度(du)、姿態(tai)(tai)），從(cong)而(er)(er)達(da)到(dao)探測(ce)(ce)、識別、跟(gen)蹤目(mu)標的(de)(de)目(mu)的(de)(de)。
普通激光雷達光學掃描器部分
二、激光雷達的現狀及應用
激光技(ji)(ji)術(shu)從它的(de)(de)問世到現在，雖(sui)然(ran)時間不(bu)長，但是由(you)于它有(you)：高(gao)(gao)(gao)亮度性(xing)、高(gao)(gao)(gao)方(fang)向性(xing)、高(gao)(gao)(gao)單(dan)色性(xing)和(he)(he)高(gao)(gao)(gao)相(xiang)干性(xing)等(deng)幾(ji)個有(you)價值的(de)(de)特(te)點(dian)，因而在國防軍(jun)事、工農業生產(chan)、醫學衛生和(he)(he)科(ke)學研究等(deng)方(fang)面都有(you)廣泛的(de)(de)應(ying)用(yong)。LiDAR技(ji)(ji)術(shu)在西方(fang)國家(jia)發展(zhan)相(xiang)對成熟(shu)，已經投入商業運(yun)行的(de)(de)激光雷達系統（主要指機載）主要有(you)Optech（加(jia)拿大）、TopSys（法國）和(he)(he)Leica（美(mei)國）等(deng)公司的(de)(de)產(chan)品(pin)。
1.軍(jun)事(shi)方面的應用
目前(qian)，在水雷(lei)探測激(ji)光(guang)(guang)(guang)雷(lei)達、化學試劑探測激(ji)光(guang)(guang)(guang)雷(lei)達、大氣監測激(ji)光(guang)(guang)(guang)雷(lei)達、生(sheng)化陸(lu)戰激(ji)光(guang)(guang)(guang)雷(lei)達等(deng)方面已(yi)經有了很大的(de)(de)成就。另外，中國的(de)(de)攻擊激(ji)光(guang)(guang)(guang)雷(lei)達已(yi)經相當的(de)(de)先(xian)進，包含著五大核(he)心技(ji)術(shu)：激(ji)光(guang)(guang)(guang)材(cai)(cai)料研究(jiu)的(de)(de)突(tu)破(po)、激(ji)光(guang)(guang)(guang)輻射材(cai)(cai)料物理機(ji)理及(ji)成像圖(tu)譜(pu)研究(jiu)的(de)(de)突(tu)破(po)、一(yi)次性快速跟蹤定位(wei)控制技(ji)術(shu)的(de)(de)突(tu)破(po)、高密(mi)度能量可逆(ni)轉換(huan)載體材(cai)(cai)料的(de)(de)突(tu)破(po)、激(ji)光(guang)(guang)(guang)成像技(ji)術(shu)的(de)(de)突(tu)破(po)。
2.測風方面的應用
多普勒(le)(le)測(ce)風激(ji)光(guang)雷(lei)達具(ju)有高分(fen)辨率、高精度、大(da)探測(ce)范圍、能提供(gong)晴空條件下三(san)維風場信(xin)息的能力。多普勒(le)(le)測(ce)風激(ji)光(guang)雷(lei)達利(li)用(yong)光(guang)的多普勒(le)(le)效應，測(ce)量激(ji)光(guang)光(guang)束在大(da)氣中傳輸及其回波信(xin)號(hao)的多普勒(le)(le)頻移來反演空間風速(su)分(fen)布(bu)。主要(yao)有相干（外差）探測(ce)和非(fei)相干（直接）探測(ce)兩種方式。
3.氣(qi)象方面(mian)的(de)應用：我(wo)國已(yi)經建(jian)立12個沙(sha)塵(chen)暴(bao)長期觀測站，形成全國性(xing)的(de)沙(sha)塵(chen)暴(bao)監(jian)測網絡。可以通過(guo)先進的(de)觀測、模擬和衛星(xing)遙感(gan)的(de)聯(lian)合研究，查(cha)明中國沙(sha)塵(chen)暴(bao)發生(sheng)的(de)確切源地(di)，科(ke)學(xue)地(di)分辨氣(qi)象、氣(qi)候條(tiao)件變化等自然因素(su)和沙(sha)漠化土地(di)增加等人為(wei)因素(su)對沙(sha)塵(chen)暴(bao)的(de)影響，為(wei)準確預(yu)警、預(yu)報沙(sha)塵(chen)暴(bao)，制定防治計劃(hua)提供科(ke)學(xue)依(yi)據。
4.醫學方面的應用
美國(guo)能(neng)源(yuan)部所(suo)屬的Oak Ridge國(guo)家實驗室開發出一種(zhong)(zhong)集(ji)成(cheng)了激光和雷達系(xi)(xi)統的系(xi)(xi)統，這(zhe)種(zhong)(zhong)系(xi)(xi)統可以(yi)減輕燒(shao)傷(shang)病人(ren)的痛(tong)苦(ku)。研究人(ren)員(yuan)希望這(zhe)種(zhong)(zhong)同(tong)頻連(lian)續(xu)波激光雷達映射系(xi)(xi)統，可以(yi)從病人(ren)身(shen)體上去除壞死的皮(pi)膚和肌肉。這(zhe)種(zhong)(zhong)新系(xi)(xi)統可以(yi)對燒(shao)傷(shang)病人(ren)的體表組織(zhi)進行三維的激光雷達定(ding)位探(tan)測(ce)，以(yi)確定(ding)損害程(cheng)度。利用探(tan)測(ce)定(ding)位結果(guo)，激光可以(yi)自動除去壞死的組織(zhi)以(yi)利于新組織(zhi)生長。
5.水土(tu)保持(chi)監(jian)測中的應(ying)用
目前，全國(guo)由于建(jian)設開(kai)發的(de)影響，給水(shui)土(tu)流失治(zhi)理帶來很(hen)大(da)(da)的(de)難度，據調查(cha)，全國(guo)每(mei)年由于開(kai)發建(jian)設使(shi)水(shui)土(tu)流失面積達到(dao)1.00×104平(ping)方(fang)千米由以上(shang)(shang)。由于激光雷達在測量(liang)精(jing)度上(shang)(shang)比傳統方(fang)法(fa)測量(liang)結果要精(jing)細許多(duo)，更真實、可(ke)信；而(er)且，可(ke)詳細反映所(suo)測場地的(de)形(xing)態，輕(qing)松(song)實現三(san)維(wei)建(jian)模，從而(er)實現了非接觸式測量(liang)，大(da)(da)大(da)(da)減少(shao)了外業工作量(liang)，降低了外業危險；并且可(ke)對開(kai)挖邊(bian)坡、崩(beng)崗、山(shan)體(ti)滑坡等許多(duo)形(xing)式的(de)水(shui)土(tu)流失進行測量(liang)，使(shi)傳統水(shui)土(tu)保持走上(shang)(shang)“精(jing)耕細作”之路(lu)。
三、激光雷達的發展趨勢
1.星載激光雷達(da)
星(xing)(xing)載(zai)LiDAR以衛星(xing)(xing)作為平臺，其運行(xing)軌道高(gao)(gao)(gao)、觀(guan)(guan)(guan)測(ce)范圍廣、觀(guan)(guan)(guan)測(ce)速(su)度(du)快，受地面背景(jing)、天空背景(jing)影響小，具(ju)有(you)(you)高(gao)(gao)(gao)分辨率、高(gao)(gao)(gao)靈(ling)敏度(du)的(de)(de)(de)(de)特(te)點(dian)，幾乎可以觸(chu)及世界(jie)的(de)(de)(de)(de)每一個角(jiao)落，為三維控制點(dian)和(he)(he)數字地面模型(xing)（DEM）的(de)(de)(de)(de)獲取提(ti)供了新的(de)(de)(de)(de)途(tu)徑，在(zai)國(guo)防或是(shi)科學研究(jiu)(jiu)等領域都具(ju)有(you)(you)十分重大(da)的(de)(de)(de)(de)應用價值和(he)(he)研究(jiu)(jiu)意義。星(xing)(xing)載(zai)LiDAR還具(ju)有(you)(you)觀(guan)(guan)(guan)察整個天體的(de)(de)(de)(de)能力，實現天體測(ce)繪、全球信息采集、全球環(huan)境(jing)監(jian)測(ce)、農業林業資(zi)源調(diao)查(cha)、大(da)氣結構(gou)成分測(ce)量等。此外，星(xing)(xing)載(zai)LiDAR在(zai)植被(bei)垂(chui)直分布測(ce)量、海面高(gao)(gao)(gao)度(du)測(ce)量、云層和(he)(he)氣溶膠垂(chui)直分布測(ce)量以及特(te)殊氣候現象(xiang)監(jian)測(ce)等方面也(ye)可以發(fa)揮重要(yao)作用。目前，國(guo)際上發(fa)展(zhan)的(de)(de)(de)(de)星(xing)(xing)載(zai)激光(guang)(guang)雷達(da)(da)有(you)(you)：美(mei)國(guo)的(de)(de)(de)(de)NASA/LaRC星(xing)(xing)載(zai)差分吸收(shou)雷達(da)(da)、月球觀(guan)(guan)(guan)測(ce)Clementine系(xi)(xi)統(tong)、火星(xing)(xing)勘探者的(de)(de)(de)(de)MOLA-2系(xi)(xi)統(tong)、觀(guan)(guan)(guan)測(ce)空間(jian)小行(xing)星(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)NRL系(xi)(xi)統(tong)、地球觀(guan)(guan)(guan)測(ce)的(de)(de)(de)(de)GLAS系(xi)(xi)統(tong)、后向(xiang)散射雷達(da)(da)ATLID。研究(jiu)(jiu)和(he)(he)解決星(xing)(xing)載(zai)Li-DAR的(de)(de)(de)(de)關鍵技術，建立起自己的(de)(de)(de)(de)星(xing)(xing)載(zai)LiDAR系(xi)(xi)統(tong)，將會是(shi)我國(guo)激光(guang)(guang)雷達(da)(da)的(de)(de)(de)(de)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)方向(xiang)。
2.戰(zhan)場偵察激光(guang)雷達
激光雷達有可能(neng)成為重(zhong)要的(de)偵察工具和(he)(he)手段。美國雷西昂(ang)公司(si)正在(zai)試驗使(shi)用GaAA激光行掃描傳感器(qi)制造ILR100成像激光雷達，此設(she)備可以安裝在(zai)商性能(neng)飛機(ji)和(he)(he)無人(ren)機(ji)上，在(zai)120-460米(mi)的(de)高空執(zhi)行偵查任(ren)務(wu)。偵查的(de)影像可實時地傳送到飛機(ji)上的(de)陰極射線管顯示(shi)器(qi)上或通(tong)過數據(ju)鏈路直接(jie)發送至地面接(jie)受站。
3.測風激光雷達
測(ce)定風(feng)速對研究氣候(hou)變化、提高天氣預(yu)報的精度、監測(ce)機場氣流、優(you)化飛機航線以及在軍事、火箭發射等方面具有非常重(zhong)要的意義(yi)。
4.激光雷達尋的器(qi)
激(ji)光(guang)(guang)雷(lei)(lei)(lei)達(da)可以(yi)提供(gong)以(yi)距離和(he)強度(du)為基(ji)礎的(de)(de)高(gao)分辨率(lv)影像(xiang)，使空地(di)(di)武器具有自主(zhu)準(zhun)確制導能(neng)力。激(ji)光(guang)(guang)雷(lei)(lei)(lei)達(da)尋的(de)(de)器能(neng)形成目(mu)標(biao)(biao)的(de)(de)三維影像(xiang)，確保準(zhun)確地(di)(di)識別目(mu)標(biao)(biao)。目(mu)前，美國(guo)空軍賴特實驗室(shi)與(yu)海軍聯合開展(zhan)了一項(xiang)基(ji)于固態激(ji)光(guang)(guang)雷(lei)(lei)(lei)達(da)演示計(ji)劃，目(mu)的(de)(de)就是完成激(ji)光(guang)(guang)雷(lei)(lei)(lei)達(da)尋的(de)(de)器和(he)自主(zhu)式捕獲目(mu)標(biao)(biao)。激(ji)光(guang)(guang)雷(lei)(lei)(lei)達(da)尋的(de)(de)器將會安裝在AGM-130、聯合空地(di)(di)遠程導彈上，以(yi)提高(gao)自主(zhu)制導的(de)(de)能(neng)力和(he)打擊精度(du)。
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