激光雷达的原理、应用现状及其发展

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引言
激光雷达是一种可以精确、快速获取地面或大气三维空间信息的主动探测技术，应用范围和发展前景十分广阔。以往的传感器只能获取目标的空间平面信息，需要通过同轨、异轨重叠成像等技术来获取三维高程信息，这些方法与LiDAR技术相比，不但测距精度低，数据处理也比较复杂。正因为如此，LiDAR技术与成像光谱、合成孔径雷达一起被列为对地观测系统计划中最核心的信息获取与处理技术。激光雷达是将激光技术、高速信息处理技术、计算机技术等高新技术相结合的产物。
一、激光雷达的工作原理
激光雷达是一种雷达系统，是一种主动传感器，所形成的数据是点云形式。其工作光谱段在红外到紫外之间，主要发射机、接收机、测量控制和电源组成。工作原理为：首先向被测目标发射一束激光，然后测量反射或散射信号到达发射机的时间、信号强弱程度和频率变化等参数，从而确定被测目标的距离、运动速度以及方位。除此之外，还可以测出大气中肉眼看不到的微粒的动态等情况。激光雷达的作用就是精确测量目标的位置（距离与角度）、形状（大小）及状态（速度、姿态），从而达到探测、识别、跟踪目标的目的。
二、激光雷达的现状及应用
激光技术从它的问世到现在，虽然时间不长，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等几个极有价值的特点，因而在国防军事、工农业生产、医学卫生和科学研究等方面都有广泛的应用。LiDAR技术在西方国家发展相对成熟，已经投入商业运行的激光雷达系统（主要指机载）主要有Optech（加拿大）、TopSys（法国）和Leica（美国）等公司的产品。
1.军事方面的应用
目前，在水雷探测激光雷达、化学试剂探测激光雷达、大气监测激光雷达、生化陆战激光雷达等方面已经有了很大的成就。另外，中国的攻击激光雷达已经相当的先进，包含着世界最尖端的五大核心技术：激光材料研究的突破、激光辐射材料物理机理及成像图谱研究的突破、一次性快速跟踪定位控制技术的突破、高密度能量可逆转换载体材料的突破、激光成像技术的突破。
2.测风方面的应用
多普勒测风激光雷达具有高分辨率、高精度、大探测范围、能提供晴空条件下三维风场信息的能力。多普勒测风激光雷达利用光的多普勒效应，测量激光光束在大气中传输及其回波信号的多普勒频移来反演空间风速分布。主要有相干（外差）探测和非相干（直接）探测两种方式。
3.气象方面的应用：我国已经建立12个沙尘暴长期观测站，首次形成全国性的沙尘暴监测网络。可以通过先进的观测、模拟和卫星遥感的联合研究，查明中国沙尘暴发生的确切源地，科学地分辨气象、气候条件变化等自然因素和沙漠化土地增加等人为因素对沙尘暴的影响，为准确预警、预报沙尘暴，制定全面高效的防治计划提供科学依据。
4.医学方面的应用
美国能源部所属的OakRidge国家实验室开发出一种集成了激光和雷达系统的系统，这种系统可以减轻烧伤病人的痛苦。研究人员希望这种同频连续波激光雷达映射系统，可以从病人身体上去除坏死的皮肤和肌肉。这种新系统可以对烧伤病人的体表组织进行三维的激光雷达定位探测，以确定损害程度。利用探测定位结果，激光可以自动除去坏死的组织以利于新组织生长。
5.水土保持监测中的应用
目前，全国由于建设开发的影响，给水土流失治理带来很大的难度，据调查，全国每年由于开发建设使水土流失面积达到1.00×104平方千米由以上。由于激光雷达在测量精度上比传统方法测量结果要精细许多，更真实、可信；而且，可详细反映所测场地的形态，轻松实现三维建模，从而真正实现了非接触式测量，大大减少了外业工作量，降低了外业危险；并且可对开挖边坡、崩岗、山体滑坡等许多形式的水土流失进行测量，使传统水土保持走上“精耕细作”之路。
三、激光雷达的发展趋势
1.星载激光雷达
星载LiDAR以卫星作为平台，其运行轨道高、观测范围广、观测速度快，受地面背景、天空背景影响小，具有高分辨率、高灵敏度的特点，几乎可以触及世界的每一个角落，为三维控制点和数字地面模型（DEM）的获取提供了新的途径，在国防或是科学研究等领域都具有十分重大的应用价值和研究意义。星载LiDAR还具有观察整个天体的能力，实现天体测绘、全球信息采集、全球环境监测、农业林业资源调查、大气结构成分测量等。此外，星载LiDAR在植被垂直分布测量、海面高度测量、云层和气溶胶垂直分布测量以及特殊气候现象监测等方面也可以发挥重要作用。目前，国际上发展的星载激光雷达有：美国的NASA/LaRC星载差分吸收雷达、月球观测Clementine系统、火星勘探者的MOLA-2系统、观测空间小行星的NRL系统、地球观测的GLAS系统、后向散射雷达ATLID。研究和解决星载Li-DAR的关键技术，建立起自己的星载LiDAR系统，将会是我国激光雷达的重要的发展方向。
2.战场侦察激光雷达
激光雷达有可能成为重要的侦察工具和手段。美国雷西昂公司正在试验使用GaAA激光行扫描传感器制造ILR100成像激光雷达，此设备可以安装在商性能飞机和无人机上，在120-460米的高空执行侦查任务。侦查的影像可实时地传送到飞机上的阴极射线管显示器上或通过数据链路直接发送至地面接受站。
3.测风激光雷达
测定风速对研究气候变化、提高天气预报的精度、监测机场气流、优化飞机航线以及在军事、火箭发射等方面具有非常重要的意义。目前来看，2μm左右的全固化相干激光雷达及发射在紫外波段的非相干激光雷达将是未来发展的重点。
4.激光雷达寻的器
激光雷达可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影像，使空地武器具有自主精确制导能力。激光雷达寻的器能形成目标的三维影像，确保准确地识别目标。目前，美国空军赖特实验室与海军联合开展了一项基于固态激光雷达演示计划，目的就是完成激光雷达寻的器和自主式捕获目标。激光雷达寻的器将会安装在AGM-130、联合空地远程导弹上，以提高自主制导的能力和打击精度。
四、结论
由于激光雷达是一种代价小、效果好、使用范围广的遥感手段，相信将来会应用得更为广泛。特别是“嫦娥一号”奔月以来，对我国发展星载激光雷达是个巨大促进。