激光雷达技术.docx

激光雷达技术介绍

刘博士谈激光雷达一激光雷达介绍

激光雷达介绍

刘燕京博士

激光雷达（LiDAR，发音为莱达）

机载激光雷达是一种主动式对地进行三维直接观察和测量的技术，因此我们可以使用它昼夜工作。随着计算机技术、GPS和其自身技术的发展和完善，机载激光雷达最近几年受到了越来越多的重视。

LiDAR（莱达）是从英文短语LightDetectionAndRanging中提取出来的。我们望字生意，很容易把莱达（LiDAR）与雷达（RADAR）联系起来。而LightDetectionAndRanging与RadiowaveDetectionAndRanging确实是一对挛生兄弟。在雷达中，我们采用的是无线电波，而在莱达中，我们采用的是激光器发射的可见和近红外光波，在大气和环境研究中，也会采用其它波段的光波。因此，有时我们又将莱达称作激光雷达。

激光雷达使用两种激光：脉冲式的和连续波的激光

连续波激光雷达用于卫星遥感和长距离遥感。我们通常用的是基于时间-飞行差原理（time-flight）的脉冲式的激光雷达。

激光雷达工作原理

激光雷达的工作原理与雷达非常相近。由激光器发射出的脉冲激光由空中入射到地面上，打到树木上，道路上，桥梁上，房子上，引起散射。一部分光波会经过反射返回到到激光雷达的接收器中。接收器通常是一个光电倍增管或一个光电二极管，它将光信号转变为电信号，记录下来。同时由所配备的计时器记录下来同一个脉冲光信号由发射到被接收的时间T。

于是，就能够得到由飞机上的的激光雷达到地面上的目标物的距离R为:

R=CT/2。

这里C代表光速，是一个常数，即C=300,000公里/秒。

激光雷达每一个脉冲激光的最大距离分辨率（maximumrangeresolution）也可由以下公式给出：

ZIR=C/2?（匕+七卢］

这里，匕代表激光脉冲的长度，tN代表接收器电子器件的时间常数，tW代表激光与目标物体的碰撞时间常数。对于一个。-开关的Nd:YAG激光器，它的脉冲常数是I0纳秒，接收器电子器件的时间常数stN一般是5。纳秒到200纳秒，激光与目标物体的碰撞时间常数匕较小，一般忽略不计。因此，距离分辨率D

一般在7.5米到30米。

机载脉冲式激光雷达的发展简史

激光雷达的研发早在上个世纪的七十年代就开始了（JenniferandJeff1999）。最初，是由美国的

航天航空总署NASA研究出了一种非常笨重的基于激光测量的设备。尽管它非常昂贵，也只能测量放在地面

上的飞机的精确的高度。在八十年代后期，随着GPS民用技术的提高，使得GPS对位置定位的精度达到了

厘米的量级。高精度的用于记录激光来回时间的计时器和高精度的惯导测量仪（InertialMeasurement

Units，IMU）的相继问世，为激光雷达的商业化打下了基础。

在上个世纪的八十年代末，德国的PeterFrie。和JoachimLindenberger在Deutsche

Forschungsgemeinschaft攻读博士学位时开始了有关激光雷达技术的研究课题。在1989年，他们与Fritz

Ackermann教授一起在Univ.ofStuttgart斯图加特大学遥感学院）进行了首次相关的试验飞行。测试结

果令人信服地显示出激光雷达用于地形地貌测量和制图方面的巨大的潜力和发展远景。

1992年，在获得了博士学位后，PeterFrie。和JoachimLindenberger成立了TopScanGmbH公司，开始了商业化机载激光雷达的尝试。很快，TopScan开始了与位于加拿大多伦多市的Optech公司的合作，并且在1993年联合进行了样机的试飞和测试。1995年，由Optech公司与TopScan共同推出了ALTM1020激光雷达，并在1997年对其性能进行了全面的提高，激光发生的频率由200赫兹提高到5000赫兹，飞行高度也达到了1000米。与此同时，德国的TopSys也开发出了基于光纤激光器的激光雷达，FalconI。从1995年到2003年的八年间，Optech共销售了15台ALTM1020和ALTM1225激光雷达（ChristianWeaver,andJoachimLindenberger）。而TopSys除了自己使用外，一共向外卖出了两台FalconI和FalconII。期间，TopScan也转向了向用户提供激光雷达服务的主业。Optech公司在2004年和2006年又分别推出了能够发射在1000米的高度发射100,000赫兹的ALTM3100和具备在接近2000米的高度时发射100,000赫

兹的ALTM