1、.1LIDAR激光雷達技術(shù).2 概念 “雷達雷達”(RADAR-Radio Detection AndRanging)(RADAR-Radio Detection AndRanging)。 傳統(tǒng)的雷達是以微波和毫米波作為載波的雷達，傳統(tǒng)的雷達是以微波和毫米波作為載波的雷達，大約出現(xiàn)大約出現(xiàn)19351935年左右。年左右。最早公開報道提出激光雷達的概念是最早公開報道提出激光雷達的概念是:1967:1967年美年美國國際電話和電報公司提出的，主要用于航天國國際電話和電報公司提出的，主要用于航天飛行器交會對接，并研制出原理樣機飛行器交會對接，并研制出原理樣機;1978;1978年美年美國國家航天局馬

2、歇爾航天中心研制成國國家航天局馬歇爾航天中心研制成CO2CO2相干激相干激光雷達光雷達. .3 概念 激光雷達激光雷達(LADAR-Laser Detection AndRanging)(LADAR-Laser Detection AndRanging)是以激光作為載波的雷達，以光電探測器為接收器是以激光作為載波的雷達，以光電探測器為接收器件，以光學望遠鏡為天線的雷達。件，以光學望遠鏡為天線的雷達。早期，人們還叫過光雷達早期，人們還叫過光雷達(LIDAR-LightDetection (LIDAR-LightDetection And Ranging),And Ranging),這里所謂的光實

3、際上是指激光?，F(xiàn)在，這里所謂的光實際上是指激光。現(xiàn)在，普遍采用普遍采用LADARLADAR這個術(shù)語，以區(qū)別于原始而低級的這個術(shù)語，以區(qū)別于原始而低級的LIDARLIDAR。以后世界上陸續(xù)提出并實現(xiàn)以后世界上陸續(xù)提出并實現(xiàn): : 激光多普勒雷達、激光激光多普勒雷達、激光測風雷達、激光成像雷達、激光差分吸收雷達、拉曼測風雷達、激光成像雷達、激光差分吸收雷達、拉曼 散射激光雷達、微脈沖散射激光雷達、微脈沖.4 概念 .5 概念激光激光LIDARLIDAR與微波與微波LIDARLIDAR的異同的異同激光雷達是以激光器為輻射源的雷達，它是在微波激光雷達是以激光器為輻射源的雷達，它是在微波雷達技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)

4、展起來的，兩者在工作原理和結(jié)構(gòu)雷達技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者在工作原理和結(jié)構(gòu)上有許多相似之處上有許多相似之處工作頻率由無線電頻段改變成了光頻段工作頻率由無線電頻段改變成了光頻段雷達具體結(jié)構(gòu)、目標和背景特性上發(fā)生了變化。微波雷達具體結(jié)構(gòu)、目標和背景特性上發(fā)生了變化。微波天線由光學望遠鏡代替天線由光學望遠鏡代替; ; 接收通道中微波雷達可以直接收通道中微波雷達可以直接用射頻器件對接收信號進行放大、混頻和檢波等處接用射頻器件對接收信號進行放大、混頻和檢波等處理，激光雷達則必須用光電探測器將光頻信號轉(zhuǎn)換成理，激光雷達則必須用光電探測器將光頻信號轉(zhuǎn)換成電信號后進行處理。電信號后進行處理。信號處理，激光雷

5、達基本上沿用了微波雷達中的成熟信號處理，激光雷達基本上沿用了微波雷達中的成熟 技術(shù)。技術(shù)。.6 分類按不同信號形式按不同信號形式 脈沖脈沖 連續(xù)波連續(xù)波 每一類中又有不同的信號波形。每一類中又有不同的信號波形。按不同探測方式按不同探測方式直接探測（能量探測）直接探測（能量探測）相干探測（外差探測）相干探測（外差探測）.7 分類按不同功能按不同功能 跟蹤雷達跟蹤雷達( (測距和測角測距和測角) ;) ; 測速雷達測速雷達( (測量多普勒信息測量多普勒信息) ;) ; 動目標指示雷達動目標指示雷達( (目標的多普勒信息目標的多普勒信息) ;) ; 成像雷達成像雷達( (測量目標不同部位的反射強度和

6、距離測量目標不同部位的反射強度和距離等信號等信號) ;) ; 同差分吸收雷達同差分吸收雷達( (目標介質(zhì)對特定頻率光的吸收目標介質(zhì)對特定頻率光的吸收強度強度) ) 等。等。.8 分類地面三維激光掃描技術(shù)地面三維激光掃描技術(shù)它將激光掃描儀直接與數(shù)碼相機、它將激光掃描儀直接與數(shù)碼相機、GPSGPS相結(jié)合，對目相結(jié)合，對目標物進行掃描成像，獲取激光反射回波數(shù)據(jù)和目標標物進行掃描成像，獲取激光反射回波數(shù)據(jù)和目標表面影像，并在軟件支持下構(gòu)建三維數(shù)字模型和紋表面影像，并在軟件支持下構(gòu)建三維數(shù)字模型和紋理的精確貼加，從而達到目標物快速、有效、精確理的精確貼加，從而達到目標物快速、有效、精確的三維立體建模。的

7、三維立體建模。.9 分類.10 分類機載激光雷達掃描技術(shù)該系統(tǒng)由激光測高儀、該系統(tǒng)由激光測高儀、GPSGPS定位裝置、定位裝置、IMU(IMU(慣性制導慣性制導儀儀) )和高分辨率數(shù)碼照相機組成，實現(xiàn)對目標物的同和高分辨率數(shù)碼照相機組成，實現(xiàn)對目標物的同步測量。測量數(shù)據(jù)通過特定方程解算處理，生成高步測量。測量數(shù)據(jù)通過特定方程解算處理，生成高密度的密度的三維激光點云數(shù)值三維激光點云數(shù)值，為地形信息的提取提供，為地形信息的提取提供精確的數(shù)據(jù)源。精確的數(shù)據(jù)源。.11 分類.12Business template 原理 組成激光器激光器 激光器是激光雷達的核心器件。激光器激光器是激光雷達的核心器件。激

8、光器種類很多，性能各異，究竟選擇哪種激光種類很多，性能各異，究竟選擇哪種激光器作為雷達輻射源，往往要對各種因素加器作為雷達輻射源，往往要對各種因素加以綜合考慮，其中包括以綜合考慮，其中包括: : 波長、大氣傳輸波長、大氣傳輸特性、功率、信號形式、功率要求、平臺特性、功率、信號形式、功率要求、平臺限制限制( (體積、重量和功耗體積、重量和功耗) )、 對人眼安全對人眼安全程度、可靠性、成本和技術(shù)成熟程度等程度、可靠性、成本和技術(shù)成熟程度等。從目前實際應用來看，。從目前實際應用來看，Nd:YAGNd:YAG固體激光固體激光器、器、CO2CO2氣體激光器和氣體激光器和GaAlAsGaAlAs半導體二

9、極半導體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。管激光器、光纖激光器等最具有代表性。.13Business template 原理 光電探測器光電探測器 適合于激光雷達用的光電探測器主要有適合于激光雷達用的光電探測器主要有PINPIN光電二極管、硅雪崩二極管光電二極管、硅雪崩二極管(SiAPD)(SiAPD)、光電導型碲鎘汞光電導型碲鎘汞(HgCdTe)(HgCdTe)探測器和光伏探測器和光伏碲鎘汞探測器碲鎘汞探測器光學天線光學天線 透射式望遠鏡透射式望遠鏡( (開普勒、伽利略開普勒、伽利略) ) 反射式望遠鏡反射式望遠鏡( (牛頓式、卡塞哥倫牛頓式、卡塞哥倫) ) 收發(fā)合置光學天線收發(fā)合置光

10、學天線 收發(fā)分置光學天線收發(fā)分置光學天線 自由空間光路全自由空間光路全 光纖光路下光纖光路下 波片波片( (四分之一、二分之一四分之一、二分之一) ) 分束鏡、合束鏡、布魯斯特窗片分束鏡、合束鏡、布魯斯特窗片.14Business template 原理 光學掃描器光學掃描器 多面體掃描器，利用多面體多面體掃描器，利用多面體(6-12(6-12面面) ) 的轉(zhuǎn)動來掃描，優(yōu)點是掃描線性好、精度的轉(zhuǎn)動來掃描，優(yōu)點是掃描線性好、精度高，缺點是體積大、價格高高，缺點是體積大、價格高; ; 檢流計式振鏡掃描器，掃描角檢流計式振鏡掃描器，掃描角1515; ; 聲子偏轉(zhuǎn)器，利用聲光效應使入射光線聲子偏轉(zhuǎn)器，

11、利用聲光效應使入射光線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)光掃描，聲光偏轉(zhuǎn)器的掃產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)光掃描，聲光偏轉(zhuǎn)器的掃描角不大，一般在描角不大，一般在3 3左右左右 壓電掃描器，利用逆壓電效應產(chǎn)生擺動的壓電掃描器，利用逆壓電效應產(chǎn)生擺動的 新型掃描器新型掃描器 全息光柵掃描器全息光柵掃描器 光學相位掃描光學相位掃描 MEMS MEMS掃描器掃描器.15結(jié)合結(jié)合GPSGPS得到的激光器得到的激光器位置坐標信息位置坐標信息，INSINS得到的得到的激光方向信息激光方向信息，可以準確地計，可以準確地計算出每一個激光點的大地坐標算出每一個激光點的大地坐標X X、Y Y、Z Z，大量的激光點聚集成激光點云，組成點大量的激光點聚

12、集成激光點云，組成點云圖像。云圖像。 原理 方向性好、單色性好、相干性好方向性好、單色性好、相干性好激激光光激光器到反射物體的距離激光器到反射物體的距離(d)=(d)=光速光速(c)(c)時間時間(t)/2(t)/2測高原理測高原理.16Business template 原理 激光束發(fā)射的頻率能從每秒幾個脈沖到每激光束發(fā)射的頻率能從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖，接收器將會在一分鐘內(nèi)記秒幾萬個脈沖，接收器將會在一分鐘內(nèi)記錄六十萬個點。很多錄六十萬個點。很多LADARLADAR系統(tǒng)還能記錄系統(tǒng)還能記錄同一脈沖的多次反射，激光束可能先打在同一脈沖的多次反射，激光束可能先打在樹冠的頂端，其中的一部繼

13、續(xù)向下打在更樹冠的頂端，其中的一部繼續(xù)向下打在更多的樹葉上，有些甚至打在地面上被返回，多的樹葉上，有些甚至打在地面上被返回，這樣就會有一組多次返回的具有這樣就會有一組多次返回的具有X X、Y Y、Z Z坐標的點記錄，并分層表示。利用這個特坐標的點記錄，并分層表示。利用這個特點，我們可以通過分類和濾波處理，獲取點，我們可以通過分類和濾波處理，獲取地面高程，以及樹高及建筑物的高度等信地面高程，以及樹高及建筑物的高度等信息。息。.17Business template 原理 .18Business template 原理 優(yōu)點：優(yōu)點：工作頻率非常高工作頻率非常高，較微波高，較微波高3434個數(shù)量級。

14、激個數(shù)量級。激光作為雷達輻射源探測運動目標時多普勒頻光作為雷達輻射源探測運動目標時多普勒頻率非常高，因而速度分辨率極高。率非常高，因而速度分辨率極高。工作頻率處于電子干擾頻譜和微波隱身有效工作頻率處于電子干擾頻譜和微波隱身有效頻率之外，有利于頻率之外，有利于對抗電子干擾和反隱身對抗電子干擾和反隱身。有效的絕對帶寬很寬，能產(chǎn)生極窄的脈沖有效的絕對帶寬很寬，能產(chǎn)生極窄的脈沖( (納納秒至飛秒量級秒至飛秒量級) )，以實現(xiàn)高精度，以實現(xiàn)高精度( (可達厘米量可達厘米量級級) ) 測距。測距。能量高度集中能量高度集中。用很小的準直孔徑。用很小的準直孔徑(10cm(10cm左右左右) ) 即可獲得很高的

15、天線增益和極窄的波束即可獲得很高的天線增益和極窄的波束(1mrad(1mrad左右左右) )而且無旁瓣，因而可實現(xiàn)高精度而且無旁瓣，因而可實現(xiàn)高精度測角測角( (優(yōu)于優(yōu)于0.1mrad)0.1mrad)單站定位、低仰角跟蹤和單站定位、低仰角跟蹤和高分辨率三維成像，且不易被敵方截獲，自高分辨率三維成像，且不易被敵方截獲，自身隱蔽性強。身隱蔽性強。單色性和相干性好單色性和相干性好。氣體激光器的譜線寬度。氣體激光器的譜線寬度可達可達10-310-4nm,10-310-4nm,而且頻率穩(wěn)定度能做得很而且頻率穩(wěn)定度能做得很高，可實現(xiàn)高靈敏度外差接收。高，可實現(xiàn)高靈敏度外差接收。.19LIDAR在測繪中的

16、應用在測繪中的應用 應用 激光雷達的應用1.1.跟蹤跟蹤2.2.成像制導成像制導3.3.三維視覺系統(tǒng)三維視覺系統(tǒng)4.4.測風測風5.5.大氣環(huán)境監(jiān)測大氣環(huán)境監(jiān)測6.6.主動遙感主動遙感.20LIDAR在測繪中的應用在測繪中的應用 應用 激光雷達的應用前景1.1.偵察用成像激光雷達偵察用成像激光雷達2.2.障礙回避激光雷達障礙回避激光雷達3.3.大氣監(jiān)測激光雷達大氣監(jiān)測激光雷達4.4.制導激光雷達制導激光雷達5.5.化學化學/ /生物戰(zhàn)劑探測激光雷達生物戰(zhàn)劑探測激光雷達6.6.水下探測激光水下探測激光7.7.空間監(jiān)視激光雷達空間監(jiān)視激光雷達8.8.機器人三三維視覺系統(tǒng)機器人三三維視覺系統(tǒng)9.9.

17、其他軍用激光雷達其他軍用激光雷達 1. 1.彈道導彈防御激光雷達彈道導彈防御激光雷達 2. 2.靶場測量激光雷達靶場測量激光雷達 3. 3.振動遙測激光雷達振動遙測激光雷達 4. 4.多光譜激光雷達多光譜激光雷達.21LIDAR在測繪中的應用在測繪中的應用 應用 快速獲取數(shù)字高程模型快速獲取數(shù)字高程模型LIDARLIDAR技術(shù)最主要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是高密度、技術(shù)最主要的數(shù)據(jù)產(chǎn)品是高密度、高精度的激光點云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直接高精度的激光點云數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)直接反映點位的三維坐標。通過自動或人反映點位的三維坐標。通過自動或人工交互處理，把入射到植被、房屋、工交互處理，把入射到植被、房屋、建筑物等非地形目標上的點

18、云進行分建筑物等非地形目標上的點云進行分類、濾波或去除，然后構(gòu)建不規(guī)則三類、濾波或去除，然后構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)角網(wǎng)TINTIN，就可以快速提取，就可以快速提取DEMDEM。.22LIDAR在測繪中的應用在測繪中的應用 應用 基礎(chǔ)測繪的實施基礎(chǔ)測繪的實施DOMDOM是在是在DEMDEM提供精確的地形信息的前提供精確的地形信息的前 提提下，進行數(shù)字微分糾正得到的，而機載下，進行數(shù)字微分糾正得到的，而機載LIDARLIDAR技術(shù)提取的地面三維坐標，完技術(shù)提取的地面三維坐標，完全全滿足高精度影像微分糾正的需要，使得滿足高精度影像微分糾正的需要，使得DOM DOM 的生產(chǎn)變得相當容易。的生產(chǎn)變得相當容易。

19、此外，高精度的激光點云數(shù)據(jù)還直觀反此外，高精度的激光點云數(shù)據(jù)還直觀反映植被和地物的三維信息，利用這些資映植被和地物的三維信息，利用這些資源，源，DLGDLG地形地物的判讀和量測更加準地形地物的判讀和量測更加準確，數(shù)據(jù)的采集變得更加容易。確，數(shù)據(jù)的采集變得更加容易。.23LIDAR在測繪中的應用在測繪中的應用 應用 精密工程測量精密工程測量很多精密工程測量，都需要采集測量目標的高很多精密工程測量，都需要采集測量目標的高精度三維坐標信息，甚至需要建立精確的三維精度三維坐標信息，甚至需要建立精確的三維物體模型，比如：電力選線、礦山和隧道測量、物體模型，比如：電力選線、礦山和隧道測量、水文測量、沉降測

20、量、建筑測量、變形測量、水文測量、沉降測量、建筑測量、變形測量、文物考古等行業(yè)。文物考古等行業(yè)。.24LIDAR在測繪中的應用在測繪中的應用 應用 數(shù)字城市建設數(shù)字城市建設LIDARLIDAR系統(tǒng)可以獲取高分辨率、高精度的數(shù)字系統(tǒng)可以獲取高分辨率、高精度的數(shù)字地面模型和數(shù)字正射影像，提供了構(gòu)建數(shù)字地面模型和數(shù)字正射影像，提供了構(gòu)建數(shù)字城市最寶貴的空間信息資源，因此是數(shù)字城城市最寶貴的空間信息資源，因此是數(shù)字城市建設的重要技術(shù)力量。市建設的重要技術(shù)力量。.25LIDAR在測繪中的應用在測繪中的應用 應用 水下地形測量水下地形測量有些有些LIDARLIDAR系統(tǒng)，采用了兩種不同波長系統(tǒng)，采用了兩種

21、不同波長的激光束還可以對水底進行測量。比的激光束還可以對水底進行測量。比如，如，SHOALSSHOALS系統(tǒng)在采用紅光系統(tǒng)在采用紅光( (或紅外光或紅外光) )測量水面的同時，用藍綠光穿透水面測量水面的同時，用藍綠光穿透水面測量水底，通過這兩個光束的接收時測量水底，通過這兩個光束的接收時間差計算水的深度，因此可以進行大間差計算水的深度，因此可以進行大面積的水下地形測量。面積的水下地形測量。.26利用機載利用機載LiDAR數(shù)據(jù)提取城市三維建筑物模型數(shù)據(jù)提取城市三維建筑物模型 三維建模 設置絕對高程的限差值過濾非地形回波的噪音點噪音點 分類低于平均地面的錯誤點低點低點 設置最大建筑物的尺寸、地形角等來分類地面點地面點 過濾出低于真實地表的點低于真實地表的點.27利用機載利用機載LiDAR數(shù)據(jù)提取城市三維建筑物模型數(shù)據(jù)提取城市三維建筑物模型 三維建模 從分類的地面點中提取代表地形特征的從分類的地面點中提取代表地形特征的模型關(guān)鍵點以構(gòu)建地面三角網(wǎng)模型關(guān)鍵點以構(gòu)建地面三角網(wǎng)(TIN)(TIN)的形式來的形式來生成生成DEMDEM。.28利用機載利用機載LiDAR數(shù)據(jù)提取城市三維建筑物模型數(shù)據(jù)提取城市三維建筑物模型 三維建模利用利用DEMDEM糾正消除地面的投影誤差獲