激光雷达应用领域
Posted 曼陀罗彼岸花
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激光雷达具备独特的优点，如极高的距离分辨率和角分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。这使得激光雷达能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。
自1961年科学家提出激光雷达的设想，历经 40余年，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，进而研发出不同用途的激光雷达，如精密跟踪激光雷达、侦测激光雷达、侦毒激光雷达、靶场测量激光雷达、火控激光雷达、导弹制导激光雷达、气象激光雷达、水下激光雷达、导航激光雷达等。激光雷达已成为一类具有多种功能的系统。目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学和生物战剂探测和水下目标探测等军事领域方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。它在工业和自然科学领域的作用也日益显现出来。
微波雷达接收的信号大多数情况下为目标物的反射信号，而激光雷达可以接收反射信号，也可以接收弹性散射信号，如瑞利散射( Ｒayleigh scattering) 、米散射( Mie scattering) 信号、共振散射信号( resonancescattering) 、荧光信号( fluorescence) 及拉曼散射信号( Ｒaman scattering) 。
激光雷达三维成像
激光雷达系统主要由激光发射部分（脉冲激光器）、光子接收部分（望远镜）、光子检测采集部分（后续光路系统和信号检测采集系统）三个基本部分组成。激光器向空中发射激光脉冲，该激光脉冲在向上传播的过程中不断与大气中原子分子发生相互作用，一旦该脉冲进入望远镜的视场，则相互作用产生的回波将被望远镜接收，该信号经过检测和处理后即可得到激光雷达回波信号。
军事领域应用
1 侦察用成像激光雷达
激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。
美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达，安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地区的上空以120～460m的高度飞行，用GaAs激光进行行扫描。获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。1992年，美国海军执行了“辐射亡命徒”先期技术演示计划，演示用激光雷达远距离非合作识别空中和地面目标。该演示计划使用的CO2激光雷达在P-3C试验机上进行了飞行试验，可以利用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红外成像和三维激光雷达成像，识别目标。同时，针对美国海军陆战队的战备需求，桑迪亚国家实验室和Burns公司分别提出了手持激光雷达的设计方案。这种设备能由一名海军陆战队队员携带，重量在2.3～3.2kg之间，可以安装在三脚架上；系统能自聚焦，能在低光照条件下工作；采集的影像足够清晰，能分辨远距离的车辆和近距离的人员。
2 直升机障碍物规避激光雷达
直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度×32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。 法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达采用了CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。
3 化学战剂探测激光雷达
传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。 俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。德国研制成功VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9― 11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。
4 机载海洋激光雷达
传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。如今，机载海洋激光雷达以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。
5 成像激光雷达可水下探物
美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势.
6 化学和生物战剂探测激光雷达
化学/生物武器是一种大规模毁伤武器。面对不断扩散的化学和生物武器的威胁，许多国家正在采取措施，加强对这类武器的防御。激光雷达可用于化学和生物战剂的遥测。每种化学战剂仅吸收特定波长的激光，对其他波长的激光是透明的。被化学战剂污染的表面则反射不同波长的激光。化学战剂的这种特性，就允许利用激光雷达探测和识别之。激光雷达可以利用差分吸收、差分散射、弹性后向散射、感应荧光等原理，实现化学生物战剂的探测。化学和生物战剂探测激光雷达采用的激光器，主要是CO2激光器和Nd:YAG激光器。
环境科学领域的应用
激光束与大气物质相互作用机制是进行大气激光雷达探测的关键。不同的激光与大气相互作用机制对应于不同种类的大气探测激光雷达。激光与大气相互作用机制有：
米氏散射(Mie Scattering)
激光与大气中各种固态或液态的气溶胶粒子（尘埃、烟雾、云层等）的相互作用主要表现为散射，称为米氏散射。米氏散射的特点是散射粒子的尺寸与入射光波长相近或比入射光波长大。米氏散射的散射光波长和入射光相同，散射过程中没有光能量交换，称为弹性散射。由于米氏散射的散射截面很高，米氏散射大气探测激光雷达的回波信号通常都很强。
瑞利散射(Rayleigh Scattering)
瑞利散射是指激光与大气中的各种原子分子相互作用而被散射的过程，其特征是散射粒子的尺寸比入射光的波长小。瑞利散射也是一种弹性散射过程，即散射波长和入射波长相等。瑞利散射的角向分布比米氏散射的角向分布要对称一些，其前向散射和后向散射相等，而向两侧的散射很小。瑞利散射的截面比米氏散射小，且与入射光波长的四次方成反比。因此，利用波长较短的紫色或紫外激光束激发瑞利散射可获得较强的激光雷达回波信号。
拉曼散射(Raman Scattering)
拉曼散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向短波或长波方向的移动，且散射光波长移动的幅度与散射分子的种类密切相关。拉曼散射波长的移动幅度与散射分子能级的能量差是一一对应的，而分子能级的能量差是不同种类分子的内部固有特征。因此，从散射波长相对于入射波长的移动量就可以确定参与散射的分子种类。这样利用拉曼散射就可实现辨认大气组分的探测。
吸收(Absorption)
吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子、分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子分子对入射激光产生明显吸收的现象。参与吸收过程的原子分子数目越多，激光束能量的损失越大。吸收过程并不注重原子分子对光的散射和发射，而只强调由原子分子吸收所导致的入射激光束能量的减少。原子分子对某些波长入射光的选择性吸收是由原子分子内部能级的固有特性决定的，因此吸收过程也可用来进行大气组分的探测。
共振荧光(Resonance Fluorescence)
原子分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光。当改变入射激光的波长，使其光子能量正好和原子能级间的能量差相等时，该原子将吸收此入射光子的能量而从基态跃迁到激发态。由于原子在激发态的寿命通常很短（约10-8秒），处于激发态的原子会很快的自发跃迁回到原来的能级，并向外发射一个荧光光子，这就是共振荧光过程。在共振荧光过程中，发射的荧光波长与入射光波长相等。由于共振荧光截面比瑞利散射截面大得多，可以利用某些特定的激光波长下原子或分子发生共振荧光增强的现象来实现对大气组分的辨认性探测。
1 大气监测激光雷达
激光雷达通过测量大气中自然出现的少量颗粒的后向散射，可以检测风速、探测紊流、实时测量风场等。由于返回的后向散射辐射很微弱，因而大气监测激光雷达需要使用灵敏的接收器。目前的飞机阵风缓和系统以安装在机身上的加速度计为基础，效能有限。有效的系统要求在飞机与紊流相遇前测量紊流。激光雷达探测紊流阵风的能力，可以为未来的军用和民用飞机提供更好的阵风缓和系统。美国航天局的“先进的飞行中测量用机载相干激光雷达”，正在探索这个概念。
飞机后微爆风切变和尾流，给与其相遇的飞机造成危险。英国国防鉴定与研究局（DARA）的研究人员研制的激光雷达，能测量在飞机后微爆风切变和尾流速度。将这种激光雷达置于跑道上进行实时监测，就可以提高安全性，增加飞机的通过量。
2 双波长高空探测激光雷达
在30~110公里范围中高层大气和低电离层是“日-地”关系链中的重要环节，太阳活动对中高层大气和低电离层中的许多物理、化学和动力学过程，以及与其相邻的上下层次之间的相互作用过程都有重要影响。而这方面的探测技术发展一直较为薄弱。对原位探测而言，这一层段对气球探空显得太高，对卫星探测又显得太低；对遥感探测而言，这一层段对地面的无线电遥感大多属于盲区，而卫星从上向下的被动光学遥感又存在分辨率和精确度方面的缺点。用于探测太阳剧烈活动与空间灾害天气的“探测激光雷达” 的出现恰恰提供了一种较为有效的解决方案。它可以实现对30~110公里中高层大气和低电离层段的同时、连通性探测具有很高学术价值和应用前景。
3 多普勒测风激光雷达
测风激光雷达通过测量大气中自然出现的气溶胶颗粒或分子运动（风速引起）产生的具有多普勒频移的后向散射信号，利用对回波信号频率进行鉴频或相干，测量出后向散射信号的多普勒频移Δν，利用Δν与风速的关系就可反演得到径向风速数值，通过扫描激光光束得到不同方向上径向速度，矢量合成即可得到风速、风向，实现检测风速、实时测量风廓线风场等。目前，激光雷达探测风速风向的主要技术有相干激光雷达技术及非相干技术。相干激光雷达主要适用于气溶胶密度较大的对流层，探测范围最大可达10 km左右，精度可达0.1m/s。而非相干激光雷达主要利用气溶胶及大气分子测速，属于能量检测，其适用范围较广，适合对流层到平流层的风廓线探测,测速精度可到1 m/s 以内。
多普勒测风激光雷达在风力发电，包括建站前的场地选择以及风车前的风力预测等方面有极大地应用前景和市场潜力，可以在一定程度上提高风力发电设备的发电效率。
生物科学和考古研究领域
在所有的海洋生物中，浮游植物占有特殊的地位，因为其它海洋生物以浮游植物作为直接或间接的食物来源。为观察海洋生物量的分布，调查者一般借助于测定海水中的叶绿素浓度来作为浮游植物生物量的指标。传统的仪器分析技术，如分光光度法、荧光分光光度法和色谱分析，虽然精度能满足要求，但这些方法依靠逐点采样测量的方式，且分析速度很慢，故很难应用于大面积水域的现场探测。海洋激光雷达是进行叶绿素浓度测量的主动遥测设备，也是目前研究的一个热点。海色遥感卫星的发射，需要精确的地面遥测手段作为印证，激光雷达系统又可作为重要的印证设备。
很多古迹因为年代久远和历史变迁，淹没在漫漫黄沙或葱郁的密林中。微波雷达曾用于探测古长城，近年来随着lidar技术的发展与普及，激光雷达技术也逐渐用于考古中。由于其对密林的一定穿透性，lidar技术成功地用于发现热带雨林下的玛雅文明遗迹。
遥感领域应用
激光成像雷达是一种用于精确、快速获取地面及地面目标三维空间信息的主动式探测技术，与成像光谱技术、合成孔径雷达（SAR）技术一起被列为对地观测系统最核心的信息获取技术。激光成像雷达为全天时传感器，受地面背景辐射、天空背景辐射、阴影和太阳高度角干扰小，并具有较高的定位精度和灵敏度，这些特点使它能满足多种遥感和测绘任务的需求。
激光成像雷达不仅可用于全球高精度数字地形模型（DEM）的测绘，还可以直接获取高精度三维地形模型和辐射强度影像相结合的数据，并对树木和森林等目标具备一定的穿透作用。激光成像雷达的三维信息和多光谱、超光谱等二维光学影像结合，可**提高目标识别的效率和准确性。
“嫦娥一号”（CE-1）探月卫星激光高度由中科院上海技术物理所、中科院上海光学精密机械所联合研制，是典型的单激光束激光雷达，工作于200km绕月圆形轨道上，通过对卫星绕月获得的卫星与月面的距离数据、卫星轨道参数和地月坐标等关系进行计算，制作全月面栅格状的地形图。激光高度计采用高精度激光并行收发技术，对激光高度计获取的距离数据进行处理后得到的月球三维地形图。
CE-1激光高度计获取的极区DEM图
激光点阵成像和热红外扫描成像相结合的激光雷达系统。结合飞机平台的姿势测量和GPS定位，可获取地面景物的三维位置和热红外影像灰度信息。通过GPS/INS 部件的姿态测量和时间同步，系统的多种数据经地面计算机进行信息融合处理，可以快速生成数字地面高程模型（DEM）地学编码图像。
澳门地区热红外背景三维图
光子计数探测体制激光雷达采用直接脉冲探测的方法，通过测量发射激光脉冲和回波光子信号的时间来获取目标距离。光子探测技术利用盖格型探测器对单光子量级信号的高灵敏度响应，将线性探测体制下的数千光子能量探测转化为对少光子、甚至单光子的计数探测，并通过光子的多次累积提高探测概率，最大限度提高系统探测灵敏度，从而降低系统对激光器的要求。
光子计数激光雷达装置结构原理图
激光器发射的532nm脉冲激光经过光学系统分束后照射在目标上，目标表面
返回的回波光子由望远镜接收并最终聚焦到探测器的每个象元上。探测器能够对回波中的单个光子信号进行响应并最终输出电信号，经过数据处理后获得目标的距离信息
光子计数激光雷达对地观测演示验证试验
无人驾驶技术
LiDAR——Light Detection And Ranging，即激光雷达，是利用激光、全球定位系统GPS 和惯性测量装置(Inertial Measurement Unit，IMU)三者合一，获得数据并生成精确的数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。简而言之，就是激光束探测目标的位置、速度等特征量的高精度雷达系统。目前已延伸至汽车无人驾驶领域。激光雷达(Lidar)和毫米波雷达(RADAR)的主要区别是激光雷达发射的是可见和近红外光波而毫米波雷达使用的是无线电波。
32线激光雷达无人车路测
无人驾驶汽车的感知输入系统中,激光雷达处于核心位置。无人驾驶汽车通过激光雷达对周边环境进行扫描识别， 从而引导车辆行进。导航系统最大扫描范围为200m左右，精确度为厘米级。当激光雷达发现障碍物后，会控制车辆减速或停车，并重新选择安全路线继续前进，激光雷达在无人驾驶汽车中起着类似于“眼睛”的功能,能够根据扫描到的点云数据快速绘制3D全景图型。
3D 激光雷达在无人驾驶运用中拥有两个核心作用。
1)3D 建模进行环境感知。通过激光扫描可以得到汽车周围环境的3D 模型，运用相关算法比对上一帧和下一帧环境的变化可以较为容易的探测出周围的车辆和行人。
2)SLAM 加强定位。3D 激光雷达另一大特性是同步建图(SLAM)， 实时得到的全局地图通过和高精度地图中特征物的比对， 可以实现导航及加强车辆的定位精度。