激光雷达概述

第一篇：激光雷达概述

1、激光雷达LiDAR(Light Detection and Ranging)的定义及其组成系统

激光雷达是激光探测及测距系统的简称。是一种以激光器作为发射光源，采用光电探测技术手段的主动遥感设备。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。

图1 激光雷达技术示意图

发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成。

接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。

激光雷达采用脉冲或连续波两种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。

2、激光雷达的基本原理

激光雷达是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的数字高程模型（DEM）。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型的地形激光雷达系统和已经成熟应用的用于获得数字高程模型的水文激光雷达系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是激光雷达一词的英文原译，即：LIght Detection And Ranging-LIDAR。

激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。

LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接被收器准确地测量光脉冲从发射到反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。

在雷达中，采用的是无线电波，而在莱达中，采用的是激光器发射的可见和近红外光波。激光光束发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。

3、激光雷达的分类

激光雷达类别可以从不同的角度来划分。若按用途和功能划分，则有精密跟踪激光雷达、制导激光雷达、火控激光雷达、气象激光雷达、侦毒激光雷达、水下激光雷达等；若按工作体制划分，则有单脉冲、连续波、调频脉冲压缩、调频连续波、调幅连续波、脉冲多普勒等体制的激光雷达。

4、激光雷达的应用

4.1 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。

4.2 障碍回避激光雷达

许多国家在研制直升机用的障碍回避激光雷达。美国罗斯洛普·格鲁曼公司与陆军通信电子司令部夜视和电子传感器局联合研制直升机超低空飞行用的障碍回避系统。该系统使用半导体激光发射机和旋转全息扫描器，探测直升机前很宽的范围，可将障碍信息显示在平视显示器或头盔显示器上。该激光雷达系统已在两种直升机上进行了试验。4.3 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。

在高空投掷炸弹和其它兵器时遇到的一个问题是，风干扰向下的弹道。美国空军尝试使用的主要办法是，利用增加的尾部装置进行惯性或GPS制导，修正飞行路线。但这增加了投掷的各种武器的成本。空军器材司令部正在进行的弹道风计划，采用了另一种方法，即利用机载激光雷达实时提供投掷区风场的信息，以便通过调整投掷点，来补偿风的影响。该计划的目标是，测量飞机和地面间的实时三维风场图，从而允许从3000m以上的高空精确地投掷。风场图按100m分层，速度精度在0.5m/s以内。空军赖特实验室委托相干技术公司研制激光雷达。第一台激光雷达采用闪光灯泵浦激光器，脉冲能量50mJ，脉冲重复频率7Hz，安装在C-141飞机上试验。第二台激光雷达采用二极管泵浦激光器，脉冲能量3.5mJ，脉冲重复频率200Hz，重913kg，体积3.26m3。第三台为人眼安全的Tm(YAG激光雷达。该激光雷达工作波长2021.84nm，激光脉冲能量12mJ，激光脉冲持续时间650ns，脉冲重复频率100Hz，重272kg，体积1.27m3。激光雷达由发射接收机、信号处理装置、环境控制装置、光学扫描器、惯性导航装置和电源组成，安装在C-130飞机的改装的油箱鼻锥内的支架上。扫描器使激光束沿椭圆形路线（20o×30o）扫描。椭圆的中心的俯仰角可根据飞行条件控制在固定位

置。该俯仰角的范围为－3o～37o。激光雷达与飞机航空电子系统、显示器、用户界面接口。1995年开始使用C-141飞机进行第一台激光雷达测风的飞行试验，随后C-130飞机上实验飞行第二和第三台激光雷达。据称，作战使用型激光雷达需要将硬件小型化，可使空投精度提高2倍以上。

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。

B-2“幽灵”轰炸机携带的激光雷达的与众不同的任务是，检测飞机后的空气，检查有无暴露这种隐形轰炸机的凝结尾流。该激光雷达驾驶员报警系统使用Ophir公司的低截获概率激光发射机和激光接收机，探测突然出现的凝结尾流，向乘员报警。4.4 制导激光雷达

以非制冷二极管泵浦固体激光器为基础的工作波长1m左右的激光雷达系统，可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影像。激光雷达得到的影像不同于红外影像，允许使用比处理红外场景简单的算法实现自主目标捕获。因此，激光雷达寻的器可以为空-地武器提供自主精确制导手段。随着成本的降低，激光雷达寻的器还将用于短程消耗性弹药。4.5 化学/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/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。美国国防部认为，需要能在战场上使用的、快速响应的、灵敏的监视系统，以尽快提供化学/生物威胁的报警。这种系统不同于防空和反潜警戒系统，必须具有搜索、探测、识别、定量化、监测和诊断等功能。激光雷达可用于化学/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/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。4.6 水下探测激光雷达

激光雷达具有足够的空间分辨率，来分辨目标的尺寸和形状，因而是有效的探测水下目标并进行分类的工具。1988年美国“罗伯茨”号护卫舰在阿拉伯湾几乎被廉价的水雷击沉。此后Kaman 宇航公司研制了“魔灯”水雷探测激光雷达。该激光雷达使用蓝-绿激光器、灵敏的电子选通像增强摄像机和精确脉冲定时发生器。机载激光器向海面发射激光脉冲，扫描水雷。同时，脉冲定时发生器控制摄像机快门，仅接收特定深度反射的激光能量。在这个深

度的目标反射激光而被显现。影像通过数据链路传送给舰船。“魔灯”激光雷达可以在海面以上120～460m高度工作，名义工作高度460m，但低空飞行时分辨率和信噪比较高，而视场有限。探测深度最初定为12～61m的浅水区，但根据初步作战评估和不断的研究，调整为包括3～12m的极浅水区和深度不足3m的冲浪区。“魔灯”激光雷达不仅可以自动探测水中目标，而且可以实施目标分类和定位。1988年的样机试验表明，该系统可以迅速探测锚雷，并定位。

4.8 其他军用激光雷达

● 弹道导弹防御激光雷达

七八十年代，美国曾考虑将激光雷达用于洲际弹道导弹防御，测量重入飞行器的距离和速度。由于要求目标识别距离在1000km以上，因而造成系统非常庞大、复杂和昂贵。到90年代，美国认为战区弹道导弹成为主要的威胁，防御这些导弹需要早期探测和跟踪，以便确定发射点、命中点和可能的拦截点。为此，波音防御和空间集团公司考察了将机载激光雷达用于战区弹道导弹防御。研究表明，激光雷达与被动红外系统相结合时，利用连续的红外方位和俯仰测量结果与激光雷达的精确距离测量数据，可以使目标弹道估算迅速收敛，使弹道估算误差成数量级地下降。该公司考察了CO2激光器、掺钬或铥YAG激光器以及喇曼频移YAG激光器等在这种激光雷达中的应用前景，进行了激光雷达的性能分析，考虑了与波长有关的目标横截面、大气衰减、背景辐射以及直接或外差探测对信噪比的影响等。● 靶场测量激光雷达

美国白沙导弹靶场利用快速光束控制CO2激光雷达系统，进行成像和跟踪测量。该系统由0.5m孔径的光学系统、3～5μm摄像机和CO2激光雷达组成，可在大角度范围内以高跟踪修正速率跟踪单个目标，可在多个目标间重新确定目标，可进行测距和多普勒测量。该系统已在靶场实用。

● 振动遥测激光雷达

激光雷达可以远距离测量振动，完成目标识别等任务。几个国家一直在研究这项技术。瑞典国防研究局设计并制造了以半导体激光技术为基础的相干激光雷达系统。该系统输出功率50mW，线宽280kHz，可进行振动测量，利用自适应信号处理，可获得运动目标的振动特征信号。

● 多光谱激光雷达

美国空军赖特实验室和戴顿大学在研究多光谱激光雷达。该激光雷达采用激光输出在1.35～5μm连续可调的光学参量振荡器，脉冲能量为3.3mJ，脉宽3ns。用可调单态反射计系统，测量目标的双向反射分布函数。该激光雷达可在有杂乱回波和目标部分隐蔽的情况下将地面目标成像，并识别之。

5、激光雷达的选择

激光雷达主仪要部件包括：二维激光扫描、GPS、IMU,二维激光扫描仪是激光雷达的核心部分。

5.1二维激光扫描仪的选取

用于激光雷达的二维激光扫描仪的激光器所输出的激光波形有两种：一种是脉冲式的另一种是连续波（continuous wave, CW）。

脉冲式的激光器一般是半导体激光器，或用半导体激光器泵浦的Nd-YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet, Nd:Y3Al5O12)激光器。他们的特点是输出的功率大，峰值功率可达到几MW。Optech和莱卡公司使用的是Nd-YAG激光器，波长为1064 nm，安全等级为IV级;而Riegl和TopSys使用的是波长为1550nm的半导体激光器，安全等级为I级。安全等级为I级的激光器即使在面对面使用是也不会对人眼和动物的眼睛造成伤害。

脉冲式激光雷达的测距分辨率⊿H由公式（1）给出。

⊿H=C·tP/2（1）

C是光速，tP是光的一个脉冲周期时间。

目前市场上的二维激光器的距离测量精度在1000米的距离时为2厘米—5厘米。5.2 光的色散

我们都知道，光会产生色散现象。我们平时经常会看到，汽车的大灯随着光照距离的增加，其射出的光斑越来越大，这就是色散。

激光是目前所有已经知道的光中发散度最小的。通常我们用弧度来表示光的色散γ。如果我们以激光器的光窗的孔径为D,激光的波长为λ，光的色散大小的极限值与光衍射相关。当超过它的极限时，光斑会出现模糊。因而，γ≧ 2.44λ/D（2）

也就是说，如果激光器的发射光窗不变，光的色散随着光的波长的增加而增大；如果光的波长不变，光的色散随着光窗的增加而减小。

例如：如果光的波长为1060nm, 光窗的直径为100mm,那么，光的色散为0.26mrad。如果光的波长为1550nm, 光窗的直径为100mm,那么，光的色散为0.38mrad。

通常，激光器的发射和接收光窗的直径D为5-15厘米。

打到地面的光斑的直径DL由上图推出

DL=D+2h(tanγ/2)= 2h(tanγ/2)= 2hγ/2= hγ

我们以0.3mrad来举例说明它的意义。当测量距离为100米时，光斑的直径为30mm;当测量距离为1,000米时，光斑的直径为300mm。一般讲，光斑越小，激光的空间分辨率越小。连续波激光器一般用于卫星遥感或高空遥感。

5.3 目前市场上常用激光雷达的激光器及其最大发射频率。

目前市场上的激光雷达的激光发射的最大频率范围为10,000赫兹—240,000赫兹。均为Riegl公司所生产。Optech公司和莱卡公司的激光器的最大发射频率分别是160,000赫兹和150,000赫兹。TopSys的是125,000赫兹。在上个月在北京召开的的2008 ISPRS 会议上，徕卡公司推出了新的ALS60系统，其激光器的最大发射频率为200,000赫兹。另外，根

据内部消息，Riegl公司也将在9月底的2008 INTERGEO会议上推出新的激光雷达系统。莱卡和Optech公司采用的是大功率的波长为1064纳米的安全等级为IV级（I级是最安全的，II级以上越来越不安全）的Nd-YAG激光器。当低空飞行时，就必须增大激光的光斑，并且采用强度衰减器来降低输出激光的强度。

而Riegl公司和TopSys公司采用的是对人和动物眼睛安全的波长为1550纳米的近红外激光器。因此无论是低空飞行还是中高空飞行都不需要增大激光的光斑和衰减激光的强度。

小角发散度的光斑的优点：空间分辨率高，水平X-Y测量精度高，容易穿透植被。大角发散度的光斑：在低空飞行如小于700米时，使用大功率的安全等级为二级、三级和四级的激光器会对人眼和动物眼睛造成一定的损害，因此采用增大激光点光斑的直径，并通过强度衰减器来降低输出的激光强度，从而减少激光对人和动物可能造成的伤害程度。由此带来的负面影响是所获取的结果的空间分辨率降低，测量精度下降。

第二篇：激光雷达工作原理

激光雷达工作原理

激光是 2 0世纪 6 0年代出现的最重大科学技术成就之一。它的出现深化了人们对光的认识 ,扩大了光为人类服务的天地。激光技术从它的问世到现在 ,虽然时间不长 ,但是由于它有着几个极有价值的特点 :高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。

首先明白一下激光雷达，激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与被探测无相互作用的光波信号来遥感测量的．使用振动拉曼技术进行测量的激光雷达技术即为拉曼激光雷达，主要用于大气遥感测量。拉曼激光雷达属于遥感技术的一种。激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近50 年的历史，目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、军事等领域。其中，传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、全球气候预测、海洋环境监测等。随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。而按照不同功能，则可分为跟踪雷达、运动目标指示雷达、流速测量雷达、风剪切探测雷达、目标识别雷达、成像雷达及振动传感雷达。

激光雷达与无线电雷达的工作原理基本相同，且依赖于所采用的探测技术。其中直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。

相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送-接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径，分别供发送与接收信号使用，发送-接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。

激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。

气象雷达是专门用于大气探测的雷达。属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一工作在30～3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1～100公里，所以又称为中层-平流层-对流层雷达(MST radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度等大气动力学参数的铅直分布

美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似，即侧重于对目标的监视、捕获、跟踪、毁伤评（SATKA）和导航。然而，由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导航任务，因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上，例如高精度毁伤评估，极精确的导航修正及高分辨率成像。军事上常常希望飞机低空飞行，但飞机飞行的最低高度受到机上传感器探测小型障碍物能力的限制。且不说阻塞气球线这样的对抗设施，在60米以下，各种动力线，高压线铁塔，桅杆、天线拉线这样的小障碍物也有明显的危险性。现有的飞机传感器，从人眼到雷达，均难以事先发现这些危险物，这种情况，在夜间和恶劣天气条件下尤其突出。而扫描型激光雷达因其具有高的角分辨率，故能实时形成这些障碍物有效的影像，提供适当的预警。

激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量。如对导弹和火箭初始段的跟踪与测量，对飞机和巡航导弹的低仰角跟踪测量，对卫星的精密定轨等。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统，对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光 雷达可以对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。

海用激光雷达对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪的传统方式，是采用体大而重的一般在600千克至几十吨重的声纳。自从发展了海洋激光雷达，即机载蓝绿激光器发射和接收设备后，海洋水下目标探测既简单方便，又准确无误。尤其是20世纪90 年代以后研制成功的第三代激光雷达上，增加了GPS定位、定高功能，实现了航线和高度的自动控制。如美国诺斯罗普公司研制的“ALARMS”机载水雷探测激光雷达，可24小时工作，能准确测得水下水雷等可疑目标。美国卡曼航天公司研制的水下成像激光雷达，更具优势，可以显示水下目标的形状等特征，准确捕获目标，以便采取应急措施，确保航行安全。

此外，激光雷达还可以广泛用于对抗电子战、反辐射导弹、超低空突防、导弹与炮弹制导以及陆地扫雷等。

参考文献

王保成 张卫华 激光雷达工作原理与气象探测 《现代物理知识》 2001年06期 王德志 激光雷达原理 《科协论坛》 2008年05期

第三篇：激光雷达测量实习报告

《激光雷达测量实习》二周实习任务书

一、实习课程的目的与任务

该实习课程时间为二周，是《激光雷达测量技术与应用》的后续课程。该课程主要侧重于三维激光扫描测量技术与数据建模知识的综合应用。通过二周的集中实习，可以使学生巩固课程理论知识，熟悉三维激光扫描测量技术的软、硬件环境，掌握基于三维激光扫描测量技术构建三维模型的方法和过程，熟悉相关软件的功能和相关操作命令，并能够熟练运用相关软件构建实体三维仿真模型，提高学生技能、动手能力及解决问题的能力，达到理论知识与实践的结合。

二、实习内容、安排方式

（一）实习内容

1、三维激光扫描数据的外业采集；

2、利用Cyclone软件进行数据预处理及点云模型的建立；

3、基于Imageware软件构建点云截面线画图；

4、利用Imageware软件构建三维实体曲面模型和利用geomagic软件构建三维网格模型；

5、利用geomagic软件构建三维仿真模型；

5、基于任一编程语言完成点云数据读取、点云数据配准参数的求解、基于点云拟合平面的程序设计和实现。

（二）安排方式

1、三维激光扫描数据采集在户外进行，以小组为单位。

2、数据预处理及点云模型的建立、基于点云构建截面线画图、三维实体曲面模型和三维实体网格模型及三维仿真模型的构建及程序设计实现在校机房网四进行，以个人为单位，每人一台电脑独立进行独立实习，每人提交一份实习成果。

三、实习要求

时间：2012/2013学年（1）学期第19－20周，1-8节。

考勤：每天进行不定时不定次点名，无论何种原因未到者均记缺勤一次。缺席1/3以上实习时间者没有成绩。

成果：所有要提交的实习成果必须由学生本人独立完成，不得抄袭，一经发现有任何抄袭行为，该课程记为0分。机房：严格遵守实验机房的上机要求，不得在机房吃食品、带入任何饮料，不得在机房打闹、大声喧哗，严禁玩电脑游戏等其他与课程无关的事项。违反机房管理规则，实习成绩降一档。

四、成果提交内容及要求：

（一）、按以下内容的顺序打印、装订成册，打印纸张大小一律采用A4纸张。

1、封面。

2、《激光雷达测量实习》二周实习任务书。

3、实习成果图。（实验成果图包括：基于cyclone软件构建点云模型时每步操作界面的截屏；在Imageware构建截面线画图的每步操作界面截图；在Imageware软件中构建三维曲面模型时的每步操作界面截图；在Geomagic软件中构建三维网格模型及三维仿真模型时的每步截图；点云数据处理程序的截屏。）

4、实习总结：不少于1000字。

5、实习日志（每天的工作内容及收获，不少于300字）。

（二）、上交电子成果

实习成果图、实习总结、截面线画模型、三维实体模型和三维网格模型、三维仿真模型、点云数据处理程序等电子成果。

以本人的学号（13位）建立文件夹，将所有文件复制到该文件夹中，实习结束时上交。

五、图形技术要求：

Cyclone软件配准精度要求：中误差±5mm以内。

六、综合成绩评定的方法

（一）考核内容：实习成果，实习日志，出勤。

（二）成绩评定方法：根据实习的认真程度、实验成果的优劣、出勤情况等综合评定实习成绩，分为优良中及格不及格五个等级，其中，实习成果占60%，实习日志占20%，出勤占20%。

（三）缺席1/3以上实习时间者没有成绩。

激光雷达测量实习报告

一、利用Cyclone软件进行数据预处理及点云模型的建立

（一）控制点法配准步骤如下图1~3所示：

图1

图2

图3

（二）科研楼台阶公共点云法配准，如下图4~6-1所示：

图4

图5

图6

图6-1

（三）铁牛公共点云配准法，贴图并进行三维建模，如下图7~9-2所示：

图7

图8

图9

图9-1

图9-2

二、利用Geomagic软件构建三维网格模型和三维仿真模型

（一）去噪，减少噪音点，如下图10~14所示：

图10

图11

图12

图13

图14

（二）对配准建模数据1、2点云进行封装wrap并进行贴图三维建模，如下图15~24所示：

图15

图16

图17

图18

图19

图20

图21

图22

图23

图24

三、Imageware构建三维实体表面模型。

图25

图26

图27

图28

图29

图30

四、编程

（一）空间坐标转换，如下图31~33所示：

图31

图32 坐标转换 Private Sub cmdCalc3D_Click()

m3 = cdcs

Ex = xxz

Ey = yxz

Ez = zxz

dX3 = xpy

dY3 = ypy

dZ3 = zpy

txtK3.Text = Str(m3)

txtEx.Text = Str(Ex)

Ex = DoToHu(Ex)

txtEy.Text = Str(Ey)

Ey = DoToHu(Ey)

txtEz.Text = Str(Ez)

Ez = DoToHu(Ez)

txtdX3.Text = Str(dX3)

txtdY3.Text = Str(dY3)

txtDz3.Text = Str(dZ3)

X3 = Val(txtX3.Text)

Y3 = Val(txtY3.Text)

Z3 = Val(txtZ3.Text)

Xx3 =(m3 + 1)*(X3 * Cos(Ey)* Cos(Ez)+ Y3 * Cos(Ey)* Sin(Ez)dX3)* Cos(Ey)* Cos(Ez)+(Yy3dZ3)*(Sin(Ex)* Sin(Ez)+ Cos(Ex)* Sin(Ey)* Cos(Ez)))/(m3 + 1)

Y3 =((Xx3dY3)*(Sin(Ex)* Sin(Ey)* Sin(Ez)+ Cos(Ex)* Cos(Ez))+(Zz3dX3)*(-Sin(Ey))+(Yy3dZ3)*(Cos(Ex)* Cos(Ey)))/(m3 + 1)

txtX3.Text = Format(X3, “0.0000”)

txtY3.Text = Format(Y3, “0.0000”)

txtZ3.Text = Format(Z3, “0.0000”)End Sub

Private Sub cmdExit_Click()

End End Sub

Private Sub cmdParaCalu_Click()

frmParameterCal3D.Show End Sub

Private Sub Command1_Click()

Dim Dateh As String

Dim iposh%, i%

Open Text1.Text For Input As #1

Line Input #1, Dateh

n = Val(Dateh)

ReDim x1#(n), y1#(n), z1#(n), x2#(n), y2#(n), z2#(n)

ReDim jx#(n), jy#(n), jz#(n)

For i = 1 To n

Line Input #1, Dateh

iposh = InStr(Dateh, “,”)

x1(i)= Val(Left(Dateh, iposh1))

Dateh = Mid(Dateh, iposh + 1)

iposh = InStr(Dateh, “,”)

z1(i)= Val(Left(Dateh, iposh1))

Dateh = Mid(Dateh, iposh + 1)

iposh = InStr(Dateh, “,”)

y2(i)= Val(Left(Dateh, iposhz1(i)* Sin(Ey))+ dX3

jy(i)=(m3 + 1)*(x1(i)*(-Cos(Ex)* Sin(Ez)+ Sin(Ex)* Sin(Ey)* Cos(Ez))+ y1(i)*(Cos(Ex)* Cos(Ez)+ Sin(Ex)* Sin(Ey)* Sin(Ez))+ z1(i)*(Sin(Ex)* Cos(Ey)))+ dY3

jz(i)=(m3 + 1)*(x1(i)*(Sin(Ex)* Sin(Ez)+ Cos(Ex)* Sin(Ey)* Cos(Ez))+ y1(i)*(-Sin(Ex)* Cos(Ez)+ Cos(Ex)* Sin(Ey)* Sin(Ez))+ z1(i)*(Cos(Ex)* Cos(Ey)))+ dZ3 Next i 转换后坐标

图33

（二）点云坐标读取，如下图34~ 设置点云模型的坐标范围

图34 设置点间距

图35 临近点去噪

图36 模型空间显示

图37

图38

实习总结

本次实习历时两周时间，在这两周时间里我按照老师的实习任务安排进行实习，实习的内容和安排方式如下：

（一）实习内容：

1、三维激光扫描数据的外业采集；

2、利用Cyclone软件进行数据预处理及点云模型的建立；

3、基于Imageware软件构建点云截面线画图；

4、利用Imageware软件构建三维实体曲面模型和利用geomagic软件构建三维网格模型；

5、利用geomagic软件构建三维仿真模型；

6、基于任一编程语言完成点云数据读取、点云数据配准参数的求解、基于点云拟合平面的程序设计和实现。

（二）安排方式：

1、三维激光扫描数据采集在户外进行，以小组为单位；

2、数据预处理及点云模型的建立、基于点云构建截面线画图、三维实体曲面模型和三维实体网格模型及三维仿真模型的构建及程序设计实现在校机房网四进行，以个人为单位，每人一台电脑独立进行独立实习，每人提交一份实习成果。

而在了解以上的内容后，按照实习任务的时间安排在校机房网四进行实习，实习后将以下成果上交即完成整个实习过程：

（一）、按以下内容的顺序打印、装订成册，打印纸张大小一律采用A4纸张。

1、封面；

2、《激光雷达测量实习》二周实习任务书；

3、实习成果图。（实验成果图包括：基于cyclone软件构建点云模型时每步操作界面的截屏；在Imageware构建截面线画图的每步操作界面截图；在Imageware软件中构建三维曲面模型时的每步操作界面截图；在Geomagic软件中构建三维网格模型及三维仿真模型时的每步截图；点云数据处理程序的截屏。）；

4、实习总结：不少于1000字；

5、实习日志（每天的工作内容及收获，不少于300字）；

（二）、上交电子成果：实习成果图、实习总结、截面线画模型、三维实体模型和三维网格模型、三维仿真模型、点云数据处理程序等电子成果。

实习过程时间虽长，但实习内容丰富，因此在这两周时间里每一天的实习都是很充实地度过了，此外，在实习过程中，我还掌握了Cyclone软件和Geomagic以及Imageware软件的操作，对我以后工作学习又增添了一份保障。本次实习由张瑞菊老师带领，在每次实习课程中，老师都伴随左右，为同学们解答疑惑，因此，张瑞菊老师也是深受同学们的喜爱。每一次的实习时间都是来之不易，再加上老师和同学们的帮助，我在每次实习中都得到了异常丰富的知识和技能。

实习已经结束，在此作一个结束语，平生学生时代的最后一个在校实习已经结束，阶下来就是工作的时间了，我要从一个学生角色转换到一个职场人士，前方的路还很长，我应该以一个全新的面貌对待以后的生活和工作，这在我以后的人生旅途中必会收获颇丰，我要做好准备工作，投身到工作生活之中，这是我的使命，同时也是我要经历的一切，实习就是以后工作的影子，我看到了影子就会大致想象到以后的工作，这是适合我走的道路。

再见，大学生活。

第四篇：机载激光雷达的应用现状及发展趋势

机载激光雷达的应用现状及发展趋势

摘要：机载激光雷达是一种应用越来越广泛的对地观测系统，本文简要介绍了机载LIDAR系统及其测量原理，并重点综述了机载LIDAR的应用现状最后对其发展趋势进行了展望。

关键字 ：激光； 激光器 ； 激光技术 ；激光雷达

一、机载LIDAR的技术原理

机载激光雷达（Light Detection And Ranging，LIDAR）是将激光用于回波测距和定向，并通过位置、径向速度计物体反射特性等信息来识别目标。它体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术。机载激光雷达技术起源于传统的工程测量中的激光测距技术，是传统雷达技术与现代激光技术结合的产物，是遥感测量领域的一门新兴技术。

自20世纪60年代末世界第一部激光雷达诞生以来，机载激光雷达技术作为一种重要的航空遥感技术，已经被越来越多的学者所关注。迄今为止，机载激光雷达的研究与应用均取得了相当大的进展，虽然机载激光雷达无法完全取代传统的航空摄影测量作业方式，但可以预见，在未来的航空遥感领域，机载激光雷达将成为主流之一。进入90年代，机载激光雷达系统进入实用化阶段，并成为雷达遥感发展的重要方向之一。机载LIDAR系统是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备，该系统由激光测高仪、GPS定位装置、IMU（惯性制导仪）和高分辨率数码照相机组成，实习对目标的同步测量。测量数据通过特定方程解算处理，生成高密度激光点云数值，为地形信息的提取提供精确的数据源。其应用已超出传统测量，遥感，以及近景测量所覆盖的范围，成为一种独特的数据获取方式。

与普通光波相比，激光具有方向性好、单色性好、相干性好等特点，不易受大气环境和太阳光线的影响。使用激光进行距离测量可大大提高了数据采集的可靠性抗干扰能力。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，只要不存在方向反射，总会有一部分光会反射回去，成为回波信号，被系统的接收器所接收，当仪器计算出光由激光器射出返回到接收器的时间为2t后，那么，激光器到反射物体的距离d=光速c×t2。

在机载激光雷达系统中，利用惯性导航系统获得飞行过程中的3个方位角（ψωκ），通过全球定位系统（GPS）获取激光扫描仪中心坐标（x y z），最后利用激光扫描仪获取到激光扫描仪中心至地面点的距离D，由此可以计算出此刻地面上相应激光点（X Y Z）的空间坐标。

假设三维空间中一点的坐标已知，求出改点到地面上某一待定点P（XYZ）的向量，则P点的坐标就可以由加得到。其中点为遥感器的投影中心，其坐标可利用动态差分GPS求出，向量的模是由激光测距系统测定的机载激光测距仪的投影中心到地面激光脚点间的距离，姿态参数可以利用高精度姿态测量装置（INS）进行测量获得的。

利用机载LIDAR系统进行测高作业，根据不同的航高作业，根据不同的航高，其平面精度可以达到0.15至1米，高程精度可达10cm至30cm，地面分辨率甚至可达到厘米级。可以说，机载LIDAR系统是为综合航射影像和空中数据定位二设计的新技术手段，它能为测绘工程、数字地图和GIS应用快速提供精确的空间坐标信息和三维模型信息。

二、机载LIDAR的应用现状

机载LIDAR 一高精度、高分辨率、高自动化且高效率的优势，已成为世界各国进行大面积数值地表数据测制的重要主流与趋势，其多重反射的特性，可同时获取地面及其覆盖物（植被、电力线等）的精确三维坐标，而透水激光雷达系统更可穿透水体而量测水底的地形起伏。其获取的高精度高分辨率DEM，可作为土地利用、工程建设规划、都市计划管理，河海地形、潮间带、集水区、山坡检测，地理信息系统、防灾、矿业、农业、林业、公共管理线等方面数值化、自动化等应用基础。1.数字城市应用

在数字化程度越来越高的今天，基于二维城市形象系统已经不能满足形象时代的要求，将三维空间形象完整呈现已经成为发展的必然，也是“数字地球”的要求。因此，对快速获取三维空间数据，模拟和再现现实生活提出了更高的要求。LIDAR系统在城市中更能体现其不受航高、阴影遮挡等限制的优势，能够快速采集三维空间数据和影像，房屋建模速度快，高程精度高，纹理映射自动化程度高，能够满足分析与测量的需求，广泛用于城市规划的大比例尺地形图获取。2.工程建筑测量

机载激光雷达测量能够为道路工程及其他建筑项目提供准确的高程数据。机载激光雷达生成的DEM结合GIS及CAD软件，可以是设计人员模拟各种方案以选择出最佳路线或最好位置。对于施工钱的原始预测，DEM结合正射影像可以为工程设计人员提供他们所需的大量地形和测量信息。3.电力设计勘测选线和线路监测应用。

在进行电力线路设计时，通过LIDAR数据可以了解整个线路设计区域内的地形和地物要素的情况。4.灾害监测与环境监测

利用机载LIDAR产生的DEM，水文学家可以预测洪水的范围，制定灾难减轻方案以及补救措施。典型的一套机载激光雷达系统可以在四小时内用一架固定翼飞机完成长30km区域的勘测。其垂直精度和达15cm，平均点距为1.5m，合计记录了153000000个反映详细地形和地物的数据点。也广泛应用于自然灾害（如飓风、地震、洪水滑坡等）的灾后评估和响应。5.海岸工程

传统的摄影测量技术有时不能用于反差小或无明显特征的地区，如海岸及海岸地区。另外海岸地区的动态环境也需要经常更新基准测量数据。机载LIDAR是一种主动传感技术，能以低成本做高动态环境下常规基础海岸线测量，且具有一定的水下探测能力，可测量近海水深70m内水下地形，可用于海岸带、海边沙丘、海边提防和海岸森林的三维测量和动态监测。6.林业应用 机载激光雷达系统的最早商业应用领域之一即为森林工业，森林业者和国土管理者需要森林及树冠下面的准确数据。在传统技术下，树高与树的密度很难获取的信息。在数据的后处理中，独立的激光返回值可分为植被返回值和地面返回值，根据LIDAR数据，分析森林树木的覆盖率和覆盖面积，了解树木的疏密程度，年长树木的覆盖面积和年幼树木的覆盖面积。通过LIDAR数据可以概算出森林占地面积和树木的平均高度，及木材量的多少，便于相关部门进行宏观调控。7.文化遗产保护

大型的文物古迹和室外的不可以移动文物，需要测量其三维数据，以便进行修复和保护。对于出于恶劣测量环境下或不可直接触摸的文物，LIDAR技术就成为了一种直接获取三维数据的很好的解决方案。8.油气勘探

石油及天然气工业的勘测程序常常需要在短时间内快速传送与地形数据XYZ为准相关的数据。虽然有多种方法处理收集位置数据，但机载激光雷达测量是一种高速且不接触地面的数据获取方法，大多数情况下，从勘探开始到最终数据发送只需要几周的时间。在一些复杂的环境地区勘测，砍伐树木的费用要几千美元一公顷。如用机载激光雷达进行勘测，最多只需要砍伐几行树，这样可以节省大量的经费且减少对环境的影响。

三维激光雷达技术是实现空间三维坐标和影像数据同步、快速、高精度获取的国际领先看空间技术，在采集地表数据方面具有传统航空摄影测量所无法比拟的巨大优势，三维激光雷达技术是即GPS以来测绘领域的又一场技术革新，是高精度逆向三维建模及重构技术的革命，是进行大区域空间探测的利器，是数字中国及各行业数字化的必由之路，将对电网、水利、交通、规划、国土、矿山、海洋、气象、农业、林业、古迹保护等各个领域产生深远影响。

二、机载LIDAR的发展趋势

近几年，随着相关技术的不断成熟，机载激光雷达技术得到了蓬勃发展，欧美等发达国家许多公司和科研机构投入了的大量的人力物力和财力进行相关技术和系统的研究，并先后研制出多种机载激光雷达系统，相继投入商业运作。记载激光雷达在测绘市场所占的份额不断扩大，其应用的领域和深度也日益拓宽和加深。我国的学者也投入道路激光雷达技术的研究中，也有一些公司从国外引进了机载激光雷达设备用于商业运作。但总体而言，我国在机载激光雷达的硬件研制及理论研究和实践应用方面都落后与发达国家，为使这项高新技术能够在我国的国民经济建设中发挥其应有的作用，开展记载激光雷达技术的理论和应用研究具有非常重要的理论价值和现实意义。虽然目前已有多种激光雷达系统在使用，但激光雷达仍是一项处在不断发展中的高新技术，许多新体制激光雷达仍在研制或探索之中。在今后的一段时期内，激光雷达的研究工作将主要集中在不断开发新的激光辐射源、多传感器系统集成和不断探索新的工作体制和用途方面。

1.开发新型激光辐射源 目前，在中远距离应用中，波长为1.06μm的Nd：YAG激光器和波长为10.6μm的CO2激光器仍是激光雷达的主导辐射源。近年来随着大功率半导体激光二极管技术的不断完善，在近距离应用条件下半导体激光器的应用也日益广泛。在未来若干年内，二极管泵浦的固体激光器技术和光参量振荡器技术将是新型激光源的关键技术。

利用光学参量振荡器可获得宽带可调谐、高相干的辐射光源，在激光测距、光电对抗光学信号处理等领域以显示出广泛的应用前景。光学参量振荡器的理论最早在1962年由Kroll提出，1965年美国贝尔实验室首先在脉冲激光器上实现光学参量震荡，国际上在70年代建立了完善的参量互作用理论，并在80年代后，随着一些性能优良的非线性晶体的出现，使得OPO技术的研究取得重大突破，OPO技术进入了实用阶段。近年来，随着二极管泵浦的固体激光技术的发展，全固化宽调谐OPO技术得以迅速发展，它具有高效率、长寿命、结构紧凑、体积小、重 量轻、可高重复频率工作等特点。美国直升机防撞激光成像雷达和预警机载“门警”系统激光雷达，英国的查分吸收光雷达都是采用OPO做辐射源。可预计，未来将会有更多的OPO激光雷达问世。2..多传感器集成和数据融合

激光雷达的另一个发展方向是成像应用。激光雷达成像具有优越的三维成像能力，其数据处理算法相对简单，不需要多批次图像融合即可得到侦查区域多层次的三维图，与其他成像侦查手段相比，在实效性方面具有不可比拟的优势。与光学和微波成像相比，激光雷达成像在获得侦查区域目标的同时能快速获得目标高程数据，提高对战场的探测能力。激光雷达成像所获得的是目标距离和强度数据，激光雷达数据图像与可见光数据图像、红外电视数据图像等其他数据图像的融合在目标物特征提取、识别等方面具有重要的作用。激光雷达数据图像包含目标的位置、体积、形状等三维立体信息，充分反映目标的几何信息。但激光雷达数据由于激光谱线成像，光谱信息单一，不能充分反映目标物的物理属性信息。而可见光数据图像、红外电视数据图像包含丰富的目标光谱信息，但目标的几何信息只有二维的平面位置信息。将激光雷达数据图像与可见光数据图像、红外电视图像相融合，实现多传感器集成，可发挥出各自的优势。2.不断探索激光雷达新体制

多年来，对激光雷达新体制的探索工作一直在进行，尤其最近几年研究工作比较活跃，包括激光相控阵雷达、激光合成孔径雷达、非扫描成像激光雷达等。相控阵激光雷达是通过对一组激光束的相位分别进行控制和波束合成，实现波束功率增强和电扫描的一种体制。美国自70年代初开始研究激光相控阵技术，实现一维光相控阵以来，先后研制出多种二维移相器阵列并制成以液晶为基础的二维光学相控阵样机。

合成孔径雷达是利用与目标做相对运动和小孔径天线并采用信号处理方法，获得高方位分辨力的相干成像雷达。利用激光器做辐射源的激光合成孔径雷达，由于 频率远高于微波，对于同样相对运动速度的目标可产生大得多的多普勒频移，因此，很像距离分辨率也高得多，而且利用单个脉冲可瞬时测得多普勒频移，无需高重频发射脉冲。正因为如此，基于距离多普勒成像的激光合成孔径雷达的研究工作受到重视。美国自80年代开始开展了激光合成孔径雷达的概念研究，并进行了原理实验。实验研究采用重复频率为100Hz的TEA CO2相干脉冲激光器，脉宽为150ns，峰值功率为100kw，以单纵横工作，而且频率可调。尽管迄今尚未见到成功的报道，但仍不失为激光雷达的一个发展方向。自90年代初以来，美国Sandia国家实验室一直致力于发展一种新体制激光成像激光雷达不需要机械扫描，而是利用高频强度调制的激光器照射目标，用带向增强器的CCD摄像机接收回波，经过数字信号处理依次提取每个光点的距离信息，形成目标的强度距离三维图像。其特点是简单、可行、体积小、重量轻、可得到高分辨率图像。因而防撞、自主导航、目标识别、自动检验、视景、警戒、监视和地形测绘等军事和民用方面具有广阔的应用前景。

第五篇：激光雷达在军事中的应用讲解

激光雷达在军事中的应用

作者

摘要：本文简要介绍激光雷达的特点、激光雷达探测的基本物理原理及其在军事领域的应用现状．

关键词：激光雷达；探测；军事应用

1.引言 激光雷达是现代激光技术与传统雷达技术相结合的产物，它像传统的微波雷达一样，由雷达向目标发射波束，然后接收目标反射回来的信号，并将其与发射信号对比，获得目标的距离、速度以及姿态等参数．但是它又不同于传统的微波雷达，它发射的不是微波束，而是激光束，使激光雷达具有不同于普通微波雷达的特点．

根据激光器的不同，激光雷达可工作在红外光谱、可见光谱和紫外光谱的波段上．相对于工作在米波至毫米波波段的微波雷达而言，激光雷达的工作波长短，是微波雷达的万分之一到千分之一，根据光学仪器的分辨率与波长成反比的原理，利用激光雷达可以获得极高的角分辨率和距离分辨率，通常角分辨率不低于0.1mrad，距离分辨率可达0.1m , 利用多普勒效应可以获得10m / s 以内的速度分辨率．这些指标是一般微波雷达难以达到的，因此激光雷达可获得比微波雷达清晰得多的目标图像。

激光束的方向性好、能量集中，在20km 外，其光束也只有茶杯口大小，因而敌方难以截获，而且激光束的抗电磁干扰能力强，难以受到敌方有源干扰的影响．

由于各种地物回波影响，因而在低空存在微波雷达无法探测的盲区．而对于激光雷达，只有被激光照射的目标才能产生反射，不存在低空地物回波的影响，所以激光雷达的低空探测性能好．

激光雷达体积小、重量轻，有的整套激光雷达系统的重量仅几十千克．例如为了适应海军陆战队的需要，美国桑迪亚国家实验室和伯恩斯公司都提出了手持激光

雷达的设计方案．相对于重达数吨、乃至

数十吨的微波雷达而言，激光雷达的机动

性能显然要好得多．

任何事物都是一分为二的，激光雷达也有自身的缺陷．激光光束窄、方向性好，虽然表现出能量集中的优点，但不宜用作战场监视雷达搜索大空域．而且激光的传输受环境影响大，尤其是在雨、雪、雾的天气，激光在传输过程中的衰减更大．当然，激光在大气层外传输时不易衰减，有其得天独厚的优势．经过几十年的努力，科学家们趋利避害，已研制出多种类型的军用激光雷达． 2.用干战场侦察的激光雷达 众所周知，普通的成像技术（如电视摄像、航空摄影及红外成像等）获得的场景图像都是反映被摄区域辐射强度几何分布的图像，而激光雷达可以通过采集方位角一俯冲角一距离一速度一强度等三维数据，再将这些数据以图像的形式显示出来，从而可产生极高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像等，因而它提供了普通成像技术所不能提供的信息．

例如美国桑迪亚国家实验库研制的一种激光雷达，激光器功率为120MW，显示屏幕的像素为64 X 64 元，视场内物体的图像可显示在屏幕上，每秒钟更新4 次，并用不同颜色和灰度显示物体的相对距离．这种激光雷达能对运动的装甲车辆产生实时图像，图像分辨率足以识别车辆型号．

美国雷西昂公司研制的ILR100 型砷化稼激光雷达，可安装在高性能飞机和无人机上，当飞机在120m～460m 高空飞行 时，获得的影像可实时显示在驾驶舱内的显示器上，或通过数据链路发送到地面站． 3.用于大气探测的激光雷达

现代战场的侦察不能局限于人、兵器和建筑物的测量，因为天气环境对战场也很重要，例如风力、风向、温度等都会对导弹、飞机等产生影响，尤其是核化生武器的使用更会污染战场环境．利用激光雷达则可以进行某些微波雷达所不能完成的侦测工作，其主要原理是：通过射向大气中的激光与大气中的气溶胶（如烟尘、粉末等）及大气分子的作用，产生散射，探测器接收散射波并经分析、处理，可以检测大气的湿、温、风、压等基本参数，探测紊流，实时测量风扬起乃至大气中的生物战剂．

为了测得某一物理量，可根据相关物理学原理采用某一类型的激光雷达．例如，由物理学原理可知，对于同一波长的照射光，粒子直径不同，散射情况也不同．当大气中气溶胶粒子直径与照射的激光波长为同一数量级时，可以得到较强的散射信号．根据激光雷达接收到的散射信号的强度可以分析低空大气乃至同温层中气溶胶粒子的直径及密度，并可由此推得大气的能见度，以至对云团、黄沙等进行分析．

又例如，物理学知识告诉我们，大气分子在光作用下会发生极化，极化率的大小与分子的热运动（即大气温度）有关，同时极化率的不同又引起媒质折射率的不同，使大气中光学均匀性受到破坏，从而发生光的喇曼散射．因此，温度不同，喇曼散射情况不同，由喇曼散射雷达可以分析大气温度．

还例如，由于物体与雷达之间有相对运动时会产生多普勒频移现象，因此，根据发射后接收的回波频率相对于发射波频率改变的大小，可由多普勒雷达确定风速的大小．再如，若将激光雷达技术与光谱分析技术相结合，可进行战场化学毒剂的侦测，因为每种化学毒剂分子都具有特定的吸收光谱．利用差分吸收激光雷达交替发出不同波长的光，根据接收到的各种不同波长光的散射信号强度，通过对比、分

析某一波长的光波在大气中的衰减情况，就可确定大气中是否含有吸收这一波长的毒剂以及相应的浓度．其实在测得某一物理量的同时，有时也可推得其他物理量．

目前激光雷达能测得的水平风速精度小于lm / S，水平风向精度小于50 ．据称，美国将激光雷达装置在C-141 飞机上，使空投精度提高2倍以上．B-2 隐身轰炸机利用机上的激光雷达来探测机尾是否出现凝结尾流，以便向驾驶员发出报警信号．俄罗斯研制成功的一种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，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地面高度等相关参数，并通过无线电向己方部队发出报警信号．德国研制的一种连续波CO2激光器，能发出40 个不同频率的激光波，根据吸收光谱学的原理可探测和识别9µm～11µm波段光谱能量的化学战剂．

4.用于跟踪及火控的激光雷达

自20 世纪70 年代末，激光雷达开始用于坦克、火炮、舰艇和飞机的火控系统，尤其是激光自动跟踪雷达，以其精确测距、精确测速、精确跟踪的优点，获得军事家们的青睐．

根据不同的需要可以有精度更高的不同类型的激光跟踪雷达．例如美国白沙导弹靶场的CO2激光雷达系统，能同时进行成像和距离的跟踪测量．可在大角度范围内以高跟踪修正速率跟踪单个目标，也可在多个目标之间重新确定目标．

美国空军在毛伊岛空间监视站利用特克斯特朗公司制造的激光雷达进行了试验，不仅探测到距离达24km 的直升机，而且确定了直升机旋翼桨叶的数目和长度、旋翼的间距和转速一些发达国家已制定了利用激光雷达对轨道上的卫星进行高精度位置和速度跟踪，并提供空间飞行器的尺寸、形状和方位信息的研究计划．

例如美国“火池”激光雷达采用1.2m 直径的巨型发／收望远镜、使用平均发射功率为千瓦级的连续波CO2气体激光器，工作波长为10.6µm，采用外差探测方式，作用距离为1000km，跟踪精度达1µrad ．在一次试验中，“火池”获得了从800km 外发的亚轨道探测火箭和充气的再人飞行器诱饵的靶场多普勒图像．

但从目前情况看，若利用地面激光雷达进行空间监视，即对卫星进行精密跟踪、测量或用于洲际弹道导弹防御，由于目标识别距离在1000km 以上，所以激光雷达系统庞大复杂、造价昂贵．因此，人们正探讨利用激光雷达与被动红外系统相结合的方法进行弹道的估算工作． 5.用于水下探测的激光雷达

人们过去认为高频电磁波不能穿透海水，所以声纳是传统的水中目标探测装置，根据声波的反射和接收对目标进行搜索、定位、测速，但声纳体积大，重量一般在600kg 以上，有的甚至重达数十吨．经过长期研究，人们发现波长为0.46µm～0.53 µm 的蓝绿激光能穿透几百到几千米的海水．

1981 年，美国在圣地亚哥附近海域12km 高度的水面上空与水下300m 深处的潜艇间成功地进行了蓝绿激光通信试验，这不仅打开了水上与水下联络的激光通道，也使激光的水下探测成为现实．利用激光雷达探测水中目标，是利用激光器发射大功率窄脉冲蓝绿激光，并接收反射的回波来探测水下目标的方位、速度等参数，既简便，精度又高．它具有足够的空间分辨率来分辨目标的尺寸和形状．

例如美国卡曼航空航天公司研制的用于探测水雷的“魔灯”激光雷达，能迅速探测水中目标，并自动实施目标分类和定位．1991 年海湾战争期间，“魔灯”激光雷达机被部署到海湾地区，成功地发现了水雷和水雷锚链．目前“魔灯”激光雷达已装备在海军航空兵的直升机上．美国诺斯罗普公司研制的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。

瑞典也研制了“手电筒”机载激光雷达，继而还研制了“鹰眼”激光雷达．从目前研制的情况看，机载水下成像激光雷

达由于激光脉冲覆盖面积大，其搜索效率远远高于非成像激光雷达，而且可以显示水下目标的形状和特征，便于识别目标．因此，水下成像激光雷达更受到军事家们的重视，还被用作军事领域的海洋测绘工具． 6.用于其他方面的激光雷达

激光雷达还可广泛地应用于武器鉴定、指挥引导、障碍回避等许多方面．例如，在导弹发射初始段和目标低飞时，由于仰角太小，一般的微波雷达不易探测，而用普通的光学测量设备又不能实时输出数据，即使给出，数据精度也不够，因此，仅利用微波雷达不易进行弹丸的全程鉴定，激光雷达能在一定程度上弥补这方面的不足，可用于导弹发射初始段和低飞目标的测量、目标姿态的测定、再入目标和测量与识别．

美国研制的靶场测量激光雷达

（PATS）曾成功地跟踪了70mm 火箭弹和105mm 炮弹的飞行全过程．据称，利用9～10 台PATS “接力”测量巡航导弹运行的全过程，测量精度可达10cm，测角精度可达0.02mrad，作用距离为100m ～4 000m.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、德、法等国研制了用于地面障碍物回避的激光雷达．例如，美国研制的直升机超低空飞行障碍系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器，可将直升机前方的地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器和头盔显示器上，以保障安全飞行．德国研制了一种固体1.54µm 成像激光雷达，视场为32ox32o。装在直升机上能探测300m～500m 距离内直径1cm 粗的电线．英、法联合研制的“克莱拉”激光雷达是一种吊舱载的采用CO2激光器的雷达，安装在飞机和直升机上不仅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等功能．

综上所述，由于激光雷达独特的物理性能，在军事领域有着广阔的应用前景．但是，由于激光自身传输中的缺陷、大功率激光器的研制及其相应配套光电设施和技术的限制，目前激光雷达还有许多有待改进的不尽人意之处．我们相信，随着科学技术的发展，激光雷达在未来的军事领域中将会放出更亮丽的奇光异彩． 参考文献

(1)史通源，李树河．物理学与高新技术．重庆：重庆大学出版社，1994

(2)陈心中，徐润君，刘海．军事高技术教程．北京解放军出版社，1995

(3)杨洋．激光雷达在大气测量中的应用．现代物理知识，2001 , 3