激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景xxx公司激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景文件編號：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計，管理制度光電雷達(dá)技術(shù)課程論文題目激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀及應(yīng)用前景專業(yè)光學(xué)工程姓名白學(xué)武學(xué)號27學(xué)院光電學(xué)院2015年2月28日摘要：激光雷達(dá)無論在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域日益得到廣泛的應(yīng)用。介紹了激光雷達(dá)的工作原理、工作特點及分類，介紹了它們的研究進(jìn)展和發(fā)展現(xiàn)狀，以及應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。引言激光雷達(dá)是工作在光頻波段的雷達(dá)。與微波雷達(dá)的T作原理相似，它利用光頻波段的電磁波先向目標(biāo)發(fā)射探測信號，然后將其接收到的同波信號與發(fā)射信號相比較，從而獲得目標(biāo)的位置(距離、方位和高度)、運動狀態(tài)(速度、姿態(tài))等信息，實現(xiàn)對飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)的探測、跟蹤和識別。激光雷達(dá)可以按照不同的方法分類。如按照發(fā)射波形和數(shù)據(jù)處理方式，可分為脈沖激光雷達(dá)、連續(xù)波激光雷達(dá)、脈沖壓縮激光雷達(dá)、動目標(biāo)顯示激光雷達(dá)、脈沖多普勒激光雷達(dá)和成像激光雷達(dá)等：根據(jù)安裝平臺劃分，可分為地面激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、艦載激光雷達(dá)和航天激光雷達(dá)；根據(jù)完成任務(wù)的不同，可分為火控激光雷達(dá)、靶場測量激光雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、障礙物回避激光雷達(dá)以及飛機(jī)著艦引導(dǎo)激光雷達(dá)等。在具體應(yīng)用時，激光雷達(dá)既可單獨使用，也能夠同微波雷達(dá)，可見光電視、紅外電視或微光電視等成像設(shè)備組合使用，使得系統(tǒng)既能搜索到遠(yuǎn)距離目標(biāo)，又能實現(xiàn)對目標(biāo)的精密跟蹤，是目前較為先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用方式。一、激光雷達(dá)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r關(guān)鍵技術(shù)分析空間掃描技術(shù)激光雷達(dá)的空間掃描方法可分為非掃描體制和掃描體制，其中掃描體制可以選擇機(jī)械掃描、電學(xué)掃描和二元光學(xué)掃描等方式。非掃描成像體制采用多元探測器，作用距離較遠(yuǎn)，探測體制上同掃描成像的單元探測有所不同，能夠減小設(shè)備的體積、重量，但在我國多元傳感器，尤其是面陣探測器很難獲得，因此國內(nèi)激光雷達(dá)多采用掃描工作體制。機(jī)械掃描能夠進(jìn)行大視場掃描，也可以達(dá)到很高的掃描速率，不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠獲得不同的掃描圖樣，是目前應(yīng)用較多的一種掃描方式。聲光掃描器采用聲光晶體對入射光的偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)掃描，掃描速度可以很高，掃描偏轉(zhuǎn)精度能達(dá)到微弧度量級。但聲光掃描器的掃描角度很小，光束質(zhì)量較差，耗電量大，聲光晶體必須采用冷卻處理，實際工程應(yīng)用中將增加設(shè)備量。二元光學(xué)是光學(xué)技術(shù)中的一個新興的重要分支，它是建立在衍射理論、計算機(jī)輔助設(shè)計和細(xì)微加工技術(shù)基礎(chǔ)上的光學(xué)領(lǐng)域的前沿學(xué)科之一。利用二元光學(xué)可制造出微透鏡陣列靈巧掃描器。一般這種掃描器由一對間距只有幾微米的微透鏡陣列組成，一組為正透鏡，另一組為負(fù)透鏡，準(zhǔn)直光經(jīng)過正透鏡后開始聚焦，然后通過負(fù)透鏡后變?yōu)闇?zhǔn)直光。當(dāng)正負(fù)透鏡陣列橫向相對運動時，準(zhǔn)直光方向就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種透鏡陣列只需要很小的相對移動輸出光束就會產(chǎn)生很大的偏轉(zhuǎn)，透鏡陣列越小，達(dá)到相同的偏轉(zhuǎn)所需的相對移動就越小。因此，這種掃描器的掃描速率能達(dá)到很高。二元光學(xué)掃描器的缺點是掃描角度較小(幾度)，透過率低，目前工程應(yīng)用中還不夠成熟。激光發(fā)射機(jī)技術(shù)目前，激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)光源的選擇土要有半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體泵浦的固體激光器和氣體激光器等。半導(dǎo)體激光器是以直接帶隙半導(dǎo)體材料構(gòu)成的Pn結(jié)或Pin結(jié)為工作物質(zhì)的一種小型化激光器。半導(dǎo)體激光器工作物質(zhì)有幾十種，目前已制成激光器的半導(dǎo)體材料有砷化鎵(GaAs)、砷化銦(InAs)、銻化鋼(InSb)、硫化鎘(Cds)、碲化鎘(cdTe)、硒化鉛(PbSe)、碲化鉛(PbTe)等。半導(dǎo)體激光器的激勵方式主要有電注入式、光泵式和高能電子束激勵式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵方式是電注入，即給Pn結(jié)加正向電壓，以使在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射，也就是說是個正向偏置的二極管，因此半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光器_極管。自世界上第一只半導(dǎo)體激光器在1962年問世以來，經(jīng)過幾十年來的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長從紅外到藍(lán)綠光，覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項性能參數(shù)不斷提高，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(陣列器件)。在某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域，過去常用的其他激光器已逐漸為半導(dǎo)體激光器所取代。半導(dǎo)體泵浦固體激光器綜合了半導(dǎo)體激光器與固體激光器的優(yōu)點，具有體積小、重量輕、量子效率高的特點。通過泵浦激光T作物質(zhì)，輸出光束質(zhì)量好、時間相干性和空間相干性好的泵浦光，摒棄了半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量差、模式特性薺的缺點，與氙燈泵浦同體激光器相比具有泵浦效率高、T作壽命長、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。激光工作物質(zhì)可以選擇釹(Nd)、銩(Tm)、鈥(Ho)、鉺(Er)、鐿(Yb)、鋰(Li)、鉻(Cr)等，獲得從1．047～2．8μm的多種波。目前，半導(dǎo)體泵浦固體激光器的許多工程應(yīng)用問題已經(jīng)得到解決，是應(yīng)用前景最好、發(fā)展最快的一種激光器。氣體激光器是目前種類較多、輸出激光波長最豐富、應(yīng)用最廣的一種激光器。其特點是激光輸出波長范圍較寬；氣體的光學(xué)均勻性較好，因此輸出的光束質(zhì)量好，其單色性、相干性和光束穩(wěn)定性好。高靈敏度接收機(jī)設(shè)計技術(shù)激光雷達(dá)的接收單元由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器和回波檢測處理電路等組成，其功能是完成信號能量匯聚、濾波、光電轉(zhuǎn)變、放大和檢測等功能。對激光雷達(dá)接收單元設(shè)計的基本要求是：高接收靈敏度、高回波探測概率和低的虛警率。在工程應(yīng)用中，為提高激光測距機(jī)的性能而采用提高接收機(jī)靈敏度的技術(shù)途徑，要比采用提高發(fā)射機(jī)輸出功率的技術(shù)途徑更為合理、有效。提高激光回波接收靈敏度的方法主要是接收機(jī)選用適當(dāng)?shù)奶綔y方式和光電探測器。探測器足激光接收機(jī)的核心部件，也是決定接收機(jī)性能的關(guān)鍵因素，因此，探測器的選擇和合理使用是激光接收機(jī)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。目前，用于激光探測的探測器可分為基于外光電效應(yīng)的光電倍增管和基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電二極管及雪崩光電二極管等，由于雪崩光電二極管具有高的內(nèi)部增益、體積小、可靠性好等優(yōu)點，往往是工程應(yīng)用中的首選探測器件。激光雷達(dá)的回波信號電路主要包括放大電路和閾值檢測電路。放大電路的設(shè)計要與回波信號的波形相匹配，對于不同的回波信號(如脈沖信號、連續(xù)波信號、準(zhǔn)連續(xù)信號或調(diào)頻信號等)，接收機(jī)要有與之相匹配的帶寬和增益。如對于脈沖工作體制的激光雷達(dá)，放大電路要有較寬的帶寬，同時還要采用時問增益控制技術(shù)，其放大器增益不是固定的，而是按激光雷達(dá)方程變化曲線設(shè)計的控制曲線，以抑制近距離后向散射，降低虛警，并使放大器豐要工作于線性放大區(qū)域。閾值檢測電路是一個脈沖峰值比較器，確定回波到達(dá)的判據(jù)是回波脈沖幅值超過閾值。這種方法的優(yōu)點是簡單，但存在兩個主要缺點。首先，只要有一個脈沖幅值首先超越閡值，檢測電路就會將其確定為回波，而不管它是同波脈沖還是雜波干擾脈沖，從而導(dǎo)致虛警；其次是回波脈沖幅度的變化會引起到達(dá)時間的誤差，從而導(dǎo)致測距誤差。在高精度激光測距機(jī)中，通常采用峰值采樣保持電路和恒比定時電路來減小測時誤差。終端信息處理技術(shù)激光雷達(dá)終端信息處理系統(tǒng)的任務(wù)是既要完成對各傳動機(jī)構(gòu)、激光器、掃描機(jī)構(gòu)及各信號處理電路的同步協(xié)調(diào)與控制，又要對接收機(jī)送出的信號進(jìn)行處理，獲取目標(biāo)的距離信息，對于成像激光雷達(dá)來說還要完成系統(tǒng)三維圖像數(shù)據(jù)的錄取、產(chǎn)生、處理、重構(gòu)等任務(wù)。目前激光雷達(dá)的終端信息處理系統(tǒng)設(shè)計采用主要采用大規(guī)模集成電路和計算機(jī)完成。其中測距單元可利用FPGA技術(shù)實現(xiàn)，在高精度激光雷達(dá)中還需采用精密測時技術(shù)。對于成像激光雷達(dá)來說，系統(tǒng)還需要解決圖像行的非線性掃描修正、幅度／距離圖像顯示等技術(shù)。回波信號的幅度量化采用模擬延時線和高速運算放大器組成峰值保持器，采用高速A／D完成幅度量化。圖像數(shù)據(jù)采集由高速DSP完成，圖像處理及三維顯示可由工業(yè)控制計算機(jī)完成。二、激光雷達(dá)的應(yīng)用現(xiàn)狀激光雷達(dá)技術(shù)在城市三維建筑模型中的應(yīng)用

“數(shù)字城市”是數(shù)字地球技術(shù)系統(tǒng)的重要組成部分，而表達(dá)城市主要物體的三維模型包括三維地形，三維建筑模型、三維管線模型。這些三維建筑模型是數(shù)字城市重要的基礎(chǔ)信息之一。

而激光雷達(dá)技術(shù)可以快速完成三維空間數(shù)據(jù)采集，它的優(yōu)點使它有很廣闊的應(yīng)用前景。機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的組成包括：激光掃描器、高精度慣性導(dǎo)航儀、應(yīng)用查分技術(shù)的全球定位系統(tǒng)、高分辨率數(shù)碼相機(jī)。通過這四種技術(shù)的集成可以快速的完成地面三維空間地理信息的采集，經(jīng)過處理便可得到具有坐標(biāo)信息的影像數(shù)據(jù)。利用激光進(jìn)行三維建筑建模的技術(shù)。首先，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。就是結(jié)合IMUU記錄的姿勢參數(shù)、機(jī)載GPS數(shù)據(jù)、地面基站GPS觀察數(shù)據(jù)、GPS偏心分量、掃描儀和數(shù)碼相機(jī)各自的偏心分量，進(jìn)行GPS/IMU聯(lián)合解算，得到掃描儀及相機(jī)曝光坐標(biāo)下的軌跡文件，進(jìn)而得到外方為元素。其次，使用LIDAR數(shù)據(jù)商業(yè)處理軟件將地面數(shù)據(jù)與非地面數(shù)據(jù)分離，生成DEM，在利用純地表數(shù)據(jù)對影像外方位元素通過尋找同名像點的方式進(jìn)行校正快速生成DOM。DEM和DOM疊加在一起就形成了三維地形模型。最后，為了表達(dá)真實的城市面貌對三維建筑模型進(jìn)行紋理貼圖。紋理粘貼的方法常見的有手動粘貼和紋理映射兩種。常用的紋理獲取方法也有兩種，第一種方法是對建筑頂部紋理采用航空影像，側(cè)面紋理信息為手持相機(jī)實地拍攝。第二種方法為傾斜航空攝影。得到紋理后利用專業(yè)軟件進(jìn)行紋理面的選擇、勻光處理等將反應(yīng)建筑現(xiàn)狀的影像信息映射在對應(yīng)的模型上就達(dá)到了反映城市現(xiàn)狀的目的。

激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展及其在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

激光雷達(dá)由于探測波長短、波束定向性強，能量密度高，因此具有高空間分辨率、高的探測靈敏度、能分辨被探測物種和不存在探測盲區(qū)等優(yōu)點，已經(jīng)成為目前對大氣進(jìn)行高精度遙感探測的有效手段。利用激光雷達(dá)可以探測氣溶膠、云粒子的分布、大氣成分和風(fēng)場的垂直廓線，對主要污染源可以進(jìn)行有效監(jiān)控。對大氣污染物分布的觀測。當(dāng)激光雷達(dá)發(fā)出的激光與這些漂浮粒子發(fā)生作用時會發(fā)生散射，而且入射光波長與漂浮粒子的尺度為同一數(shù)量級，散射系數(shù)與波長的一次方成反比，米氏散射激光雷達(dá)依據(jù)這一性質(zhì)可完成氣溶膠濃度、空間分布及能見度的測定。差分激光雷達(dá)主要用于大氣成分的測定。差分激光雷達(dá)的測試原理是使用激光雷達(dá)發(fā)出兩種不等的光，其中一個波長調(diào)到待測物體的吸收線，而另一波長調(diào)到線上吸收系數(shù)較小的邊翼，然后以高重復(fù)頻率將這兩種波長的光交替發(fā)射到大氣中，此時激光雷達(dá)所測到的這兩種波長光信號衰減差是待測對象的吸收所致，通過分析便可得到待測對象的濃度分布。在大氣中間層金屬蒸氣層的觀測主要采用熒光共振散射激光雷達(dá)。其原理是利用Na、K、Li、Ca等金屬原子作為示蹤物開展大氣動力學(xué)研究。由于中間層頂大氣分子密度較低，瑞利散射信號十分微弱，而該區(qū)域內(nèi)的鈉金屬原子層由于其共振熒光截面比瑞利散射截面高幾個數(shù)量級，因此，利用鈉熒光雷達(dá)研究鈉層分布，進(jìn)而研究重力波等有關(guān)性質(zhì)更展示其獨有的特性。激光雷達(dá)在空間交會對接中的應(yīng)用

交會對接范圍為100km—1m，在實際的空間對接中，當(dāng)距離大于100km時，航天員可以通過機(jī)載微博交會雷達(dá)和潛望鏡獲得兩個航天器之間的相對位置。隨著兩航天器的逼近，當(dāng)相對距離小于100m時，由于硬件的限制，微波雷達(dá)不能為最后逼近提供足夠精度的測量信息。由于激光本身的波束窄、相干性好、工作頻率高等優(yōu)點，激光雷達(dá)能在交會階段直到對接的整個過程中提供高精度的相對距離、速度、角度和角速度的精確測量，因此它既能用于目前的自動尋的、接近和最后的手動逼近操作過程，又能為未來無人交會對接任務(wù)提供自主導(dǎo)航的擴(kuò)展功能。

激光雷達(dá)一般由下列部分組成：激光源、發(fā)射與接收光路、信號處理、掃描跟蹤機(jī)構(gòu)、目標(biāo)反射器和檢測器等。掃描跟蹤機(jī)構(gòu)可完成大角度的光束偏轉(zhuǎn)。這種機(jī)構(gòu)大都由兩自由度框架組成，框架上固定了反射鏡，使光束偏轉(zhuǎn)。由于偏轉(zhuǎn)對象是光束，所以機(jī)構(gòu)可作得十分精巧、細(xì)致。目標(biāo)反射器安裝在目標(biāo)飛行器上，一般用角反射器

(

三個相互垂直的反射鏡組成

)，從而使目標(biāo)反射器將雷達(dá)天線射出的光束按原方向反射回去。此時目標(biāo)的位置和姿態(tài)信息由激光雷達(dá)光學(xué)接收天線接收，然后進(jìn)行檢測和數(shù)據(jù)處理。激光雷達(dá)的測距、測度、和測角原理與微波雷達(dá)基本相同。因此用于空間交會對接的激光雷達(dá)包含連續(xù)波測距器和位置敏感器兩個部分。這兩個部分通過公用光學(xué)裝置混合起來。激光雷達(dá)

比較可靠和精確的測速方法是測量回波信號的多普勒頻移。激光雷達(dá)對目標(biāo)的角跟蹤可采用圓錐掃描法和單脈沖法?，F(xiàn)在，激光雷達(dá)也能用于最后的手動逼近和對接階段，此時主要用來測量相對姿態(tài)。激光測距技術(shù)比較成熟，但是激光測量姿態(tài)角是一項技術(shù)難點。激光雷達(dá)在油氣直接勘察中的應(yīng)用前景

利用遙感直接探測油氣上方的烴類氣體的異常是一種直接而快捷的油氣勘探方法。激光雷達(dá)是激光技術(shù)和雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，將其應(yīng)用于油類勘測已經(jīng)成為可能。激光器的工作波長范圍廣，單色性好，而且激光是定向輻射，具有準(zhǔn)直性，測量靈敏度高等優(yōu)點，使其在遙感方面遠(yuǎn)優(yōu)于其他傳感器。

激光雷達(dá)由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大部分組成。發(fā)射系統(tǒng)主要包括激光器和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡；接受系統(tǒng)主要由接收望遠(yuǎn)鏡、光電倍增管和顯示器三部分組成。激光雷達(dá)技術(shù)是根據(jù)激光光束在大氣中傳輸時，大氣中塵埃微粒和各種氣體分子對激光產(chǎn)生彌散射，瑞利散射、拉曼散射和共振熒光以及共振吸收等現(xiàn)象，然后利用激光雷達(dá)接收系統(tǒng)收集和記錄上述現(xiàn)象過程中所產(chǎn)生的背向散射光譜，以達(dá)到探測大氣成份和濃度的目的。

烴類氣體是油氣田油氣微滲漏的主要指示性氣體，而近地表的烴類氣體從成分上看，主要是由早期的成巖作用、細(xì)菌作用和地下熱作用等共同作用的結(jié)果。共振吸收激光雷達(dá)在探測氣體分子含量時一般都采用各種可調(diào)諧激光器激光雷達(dá)探測氣體的探測靈敏度，是指激光雷達(dá)所能接收到的激光功率細(xì)微變化的能力。探測的距離和被測氣體分子的吸收截面是影響探鍘靈敏度的主要因素。據(jù)研究資料介紹，吸收截面越大靈敏度越高；而探測距離越大，靈敏度越高。而路徑與靈敏度之間的關(guān)系是路徑越長，氣體分子對激光光束的吸收衰減也越強烈，從而使探測靈敏度大大提高。但是，由于存在著激光光斑的發(fā)散和因大氣湍流引起的激光傳輸方向改變的抖動效應(yīng)，將使激光的有效利用率減小，即信噪比下降，從而影響污染氣體分子含量的探測精度。因此探測距離以數(shù)公里為宜。使用超高頻雷達(dá)和離散回波激光雷達(dá)估算溫帶闊葉林和混交林的生物量

本研究的目的是要確定使用哪種方法能更好的估計溫帶闊葉林的生物量估計，一種方法是單獨使用高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)來確定，另一種是同時使用高頻雷達(dá)與小尺寸離散回波激光雷達(dá)來估計生物量。激光雷達(dá)的分布描述數(shù)據(jù)和平均歸一化雷達(dá)截面在每個觀測點被用來作為獨立變量處理。

研究的區(qū)域是在弗吉尼亞州阿波馬托克斯-白金漢國家森林。首先收集指定區(qū)域中的數(shù)據(jù)。

BioSAR數(shù)據(jù)是用一艘雙引擎飛機(jī)收集的，飛機(jī)上的雷達(dá)發(fā)出高頻率的波，通過收集反射回來的信號來確定探測物體的信息?？晒┓治龅募す饫走_(dá)數(shù)據(jù)是使用便攜式機(jī)載激光系統(tǒng)在符合BioSAR數(shù)據(jù)分析要求的13條飛行線路上收集的。激光雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)收集時使用的是機(jī)載激光雷達(dá)測量儀3100系列的傳感器，要拍攝的數(shù)據(jù)包括四個測量值。裸露的地面?zhèn)骰氐臄?shù)據(jù)是基于一個專有的算法提供的。普通地面數(shù)據(jù)的獲取是采用空間分辨率為1米的普通克里格插值方法。最后采用以模型為基礎(chǔ)的度量計算戰(zhàn)略，這種方法適應(yīng)于直接用地面觀察到的生物量與模型比較來估算生物量。最后創(chuàng)建一個最佳子集的線性回歸方程作為遙感變量的函數(shù)。結(jié)果表明，同時使用高頻雷達(dá)與小尺寸離散回波激光雷達(dá)來估計生物量在估算硬木林和混交林的生物量時使非常有效的。在很多林業(yè)研究中，激光雷達(dá)，無論是掃描或分析，其對生物量的估計比其他傳感器更加準(zhǔn)確，而且激光雷達(dá)已被證明是準(zhǔn)確估計樹冠高度，甚至老年，單特異性森林與頂部優(yōu)勢生長形式的有效工具。在林業(yè)研究中，甚高頻散射機(jī)制主要應(yīng)用于簡單的森林結(jié)構(gòu)，如輕輕傾斜針葉林，而較長波長激光雷達(dá)具有良好的穿透枝葉特性，這又增加了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。利用激光雷達(dá)進(jìn)行氣象研究

激光雷達(dá)是一種非常重要的氣象儀器，它是基于電磁能量會從目標(biāo)反射回來的檢測原理。像雷達(dá)一樣，有關(guān)目標(biāo)的性質(zhì)、距離、角度等數(shù)據(jù)都可以通過光的散射給我們提供出來。其比雷達(dá)更為優(yōu)秀的是它不僅可以在微波區(qū)域進(jìn)行操作，而且可以在可見光、紅外光或更短的區(qū)域進(jìn)行操作。激光雷達(dá)是雷達(dá)在光學(xué)電磁頻譜上的一個延拓。由激光發(fā)射機(jī)生成一個短脈沖的能量再針對一個目標(biāo)發(fā)射出去。目標(biāo)輻射出的散射波由接收光學(xué)系統(tǒng)收集并且集中到一個敏感的探測器上，它將入射光的能量轉(zhuǎn)換成一個電信號，經(jīng)過放大信號處理后再進(jìn)行使用。在斯坦福研究所開發(fā)的第一個比較原始的儀器設(shè)計清楚地表明了激光雷達(dá)的應(yīng)用，如通過雨水或底層的云的結(jié)構(gòu)探測云和霧層的位置，上升限度的高度。激光雷達(dá)回波可以清楚的從低海拔地區(qū)觀察到一個清晰的連續(xù)氣溶膠層，而這對于肉眼來說是不可見。

SRI

Mark

III的激光雷達(dá)，對稀薄的卷云的檢測展示了一個更高的水平。它表明一個很高的峰值功率可以穿透云層，同時形成反射。利用這種現(xiàn)象在不同海波高度觀察時就可以證明幾個不同層的卷云的存在。

雖然用激光雷達(dá)性能優(yōu)越，除了優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)中的參數(shù)之外，許多技術(shù)被利用來改善的激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能。例如激光器的冷卻就是所有激光器必須解決的問題。激光雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率較低或泵浦閾值較低時可以采用空氣制冷，而以更大的激光脈沖能量時必須采用制冷系統(tǒng)來冷卻激光器。利用機(jī)載激光雷達(dá)描繪氣溶膠濃度的二維輪廓

三維激光雷達(dá)系統(tǒng)的改進(jìn)版本已經(jīng)發(fā)展的可以安裝在飛行器上并且具有實時的數(shù)據(jù)分析能力。該系統(tǒng)可以通過光波的反射來描繪在飛機(jī)上方和下方的氣溶膠的二維輪廓。激光雷達(dá)就是這個系統(tǒng)非常重要的一部分，用來描述氣溶膠的光學(xué)特性和時空變化性。

這個激光雷達(dá)系統(tǒng)被配置在國家氣象中心的飛行器上，能夠發(fā)出585納米的光，最大譜線寬度是納米，每個譜線的能量嚴(yán)格相等。激光雷達(dá)上的閃光燈和電容火花驅(qū)動系統(tǒng)每隔微秒產(chǎn)生一個激光脈沖，為了穩(wěn)定器件，所有的激光器腔體組件都被安裝在一個圓形筒內(nèi)。激光器產(chǎn)生的激光通過一個光束引導(dǎo)器件輸出，光束引導(dǎo)器中有一個光束擴(kuò)展器，用來改善輸出光束的準(zhǔn)直使光束與接受器件同軸發(fā)射。安裝在飛機(jī)外部的反射鏡系統(tǒng)引導(dǎo)著出射光和接受光要么向上要么向下，這樣就能描繪出飛機(jī)上下兩側(cè)的氣溶膠濃度的二維輪廓圖。目前在激光雷達(dá)系統(tǒng)上配置的接收器是一個直徑20厘米、1/4焦距的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡。接收光學(xué)系統(tǒng)的檢測器是一個EMI9658光電倍增管。

這個系統(tǒng)如果在夜間進(jìn)行地面操作的話，可以觀察到23公里高度的數(shù)據(jù)。計算結(jié)果還表明，在與窄帶帶通濾波器和小接受角的接收器聯(lián)合使用，我們的激光雷達(dá)裝置在白天操作效果也和夜晚同樣好。同樣用于探測飛機(jī)上下方向的氣溶膠濃度的二維輪廓，與閃光燈泵浦燃料激光器相比這個機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)極大地減輕了系統(tǒng)的重量并且降低了它的功耗。

通過激光雷達(dá)平流層臭氧層的監(jiān)測激光的特性，比如它的強脈沖能量，低發(fā)散度和高頻譜純度，使這種光源非常適合遠(yuǎn)程遙感。用于測定氣體中微量成分的是差分式激光雷達(dá)，它先發(fā)射兩束激光，再利用氣體對著兩束激光的吸收系數(shù)不同的原理來完成測量。對于幾千米高空的空氣微量成分的數(shù)據(jù)也常使用差分式激光雷達(dá)，它的測量范圍完全可以得到蒸汽層和臭氧層的垂直剖面。文章主要介紹了搭建一個監(jiān)視50千米高空臭氧層的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的搭建對于建立模型來預(yù)測由于人為釋放氟氯甲烷而造成的臭氧損耗是具有特殊意義的。

這個系統(tǒng)采用單脈沖能量為150mJ、頻率為100HZ的商業(yè)激光器作為發(fā)射器，發(fā)射的波長為308納米。激光雷達(dá)的參考波長是通過刺激高壓氣體電池發(fā)生拉曼散射產(chǎn)生的。由此產(chǎn)生的兩個拉曼位移波長都不容易被臭氧層吸收。通過拉曼方案即簡化了設(shè)備和調(diào)整程序、確保了較高的脈沖能量又允許兩個波長的光可以同時發(fā)射到同一視場。為了避免光電倍增管由于低海拔信號的反射而達(dá)到飽和，要確保接收器和發(fā)射器至少相隔1米。由于視場的完全重疊發(fā)生在20千米以上的高空，為了能在低海拔區(qū)域也能監(jiān)視，因而安裝了單基站。最后將整套設(shè)備安裝在一個小容器里用飛機(jī)運到山頂，這樣就避免了激光信號會被氣溶膠層所衰減。

為了檢測臭氧層輪廓的長期變化趨勢，并且克服對臭氧層的自然變化，長時間的精確的調(diào)查是必需的。激光雷達(dá)技術(shù)非常適合于這個目的。檢測40千米高空臭氧層的減少量極大地證實了當(dāng)前這個激光雷達(dá)系統(tǒng)模型的有效性。三、激光雷達(dá)的應(yīng)用前景軍事領(lǐng)域方面的應(yīng)用LiDAR技術(shù)在軍事領(lǐng)域的主要用途是用于測量導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦艇、坦克，甚至炮彈的運動軌跡，起測量精度很高，足以保證這些武器裝備性能的充分發(fā)揮。國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面的應(yīng)用LiDAR技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中如農(nóng)業(yè)、水利電力設(shè)計、國土資源調(diào)查、城市規(guī)劃、公路鐵路設(shè)計、交通旅游與氣象環(huán)境調(diào)查等各大領(lǐng)域中可以得到廣泛應(yīng)用。1.林業(yè)項目。根據(jù)LiDAR系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)，分析森林樹木的覆蓋率及覆蓋面積，進(jìn)一步了解樹木的疏密程度，包括年幼樹木覆蓋面積和年長樹木的覆蓋面積，便于人們在茂盛森林中進(jìn)行適當(dāng)?shù)乜撤?，在林木稀疏或無植被區(qū)域進(jìn)行樹木種植。另外，通過LiDAR數(shù)據(jù)可以概算出樹木的種類、平均高度和森林占地面積，及木材的數(shù)量，便于相關(guān)主管部門進(jìn)行宏觀調(diào)控。2.水利項目。LiDAR技術(shù)應(yīng)用于河流監(jiān)控和治理，有著極其重大的意義。通過LiDAR數(shù)據(jù)生成的DEM高程值可以用不同顏色表示，所以水利部門可以按某一高程值預(yù)設(shè)一顏色值渲