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(hào)：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(jì)，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(hào)27學(xué)院光電學(xué)院2015年2月28日摘要：激光雷達(dá)無(wú)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(diǎn)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(cè)信號(hào)，然后將其接收到的同波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)相比較，從而獲得目標(biāo)的位置(距離、方位和高度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、姿態(tài))等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和識(shí)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(dòng)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(tái)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(chǎng)測(cè)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(shí)，激光雷達(dá)既可單獨(dú)使用，也能夠同微波雷達(dá)，可見(jiàn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)器，作用距離較遠(yuǎn)，探測(cè)體制上同掃描成像的單元探測(cè)有所不同，能夠減小設(shè)備的體積、重量，但在我國(guó)多元傳感器，尤其是面陣探測(cè)器很難獲得，因此國(guó)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(chǎng)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(duì)入射光的偏轉(zhuǎn)實(shí)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(jí)。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(shí)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(gè)新興的重要分支，它是建立在衍射理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)正透鏡后開始聚焦，然后通過(guò)負(fù)透鏡后變?yōu)闇?zhǔn)直光。當(dāng)正負(fù)透鏡陣列橫向相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，準(zhǔn)直光方向就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這種透鏡陣列只需要很小的相對(duì)移動(dòng)輸出光束就會(huì)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(duì)移動(dòng)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(diǎn)是掃描角度較小(幾度)，透過(guò)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(lì)方式主要有電注入式、光泵式和高能電子束激勵(lì)式。絕大多數(shù)半導(dǎo)體激光器的激勵(lì)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(shuō)是個(gè)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(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的研究，半導(dǎo)體激光器得到了驚人的發(fā)展，它的波長(zhǎng)從紅外到藍(lán)綠光，覆蓋范圍逐漸擴(kuò)大，各項(xiàng)性能參數(shù)不斷提高，輸出功率由幾毫瓦提高到千瓦級(jí)(陣列器件)。在某些重要的應(yīng)用領(lǐng)域，過(guò)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(diǎn)，具有體積小、重量輕、量子效率高的特點(diǎn)。通過(guò)泵浦激光T作物質(zhì)，輸出光束質(zhì)量好、時(shí)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(diǎn)，與氙燈泵浦同體激光器相比具有泵浦效率高、T作壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。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(wèn)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(zhǎng)最豐富、應(yīng)用最廣的一種激光器。其特點(diǎn)是激光輸出波長(zhǎng)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(jì)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(cè)器和回波檢測(cè)處理電路等組成，其功能是完成信號(hào)能量匯聚、濾波、光電轉(zhuǎn)變、放大和檢測(cè)等功能。對(duì)激光雷達(dá)接收單元設(shè)計(jì)的基本要求是：高接收靈敏度、高回波探測(cè)概率和低的虛警率。在工程應(yīng)用中，為提高激光測(cè)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(cè)方式和光電探測(cè)器。探測(cè)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(cè)器的選擇和合理使用是激光接收機(jī)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。目前，用于激光探測(cè)的探測(cè)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(diǎn)，往往是工程應(yīng)用中的首選探測(cè)器件。激光雷達(dá)的回波信號(hào)電路主要包括放大電路和閾值檢測(cè)電路。放大電路的設(shè)計(jì)要與回波信號(hào)的波形相匹配，對(duì)于不同的回波信號(hào)(如脈沖信號(hào)、連續(xù)波信號(hào)、準(zhǔn)連續(xù)信號(hào)或調(diào)頻信號(hào)等)，接收機(jī)要有與之相匹配的帶寬和增益。如對(duì)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(shí)還要采用時(shí)問(wèn)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(jì)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(cè)電路是一個(gè)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(guò)閾值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但存在兩個(gè)主要缺點(diǎn)。首先，只要有一個(gè)脈沖幅值首先超越閡值，檢測(cè)電路就會(huì)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(huì)引起到達(dá)時(shí)間的誤差，從而導(dǎo)致測(cè)距誤差。在高精度激光測(cè)距機(jī)中，通常采用峰值采樣保持電路和恒比定時(shí)電路來(lái)減小測(cè)時(shí)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(duì)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、激光器、掃描機(jī)構(gòu)及各信號(hào)處理電路的同步協(xié)調(diào)與控制，又要對(duì)接收機(jī)送出的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取目標(biāo)的距離信息，對(duì)于成像激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)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(jì)采用主要采用大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)完成。其中測(cè)距單元可利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在高精度激光雷達(dá)中還需采用精密測(cè)時(shí)技術(shù)。對(duì)于成像激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，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)?；夭ㄐ盘?hào)的幅度量化采用模擬延時(shí)線和高速運(yùn)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(jì)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(diǎn)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(guò)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(guò)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(shì)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(duì)影像外方位元素通過(guò)尋找同名像點(diǎn)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(shí)的城市面貌對(duì)三維建筑模型進(jìn)行紋理貼圖。紋理粘貼的方法常見(jiàn)的有手動(dòng)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(duì)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(shí)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(duì)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(cè)中的應(yīng)用

激光雷達(dá)由于探測(cè)波長(zhǎng)短、波束定向性強(qiáng)，能量密度高，因此具有高空間分辨率、高的探測(cè)靈敏度、能分辨被探測(cè)物種和不存在探測(cè)盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前對(duì)大氣進(jìn)行高精度遙感探測(cè)的有效手段。利用激光雷達(dá)可以探測(cè)氣溶膠、云粒子的分布、大氣成分和風(fēng)場(chǎng)的垂直廓線，對(duì)主要污染源可以進(jìn)行有效監(jiān)控。對(duì)大氣污染物分布的觀測(cè)。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(shí)會(huì)發(fā)生散射，而且入射光波長(zhǎng)與漂浮粒子的尺度為同一數(shù)量級(jí)，散射系數(shù)與波長(zhǎng)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(jiàn)度的測(cè)定。差分激光雷達(dá)主要用于大氣成分的測(cè)定。差分激光雷達(dá)的測(cè)試原理是使用激光雷達(dá)發(fā)出兩種不等的光，其中一個(gè)波長(zhǎng)調(diào)到待測(cè)物體的吸收線，而另一波長(zhǎng)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(zhǎng)的光交替發(fā)射到大氣中，此時(shí)激光雷達(dá)所測(cè)到的這兩種波長(zhǎng)光信號(hào)衰減差是待測(cè)對(duì)象的吸收所致，通過(guò)分析便可得到待測(cè)對(duì)象的濃度分布。在大氣中間層金屬蒸氣層的觀測(cè)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(dòng)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(hào)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(dú)有的特性。激光雷達(dá)在空間交會(huì)對(duì)接中的應(yīng)用

交會(huì)對(duì)接范圍為100km—1m，在實(shí)際的空間對(duì)接中，當(dāng)距離大于100km時(shí)，航天員可以通過(guò)機(jī)載微博交會(huì)雷達(dá)和潛望鏡獲得兩個(gè)航天器之間的相對(duì)位置。隨著兩航天器的逼近，當(dāng)相對(duì)距離小于100m時(shí)，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(cè)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(diǎn)，激光雷達(dá)能在交會(huì)階段直到對(duì)接的整個(gè)過(guò)程中提供高精度的相對(duì)距離、速度、角度和角速度的精確測(cè)量，因此它既能用于目前的自動(dòng)尋的、接近和最后的手動(dòng)逼近操作過(guò)程，又能為未來(lái)無(wú)人交會(huì)對(duì)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(hào)處理、掃描跟蹤機(jī)構(gòu)、目標(biāo)反射器和檢測(cè)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(duì)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(gè)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(shí)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(cè)和數(shù)據(jù)處理。激光雷達(dá)的測(cè)距、測(cè)度、和測(cè)角原理與微波雷達(dá)基本相同。因此用于空間交會(huì)對(duì)接的激光雷達(dá)包含連續(xù)波測(cè)距器和位置敏感器兩個(gè)部分。這兩個(gè)部分通過(guò)公用光學(xué)裝置混合起來(lái)。激光雷達(dá)

比較可靠和精確的測(cè)速方法是測(cè)量回波信號(hào)的多普勒頻移。激光雷達(dá)對(duì)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(dòng)逼近和對(duì)接階段，此時(shí)主要用來(lái)測(cè)量相對(duì)姿態(tài)。激光測(cè)距技術(shù)比較成熟，但是激光測(cè)量姿態(tài)角是一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。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(cè)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(cè)已經(jīng)成為可能。激光器的工作波長(zhǎng)范圍廣，單色性好，而且激光是定向輻射，具有準(zhǔn)直性，測(cè)量靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)，大氣中塵埃微粒和各種氣體分子對(duì)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(guò)程中所產(chǎn)生的背向散射光譜，以達(dá)到探測(cè)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(cè)氣體分子含量時(shí)一般都采用各種可調(diào)諧激光器激光雷達(dá)探測(cè)氣體的探測(cè)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(cè)的距離和被測(cè)氣體分子的吸收截面是影響探鍘?kù)`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(cè)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(zhǎng)，氣體分子對(duì)激光光束的吸收衰減也越強(qiáng)烈，從而使探測(cè)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(dòng)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(cè)精度。因此探測(cè)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(jì)溫帶闊葉林的生物量估計(jì)，一種方法是單獨(dú)使用高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)確定，另一種是同時(shí)使用高頻雷達(dá)與小尺寸離散回波激光雷達(dá)來(lái)估計(jì)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(gè)觀測(cè)點(diǎn)被用來(lái)作為獨(dú)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(guó)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(guò)收集反射回來(lái)的信號(hào)來(lái)確定探測(cè)物體的信息。可供分析的激光雷達(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(shí)使用的是機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量?jī)x3100系列的傳感器，要拍攝的數(shù)據(jù)包括四個(gè)測(cè)量值。裸露的地面?zhèn)骰氐臄?shù)據(jù)是基于一個(gè)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(jì)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(lái)估算生物量。最后創(chuàng)建一個(gè)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(shí)使用高頻雷達(dá)與小尺寸離散回波激光雷達(dá)來(lái)估計(jì)生物量在估算硬木林和混交林的生物量時(shí)使非常有效的。在很多林業(yè)研究中，激光雷達(dá)，無(wú)論是掃描或分析，其對(duì)生物量的估計(jì)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(jì)樹冠高度，甚至老年，單特異性森林與頂部?jī)?yōu)勢(shì)生長(zhǎng)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(jiǎn)單的森林結(jié)構(gòu)，如輕輕傾斜針葉林，而較長(zhǎng)波長(zhǎng)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(huì)從目標(biāo)反射回來(lái)的檢測(cè)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(guò)光的散射給我們提供出來(lái)。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(jiàn)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(gè)延拓。由激光發(fā)射機(jī)生成一個(gè)短脈沖的能量再針對(duì)一個(gè)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(gè)敏感的探測(cè)器上，它將入射光的能量轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大信號(hào)處理后再進(jìn)行使用。在斯坦福研究所開發(fā)的第一個(gè)比較原始的儀器設(shè)計(jì)清楚地表明了激光雷達(dá)的應(yīng)用，如通過(guò)雨水或底層的云的結(jié)構(gòu)探測(cè)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(gè)清晰的連續(xù)氣溶膠層，而這對(duì)于肉眼來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)。

SRI

Mark

III的激光雷達(dá)，對(duì)稀薄的卷云的檢測(cè)展示了一個(gè)更高的水平。它表明一個(gè)很高的峰值功率可以穿透云層，同時(shí)形成反射。利用這種現(xiàn)象在不同海波高度觀察時(shí)就可以證明幾個(gè)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(jì)系統(tǒng)中的參數(shù)之外，許多技術(shù)被利用來(lái)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(wèn)題。激光雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率較低或泵浦閾值較低時(shí)可以采用空氣制冷，而以更大的激光脈沖能量時(shí)必須采用制冷系統(tǒng)來(lái)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(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析能力。該系統(tǒng)可以通過(guò)光波的反射來(lái)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(gè)系統(tǒng)非常重要的一部分，用來(lái)描述氣溶膠的光學(xué)特性和時(shí)空變化性。

這個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)被配置在國(guó)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)每隔微秒產(chǎn)生一個(gè)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(gè)圓形筒內(nèi)。激光器產(chǎn)生的激光通過(guò)一個(gè)光束引導(dǎo)器件輸出，光束引導(dǎo)器中有一個(gè)光束擴(kuò)展器，用來(lái)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(gè)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(cè)器是一個(gè)EMI9658光電倍增管。

這個(gè)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(jì)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(cè)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(gè)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(guò)激光雷達(dá)平流層臭氧層的監(jiān)測(cè)激光的特性，比如它的強(qiáng)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(cè)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(duì)著兩束激光的吸收系數(shù)不同的原理來(lái)完成測(cè)量。對(duì)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(cè)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(gè)監(jiān)視50千米高空臭氧層的系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的搭建對(duì)于建立模型來(lái)預(yù)測(cè)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(gè)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(zhǎng)為308納米。激光雷達(dá)的參考波長(zhǎng)是通過(guò)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(gè)拉曼位移波長(zhǎng)都不容易被臭氧層吸收。通過(guò)拉曼方案即簡(jiǎn)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(gè)波長(zhǎng)的光可以同時(shí)發(fā)射到同一視場(chǎng)。為了避免光電倍增管由于低海拔信號(hào)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(chǎng)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(gè)小容器里用飛機(jī)運(yùn)到山頂，這樣就避免了激光信號(hào)會(huì)被氣溶膠層所衰減。

為了檢測(cè)臭氧層輪廓的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，并且克服對(duì)臭氧層的自然變化，長(zhǎng)時(shí)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(gè)目的。檢測(cè)40千米高空臭氧層的減少量極大地證實(shí)了當(dāng)前這個(gè)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(cè)量導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦艇、坦克，甚至炮彈的運(yùn)動(dòng)軌跡，起測(cè)量精度很高，足以保證這些武器裝備性能的充分發(fā)揮。國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)方面的應(yīng)用LiDAR技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中如農(nóng)業(yè)、水利電力設(shè)計(jì)、國(guó)土資源調(diào)查、城市規(guī)劃、公路鐵路設(shè)計(jì)、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(xiàng)目。根據(jù)LiDAR系統(tǒng)測(cè)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(zhǎng)樹木的覆蓋面積，便于人們?cè)诿⑸种羞M(jìn)行適當(dāng)?shù)乜撤?，在林木稀疏或無(wú)植被區(qū)域進(jìn)行樹木種植。另外，通過(guò)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(xiàng)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(guò)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