激光雷達(dá)LIDAR課件

LiDAR？？？LiDAR出現(xiàn)的歷史條件：1839年由Daguerre和Niepce拍攝第一張相片以來，利用相片制作相片平面圖(X、Y)技術(shù)一直沿用至今。1901年荷蘭人Fourcade發(fā)明了攝影測(cè)量的立體觀測(cè)技術(shù)，使得從二維相片可以獲取地面三維數(shù)據(jù)(X、Y、Z)成為可能。1970年由美國(guó)航天局研發(fā)，LIDAR測(cè)繪技術(shù)空載激光掃瞄技術(shù)開始了發(fā)展，并且速度飛快，約在1995年開始商業(yè)化。LiDAR出現(xiàn)的歷史條件：

自從攝影測(cè)量誕生一百多年以來，它一直是大面積獲取地面三維數(shù)據(jù)最精確和最可靠的技術(shù)，并且是國(guó)家基本比例尺地形圖測(cè)繪的重要技術(shù)。

但攝影測(cè)量技術(shù)主要存在著以下缺陷和不足：1、自動(dòng)化程度不是很高2、在森林、沙漠或者沿海灘涂地區(qū)，影像的紋理及對(duì)比度比較弱，會(huì)嚴(yán)重影響影響匹配精度，甚至造成無法作業(yè)。

LiDAR的定義

機(jī)載LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，又稱機(jī)載雷達(dá)，是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。激光測(cè)距技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)POS系統(tǒng)（IMU/DGPS）LiDARLiDAR的工作原理——POS系統(tǒng)：DGPS：機(jī)載LiDAR采用動(dòng)態(tài)載波相位差分GPS系統(tǒng)。手段：利用安裝了電機(jī)上與LiDAR相連接的和設(shè)在一個(gè)或多個(gè)基準(zhǔn)站的至少兩臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)同步而連續(xù)地觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)、同時(shí)記錄瞬間激光和數(shù)碼相機(jī)開啟脈沖的時(shí)間標(biāo)記，再進(jìn)行載波相位測(cè)量差分定位技術(shù)的離線數(shù)據(jù)后處理。目的：獲取LiDAR的三維坐標(biāo)。LiDAR的工作原理——POS系統(tǒng)：IMU：慣性測(cè)量裝置(RpIMU-InertialMeasurementUnit)手段：IMU有姿態(tài)量測(cè)功能，具有完全自主、無信號(hào)傳播、既能定位、測(cè)速，又可快速量測(cè)傳感器瞬間的移動(dòng)，輸出姿態(tài)信息等優(yōu)點(diǎn)，但主要缺點(diǎn)是誤差隨時(shí)間迅速積累增長(zhǎng)。目的：獲取機(jī)載LiDAR的姿態(tài)信息，即滾動(dòng)、俯仰和航偏角。LiDAR的工作原理——激光掃描儀：激光掃描儀是LiDAR的核心，一般由激光發(fā)射器、接收器、時(shí)間間隔測(cè)量裝置、傳動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)和軟件組成。LiDAR的工作原理——激光掃描儀：（三維）激光掃描儀基本工作原理是：

線激光器發(fā)出的光平面掃描物體表面，面陣CCD采集被測(cè)物面上激光掃描線的漫反射圖像，在計(jì)算機(jī)中對(duì)激光掃描線圖像進(jìn)行處理，依據(jù)空間物點(diǎn)與CCD面陣像素的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算物體的景深信息，得到物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，快速建立原型樣件的三維模型。主要參數(shù)有：①波長(zhǎng)、②脈沖重復(fù)頻率、③功率、④光斑尺寸：⑤掃描方式。LiDAR的工作原理——數(shù)碼相機(jī)：LiDAR直接獲得點(diǎn)位三維坐標(biāo)的功能提供了傳統(tǒng)二維數(shù)據(jù)缺乏的高度信息，卻忽略了對(duì)象特征的其它信息，如光譜信息。而圖像數(shù)據(jù)包含光譜信息對(duì)認(rèn)識(shí)物體也具有重要的作用。

因而，利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)獲取地面的地物地貌真彩或紅外數(shù)字影像信息，以彌補(bǔ)LiDAR的不足，以達(dá)到對(duì)生成DEM產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)；或作為一種數(shù)據(jù)源，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類識(shí)別；或作為紋理數(shù)據(jù)源。LiDAR的工作原理——數(shù)據(jù)處理：

由于LiDAB產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常巨大，現(xiàn)有的測(cè)量軟件很難適應(yīng)處理如此大量的數(shù)據(jù)，因此，需要特殊的專業(yè)軟件來處理。

目前處理此類數(shù)據(jù)主要是在微軟的Windows2000TM和MicrostationSE／JTM平臺(tái)下用芬蘭Terrasolid公司小品的，TerraModelerTM、TerraScanTM和TerraPhotoTM軟件進(jìn)行處理三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。LiDAR的分類：按不同功能:①跟蹤雷達(dá)（測(cè)距和測(cè)角）;②測(cè)速雷達(dá)（測(cè)量多普勒信息）;③動(dòng)目標(biāo)指示雷達(dá)（目標(biāo)的多普勒信息）;④成像雷達(dá)（測(cè)量目標(biāo)不同部位的反射強(qiáng)度和距離等信號(hào)）;⑤差分吸收雷達(dá)（目標(biāo)介質(zhì)對(duì)特定頻率光的吸收強(qiáng)度）等。LiDAR的應(yīng)用前景：偵察用成像激光雷達(dá)障礙回避激光雷達(dá)大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)制導(dǎo)激光雷達(dá)化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)水下探測(cè)激光雷達(dá)空間監(jiān)視激光雷達(dá)機(jī)器人三維視覺系統(tǒng)其他軍用激光雷達(dá)彈道導(dǎo)彈防御激光雷達(dá)靶場(chǎng)測(cè)量激光雷達(dá)振動(dòng)遙測(cè)激光雷達(dá)多光譜激光雷達(dá)CMAG研究計(jì)劃：1977年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局和美國(guó)空軍航空系統(tǒng)部開展了“巡航導(dǎo)彈先進(jìn)制導(dǎo)技術(shù)”（CMAG）的預(yù)研計(jì)劃。

ATLAS研究計(jì)劃：在CMAG計(jì)劃基礎(chǔ)上，90年代初美國(guó)空軍和海軍制定了“先進(jìn)技術(shù)激光雷達(dá)導(dǎo)引頭”（ATLAS）的研究計(jì)劃。1991年11月，美國(guó)通用動(dòng)力公司和休斯公司研制成ATLAS’CO2成像激光雷達(dá)制導(dǎo)系統(tǒng)。1993年吊掛在美國(guó)空軍的F-15飛機(jī)上進(jìn)行了第二階段的高速飛行試驗(yàn),獲得高分辨率的彩色編碼三維距離圖像，很好地滿足了航路導(dǎo)引和末段制導(dǎo)的要求。美國(guó)海軍“輻射亡命徒”先期技術(shù)演示計(jì)劃：1992年,采用CO2激光成像雷達(dá)遠(yuǎn)距離非合作識(shí)別空中和地面目標(biāo)。美國(guó)雷錫昂公司研制的ILR100激光雷達(dá)洛克希德·馬丁·沃爾特公司的低成本自主攻擊系統(tǒng)Jigsaw計(jì)劃：2000~2003年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)實(shí)施了高精度激光3D成像雷達(dá)研究計(jì)劃（即Jigsaw計(jì)劃）。直升機(jī)障礙回避激光成像雷達(dá)：用于探測(cè)電話線、動(dòng)力線之類的障礙，該系統(tǒng)安裝在UH-1H直升機(jī)上。直升機(jī)障礙回避激光成像雷達(dá)2003年6月Jigsaw系統(tǒng)裝在UH-1直升機(jī)上進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)

飛行實(shí)驗(yàn)中獲取的坦克目標(biāo)的偽彩色3D激光雷達(dá)圖像處理過程顯示LiDAR應(yīng)用舉例：（二）CLAWS相干激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)

2μm相干激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)1990年美國(guó)相干技術(shù)公司(CTI)研制出世界上第一臺(tái)2m相干激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)TODWL(TwinOtterDopplerWindLidar)GWOLF(GroundbasedwindObservingLidarFacility)VALIDAR(ValidationLIDAR)WinTraceJEM-CDL(JapaneseExperimentModule-ChherentDopplerLidar)LiDAR的在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)：

激光技術(shù)從它的問世到現(xiàn)在，雖然時(shí)間不長(zhǎng),但是由于它有:高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等幾個(gè)極有價(jià)值的特點(diǎn)，因而在國(guó)防軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生和科學(xué)研究等方面都有廣泛的應(yīng)用。軍事方面的應(yīng)用：目前，在水雷探測(cè)激光雷達(dá)、化學(xué)試劑探測(cè)激光雷達(dá)、大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)、生化陸戰(zhàn)激光雷達(dá)[1]等方面已經(jīng)有了很大的成就。氣象方面的應(yīng)用：我國(guó)已經(jīng)建立12個(gè)沙塵暴長(zhǎng)期觀測(cè)站，首次形成全國(guó)性的沙塵暴監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。測(cè)風(fēng)方面的應(yīng)用：多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)具有高分辨率、高精度、大探測(cè)范圍、能提供晴空條件下三維風(fēng)場(chǎng)信息的能力。水土保持監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用：目前，全國(guó)由于建設(shè)開