激光雷达技术及其应用
第 28卷第 5期
200910月 年 河南理 下大学学报 (自然科学版 ) Vol・28 No.5
Oct-2009 JOURNAL OF HENAN POI YTECHNIC UNIVERSITY (NATURAl SCIENCE)
激光雷达技术及其应用
陈 利 ,贾 友 ,张 尔严
(陕西天润科技有限责任公司 ,两安 710054) 摘 要 :根据 激光 雷达 (LiDAR)的测 距原理及 中心投 影共 线条件 方程 式 ,建立 了激光 雷达测
量系统的几何模型及其精度评价模型,对激光雷达在军事、气象、地质 、环境与测绘等领域
的应 用以及 激 光雷达未 来的发展趋 势作 了详细介 绍.
关 键 词 :激 光雷达 ;共线 方程 ;几何模 型 ;应用
中图分 类号 :P627 文献标识 码 :A 文章编 号 :1673—9787 (2009)05—0583—04
LiDAR technology and its application
CHEN Li,jIA You,ZHANG Er—yan
(Shanxi Tian—rⅡn Science and Technology lnc,Xian 7 10054,Chin
a)
Abstract: Firstly this paper establishes the geometrical model and the model of estimating precision based on
collinear equation.Then the development and application of Lidar in military,weather,environment and espe— cially in measure are introduled. Lastly the development direction of Lidar is predicted.
Key words: LiDAR: collinear equation; geometrical model; application
O 引 言
20世纪 60年代初出现了以测距为主要功能的激光雷达 (LiDAR),它以高角分辨率 、高速度分
辨率、高距离分辨率、强抗干扰能力、良好的隐蔽性,以及 出色的全天候工作能力在很多领域尤其是
军事领域中得到了广泛的应用I ].LiDAR技术 (Light Detection And Ranging)也称机载激光雷达 ,它
是 一种安装 在飞机 上的机载 激光 系统 ,通 过量 测 地 面的 三维 坐标 ,生 成 LiDAR数 据影 像 ,经 过相 关 软件处理 后 ,可 以生成地面 的 DEM 模 型 、等值 线 图及 DOM 正 射影像 图 .LiDAR 系统通 过扫 描装 置 , 沿航线采集地面点三维数据 ;系统可 自动调节航带宽度 ,使其与航摄宽度精确匹配,在不同的实地条
件下,平面精度可达 0.1 Ill,采样间隔为2~12 m.LiDAR是集激光技术 、光学技术和微弱信号技术
于一体而发展起来的一种现代化光学遥感手段,它使用激光作为探测波段 ,波长较短而且是单色相干
光 ,凶而呈现出极 高的分辨本领和抗干扰能力,为其在各方面的应用奠定了重要基础.LiDAR探测技 术不仅可以获得 目标地物表面的反射能量的大小 ,同时还可获取 目标反射波谱的幅度 、频率和相位等 信 息 ,用于 测速和识 别移动 目标 ,在环境 、生态 、通信 、航 天等方 面有着广 泛 的应 用.本 文重点介 绍
LiDAR的技 术现状 和应用领 域.
1 激光雷达的发展过程
第 1代 激光雷达 于 1967年 由美 国国际 电话 和电 报公 司研 制 ,用于 开 发航 天 飞行器 交 会对 接用 的
收稿 日期 :2009—08一l2
作者简介 :陈利,(1967一),男,陕西西安人 ,高级工程师 ,长期从事空间数据生产与地理息 系统开发工作
E—mail:trkj@rip.sina conl
584 河南理工大学学报 (自然科学版)
2009年第 28卷 激光雷达 ,1978年 NASA/MFSC研制出了用于同一 目的的 C02干涉激光雷达 -7 .1976年用于研
究地球科学的星载激光雷达一经问世就得到重视,NASA和 NOAA委托美国无线电公司和帕新 一爱而
莫公 司开 发用 于测 量全 球对 流层风 场 的 C02相 干激 光 雷达 I9]. 1988年 NASA研制 出激 光大 气 风探 测器 ,空间分辨率达到 1000m左右 ,利用不 同高度背 向散射测量水平风场¨ „.2O世纪 90年代 , 由于全固体激光技术和二极管泵浦全固态技术的发展 ,较好地解决了制约星载激光雷达的寿命问题 ,
开辟 了高精度绘图、远程测距、环境监测、测云 、测地被、测 目标和非相干测风等应用邻域 ,发展了
基于 DPSS技术的差分吸收激光雷达、拉曼散射激光雷达 、非相干多普勒激光雷达和生物激光雷达
等 ,显示出巨大的经济效益和军事价值.
2 激光测量 系统 的几何模 型
尺= ,
(]A 耋 ] ,+[]
al= cos ̄ocos K — sin ̄psin rosin K, a2 = cos ̄psin ,c— sin ̄psin o.cos K, a3 = 一 sin ̄pcos∞;
可以通过 DGPS动态测定 中心发射中心坐标 ,INS测得姿态参数 ,这样就可 以计算 出旋转矩阵
通过对中误差的分析可知 ,不同点的定位精度是不同的 ,定位精度随 角的增加而减少,且 s增
大时 ,精度降低.实际过程中,通常可设定一些参数为定值 ,这样可以减少测量和简化计算过程.
第 5期 陈利,等 :激光雷 达技术及其应用 585
3 激光雷达的主要应用
由于激 光雷达 特有 的优 势 ,在 国 民经 济建设 中如农林 业 、军事侦 察 、水 利电力勘 查设计 、道路设 计 、国土资源与气 象环境调 查 、国家基础 测绘 、城市规 划 、煤 矿 区地 质环境 动态监测 等各大 领域 中已 经得到 了广泛 的应用 .
3.1 激 光雷达在 军事方 面的应 用
主动式激光雷达用于军事成像侦察有显著的优越性 ,它不仅可以获取 目标及周围地 区清晰的图
像 ,而且还 可以获得运 动物体 的速度 和方 向,某些波 段的激 光雷达还 能够 侦察隐蔽 目标 .在 军事应 用 方面 ,激光雷 达主要有 以下应用 :
(1)用于巡航导弹的研制和导航.美 国休斯公司、通用动力公 司和麦.道公 司联合为巡航导弹
生产 激光雷 达 、制导 系统 、地 形匹配 系统 .他们 宣称 :“激 光雷达 能改 善现有 和未来 的巡 航导 弹 的 目 标 瞄准功能 ”,从而大 大提高 巡航导 弹的生存 能 力 .
(2)用于测距.它能提供不同目标的特征信息 ,从而区分大到车辆,小到人员的各种 目标 、尺
寸 ;能对 目标 成像 ,且分辨 率很高 ;能给机 载武器 发射 系统 提供 目标距离 ,并选择 目标 的瞄准点 . (3)用 于低飞 目标 的跟踪 测量.美 国夕尔 凡 尼亚公 司研 制 的车 载 “精 密 跟踪 系统 ” 其 测 距精 度
可达 0.1 m.对提高导弹超低空飞行能力和命中精度 、飞机着陆系统校准 、导航卫星定位校准等都发
挥特 殊的作 用„ .
在军事上,激光雷达还可用于 目标飞行器的测量,为舰艇提供海面信息 、跟踪和监测化学武器污
染及 云 团情 况 ,保卫 有生力 量.
3.2 激光雷 达在大 气环境监 测方面 的应用
(1)大气污染物分布监测.低空 中存在的大量气溶胶是造成大气污染的主要因素,激光雷达发
lJ的激光与 这些粒子 作用时会 发生米 氏散射 ,米 氏散 射激光 雷达根 据这一性 质完 成气溶胶 浓度 、空间 分 布及能见 度的测定 .
(2)大气成分观测.差分吸收激光雷达的主要作用是大气成分的测定.其测量原理是使激光雷
达发射出两种不等波长的光 ,其中一个波长调制到与待测物质的吸收波段 内,另一波长调制到吸收系
数小的边翼 ,然后以高重复频率将这两种波长交替发射到大气中,通过分析两者波长的回波信号便可
得 到待测对 象 的浓度 分布 ,从 而达 到测量 目的” . (3)气象要素的观测.在大气环境污染观测 中有关风速 、气温、湿度等气象要素是不可缺少的 重要 参数. 近年来利 用拉曼散 射与温 度关系研 制 出的 拉曼散 射 激光 雷达 ,已得 到广 泛 的应用 .此外 ,
利用 多普勒激 光雷达 也可 以测 量风速 .
3.3 激 光雷达在 测绘 中的应用
激光雷达系统结合其他定位技术可进行大范围 DEM 的高精度实时获取,直接获取真实地表的高
精度 三维信 息 ,用于 城市道路 、堤坝 、隧道 等复杂 目标 的实 时监测 与模型化 ,是建立 三维城 市 GIS的
关键 技术. 固定小型 系统可进 行人体 、各种模 具 的三 维实时 监测 ,而且还 可以用 于工程开挖 与堆积 物 容积 的快速测 定 、智 能交通 系统的管理 、城市 发展调 查与规 划设计 等.
目前 国际上许多公 司 、研究 机构 已投入大 量的人 力和 财力 进行 激光 雷 达相关 技 术 与系 统 的研究 . 加拿大卡尔加里大学 1998年进行了机载激光扫描系统 的集成与实验 ,通过对激光扫描仪与 GPS、数
据通讯设备的集成,组成了一个机载激光扫描三维数据实时获取系统 ,并进行了一定规模的实验 ,取
得了良好的效果 .荷兰测量部 门自 1988年就开始从事使用激光扫描技术获取地形信 息方面的研
究 ,美 国 、法 国和 中国的一些 大学机构 正在积极 进行 这方面 的研究工 作.
2003年 1月 l3日,美 国宇航 局 (NASA) 成功发 射 了 “激光高 度计试 验卫 星 ” (ICESat)” .这
是一颗试验型激光高度计卫星 ,装载一台地球科学激光高度计系统 (GLAS).GLAS是新型的星载激
间隔为 170 m,其高程精度可望达到米级,能精确测量冰面特征、冰层厚度,可制作较大比例尺的冰 盖拓扑图.GLAS进行陆地高程测量比较直观,不需要进行像对配准,地面处理也较简单,测量精度 光高度计 ,其工作方式是 :脉冲波、非多普勒 、非相干和点光束.激光斑点对应实地大小 为 70 m,