激光雷达的探测技术介绍 机载激光雷达发展历程

激光雷达（LIDAR）是一种利用激光技术进行距离测量和成像的传感器设备。其工作原理是通过发射脉冲激光束，然后测量激光束与目标物体之间的反射时间，从而得出目标物体到激光雷达的准确距离。激光雷达可以提供高精度和高分辨率的三维空间数据，用于环境感知、地图建模、目标识别与跟踪等应用。

激光雷达主要由以下几个组成部分构成：

激光发射器：用于产生并发射脉冲激光束的装置，通常是通过激光二极管或激光器件来实现。

接收器：用于接收目标物体反射回来的激光信号，并将其转换为电信号。

光电探测器：用于检测和测量激光信号的特性，如强度、反射时间等。

控制器：用于控制激光雷达的工作模式、参数设置和数据处理。

旋转镜或扫描器：有些激光雷达使用旋转镜或扫描器来改变激光束的方向，以实现全方位的三维扫描。

激光雷达广泛应用于各种领域，包括但不限于：

自动驾驶技术：激光雷达是自动驾驶车辆中的核心传感器之一，用于实时感知周围环境、检测障碍物并规划路径。

机器人技术：激光雷达可用于机器人导航、环境感知和物体识别，提高机器人的智能化水平。

地理测绘：激光雷达可用于地形测绘、建筑测量、城市规划等领域，生成高精度的三维地图数据。

军事和安全领域：激光雷达在军事情报收集、目标识别、导航和监控任务中发挥重要作用。

激光雷达是一种利用激光技术进行测距和成像的设备，其主要作用包括：

1. 测距和测速：激光雷达可以通过测量激光脉冲的往返时间来准确测量目标物体与激光雷达之间的距离，同时也可以利用多普勒效应来测量目标的速度。这使得激光雷达在自动驾驶、距离测量、速度测量等领域具有广泛应用。

2. 环境感知：激光雷达可以对周围环境进行精确的三维测绘，包括检测目标物体的位置、形状和运动状态，以提供环境感知和障碍物检测功能。这对于无人车辆、无人机、机器人等智能设备的安全运行至关重要。

3. 地图建模：激光雷达可以用于地图建模和地图更新，通过高精度的三维地图数据，可以实现精准的地图构建，为导航、城市规划、环境监测等领域提供支持。

4. 目标识别与跟踪：激光雷达可以帮助识别各种目标物体，并对其进行跟踪，例如在军事领域中的目标识别和跟踪，或者在工业自动化领域中的物体定位与追踪。

5. 三维成像和扫描：激光雷达可以生成具有高精度和高分辨率的三维点云数据，从而实现真实场景的三维成像和扫描，广泛应用于工业设计、建筑测绘、文物保护等领域。

技术原理

激光雷达探测的具体技术可以分为TOF飞行时间法与相干探测方法。其中ToF方法可以进一步区分为iToF和dToF方法；

飞行时间（ToF）探测方法

通过直接计算发射及接收电磁波的时间差测量被测目标的距离；

相干探测方法（如：FMCW）

通过测量发射电磁波与返回电磁波的频率变化解调出被测目标的距离及速度；

FMCW雷达原理示意图

　　机载激光雷达是指安装在飞行器（如飞机、直升机、无人机等）上的激光雷达系统，用于从空中对地面或其他目标进行测量、成像和监测。机载激光雷达系统通常由激光器、接收器、控制器、数据处理单元和安装支架等组成。

发展历程

机载激光雷达技术自20世纪60年代起步，经过半个世纪的发展，已取得显著进步。其发展历程可大致划分为3个阶段：

第1阶段：初创期（20世纪60–80年代）。机载激光雷达技术刚刚兴起，主要采用固体激光器和镜面转向装置，最大探测范围仅为200～500m，图像分辨率较低。这一阶段为机载激光雷达的基本原理奠定了基础。

第2阶段：发展期（20世纪末–21世纪初）。伴随新型激光器、光电探测器及数字信号处理技术的出现，机载激光雷达技术得以迅速发展。具备扫描、定位及高速数据记录功能的测深系统不仅能够进行测深，还可绘制海底地形。这一阶段实现了机载激光雷达技术的飞跃。

第3阶段：成熟期（21世纪后）。机载激光雷达技术不断优化，关键技术逐渐成熟。采用半导体泵浦Nd：YAG固体激光器和双波长系统显著提升了系统的探测能力，同时系统的体积、重量及能耗均得到一定程度的降低，机动性和续航时间得以增强。此外，数字信号处理和机器学习技术的融入显著提高了系统的智能化水平。典型系统包括CZMILSuperNova、HAWKEYEⅢ和LADSMAKⅢ等。在这一阶段，机载激光雷达技术逐渐走向成熟。

机载激光雷达测量技术有哪些优点和特点

机载激光雷达测量技术在航空航天领域中具有以下优点和特点：

1. 高精度： 机载激光雷达可以实现高精度的三维测量，对于地形地貌、建筑结构等目标的测量精度较高，能够提供精确的空间数据。

2. 快速获取数据： 由于激光雷达作为一种主动传感器，能够快速获取目标物体的距离信息，实现高频率的数据采集，使得数据处理和分析更加迅速高效。

3. 大范围覆盖： 机载激光雷达在飞行状态下可以实现对大范围区域的快速扫描和测量，适用于需要大范围覆盖和快速获取数据的测绘和监测任务。

4. 适应性强： 机载激光雷达可以适应各种复杂环境和天气条件下的测量任务，具有较强的抗干扰能力，可以在各种复杂情况下进行测量工作。

5. 实时性： 机载激光雷达可以实现实时数据采集和处理，能够提供及时的反馈和信息更新，适用于需要实时监测和决策支持的应用场景。

6. 非接触性： 机载激光雷达无需与目标接触，通过远距离激光测量实现目标的准确测量，避免了对目标造成损坏或干扰。

7. 多功能性： 机载激光雷达可以结合其他传感器或设备，如相机、惯性导航系统等，实现多传感器数据融合，提高数据的多维度分析和应用能力。

机载激光雷达测量技术具有高精度、快速获取数据、大范围覆盖、适应性强、实时性、非接触性和多功能性等优点和特点，广泛应用于航空、遥感、测绘、环境监测、军事侦察等领域，为空中测绘、地形分析、环境监测等提供了高效、准确的数据支持。

审核编辑：黄飞