Lidar技術

LiDAR是一種集雷射，全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)三種技術於一身的系統，用於獲得數據並生成精確的DEM。這三種技術的結合，可以高度準確地定位雷射束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用於獲得地面數字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統和已經成熟套用的用於獲得水下DEM的水文LIDAR系統，這兩種系統的共同特點都是利用雷射進行探測和測量，這也正是LIDAR一詞的英文原譯，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。

雷射雷達是"光探測和測距"(Light detection and ranging)的簡稱。早先稱為光雷達，因為那時使用的光源均非雷射。自雷射器出現以來，雷射作為高亮度、低發散的相干光特別適合作光雷達的光源，所以現在的光雷達均使用雷射器作光源，名稱也就統稱為雷射雷達了。

基本介紹

• 中文名：Lidar技術
• 外文名：LIght Detection And Ranging - LIDAR
• 用途：用於獲得數據並生成精確的DEM
• 特點：利用雷射進行探測和測量

工作原理

雷射雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區別，即由雷達發射系統傳送一個信號，經目標反射後被接收系統收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至於目標的徑向速度，可以由反射光的都卜勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，並計算其變化率而求得速度，這也是直接探測型雷達的基本工作原理。由此可以看出，直接探測型雷射雷達的基本結構與雷射測距機頗為相近。

因為光速是已知的，所以根據發射光的發出時間和後向散射光的接收時間的時間差就可計算出雷射器與污染劑的距離。這就是雷射雷達能測距的原理。

過程與方法

雷射雷達測污的基本作用過程是，作為光源的雷射器發出特定波長的光束，射向污染劑(或毒劑雲團)，該波長的光同污染劑相互作用後，有一部分光以與發射光束相反的方向反射回接收裝置，經探測後便可獲知有關污染劑的信息。

雷射雷達探測大氣污染劑在遙感中屬主動式方法。還有被動式方法。被動法本身沒有人工光源，本身不發射光束，只接收來自目標雲團自身的熱輻射或天然光源(太陽)的輻射，然後進行分析測定而得出結論。

分類

雷射雷達可以按照所用雷射器、探測技術及雷達功能等來分類。目前雷射雷達中使用的雷射器有二氧化碳雷射器，Er:YAG雷射器，Nd：YAG雷射器，喇曼頻移Nd：YAG雷射器、GaAiAs半導體雷射器、氦-氖雷射器和倍頻Nd：YAG雷射器等。其中摻鉺YAG雷射波長為2微米左右，而GaAiAs雷射波長則在0.8-0.904微米之間。

根據光與污染劑分子作用原理不同，雷射雷達可分為如下幾種。

基於吸收原理的雷射雷達

幾乎所有的由多種原子組成的污染劑(包括化學戰劑)都能吸收特定波長的光，不同的化合物吸收的光波長也不一樣。要測哪種污染劑，就讓雷射器發出該污染劑最強烈吸收的那個波長的光。發射光被吸收掉一部分後，總有一少部分反射回探測器，分析接收到的光強度的變化就能察知污染劑的濃度大小。如將雷射器發出的光束波長調諧到與待測污染劑的吸收波長相重合併使其頻寬小於該污染劑的吸收線寬，這時，就將產生最強烈的吸收效應。這叫共振吸收，基於測量共振吸收的雷射雷達叫共振吸收雷射雷達。共振吸收時，除產生熱能外，還產生螢光。基於測量共振吸收時所產生的螢光強度的雷射雷達叫共振螢光雷射雷達。

如果使雷射器發出兩束波長不同的光，其波長分別位於待測污染劑吸收峰和吸收谷的位置，測量兩束光通過污染劑後各自的強度，從而計算污染劑濃度，這種方法叫作差分吸收法，用此原理工作的雷達叫差分吸收雷射雷達。

米氏散射雷射雷達

光波與污染劑分子相互作用除了上述的吸收效應外，還有散射效應。所謂散射是指光在不均勻介質中傳播時偏離原來的方向而向各個方向散開的現象。這一現象的產生是因為介質中混雜有折射率各不相同的微小粒子(原子、分子、微粒)之故。如果粒子的徑度與光束波長大小相等或稍大于波長，則引起的散射叫米氏散射。米氏散射中入射光波長與反射光波長相等。利用米氏散射原理的雷射雷達叫米氏散射雷射雷達。

喇曼散射雷射雷達

如果用一束頻率為υ0的單色光照射污染劑，則在散射光中除了頻率為u0的成分之外，還有頻率為υ0+Δυ和頻率為υ0-Δυ的成分，使入射光頻率發生位移的這種散射叫喇曼散射。分子種類不同，其喇曼散射光的頻率位移值Δυ也不同，與入射光頻率υ0無關。可見，探測後向散射光中的Δυ就可推斷是哪種污染劑分子存在。利用這個原理的雷達叫喇曼散射雷射雷達。

根據探測技術的不同分類

，雷射雷達可以分為直接探測型和相干探測型兩種。其中直接探測型雷射雷達採用脈衝振幅調製技術（AM），且不需要干涉儀。相干探測型雷射雷達可用外差干涉，零拍干涉或失調零拍干涉，相應的調諧技術分別為脈衝振幅調製，脈衝頻率調製（FM）或混合調製。按照不同功能，雷射雷達可分為跟蹤雷達，運動目標指示雷達，流速測量雷達，風剪下探測雷達，目標識別雷達，成像雷達及振動感測雷達。

相干探測型雷射雷達又有單穩與雙穩之分，在所謂單穩系統中，傳送與接收信號共同在所謂單穩態系統中，傳送與接收信號共用一個光學孔徑。並由發射/接收（T/R）開頭隔離。T/R開關將發射信號送往輸出望遠鏡和發射掃描系統進行發射，信號經目標反射後進入光學掃描系統和望遠鏡，這時，它們起光學接收的作用。T/R開關將接收到的輻射送入光學混頻器，所得拍頻信號由成像系統聚焦到光敏探測器，後者將光信號變成電信號，並由高通濾波器將來自背景源的低頻成分及本機振盪器所誘導的直流信號統統濾除。最後高頻成分中所包含的測量信息由信號和數據處理系統檢出。雙穩系統的區別在於包含兩套望遠鏡和光學掃描部件，T/R開關自然不再需要，其餘部分與單穩系統的相同。

發展過程

美國

美國陸軍1958年就宣告研製成功第一台主動式毒劑遙測儀〔1〕，名叫LOPAIR，是一種基於含磷毒劑對9,8μm波長紅外線差分吸收原理的光雷達，但光源不是雷射器(世界第一台雷射器1960年研製成功)，LOPAIR總重54磅，探測距離400米，對0.01μg/l濃度的神經毒劑有回響。但由於性能不佳，未裝備部隊。70年代，美國陸軍曾探索性地研製過同位素CO2雷射雷達〔2〕。作用原理同LOPAIR。為它規定的主要性能要求是：探測距離1km，可探測神經毒劑和模擬劑，靈敏度CL=500mg/m2。但至今未見這種雷射雷達研製情況的進一步報導。差不多與此同時，美國陸軍當局又同布魯克工程公司簽訂契約，研製喇曼散射雷射雷達〔3〕，使用一台宇宙線2-J紅寶石雷射器，全套設備裝在一輛拖車上，可在野外不同氣候條件下進行污染劑遙感測量，探測距離400米，距離解析度10米，對SO2的靈敏度300ppm米。後來經改進後，化學兵當局已能用它測量G類和V類神經毒劑，且作用距離增加到2km。還曾計畫用它來探測生物戰劑。可是，該雷射雷達最終也未能裝備部隊.美國空軍80年代研製成功一種差分吸收雷射雷達DIAL〔4〕，光源為一隻頻率可調CO2雷射器，該雷射器能發出波長位於9~10μm波段(含磷神經毒劑峰值吸收線波長為9.8μm)的60條譜線，以供選擇用於照射毒劑。DIAL的作用距離2km，對神經毒劑的靈敏度為0.01mg/m3，對芥子氣為0.1mg/m3。計畫服役後，每個空軍基地機場塔台下的工事中安裝2台DIAL，就足以對整個機場實施毒劑監測。1986年，DIAL系統的體積和重量都有所減小，探測距離也增加到了7公里，這更有利於野外使用。還計畫將此雷射雷達安裝在直升機和遠程有人駕駛飛機中使用〔5〕。

眼下，美國休斯飛機公司正在為美國陸軍發展一種基於吸收原理的CO2調頻雷射雷達〔6〕。該光雷達的CO2雷射器可調出4種雷射束用以照射毒劑，對蒸氣態毒劑的作用距離5km，對氣溶膠毒劑是1km，對地面液態毒劑是500m〔7〕。服役後將安裝在防化偵察車和直升機上。

如今，雷射雷達在美國陸軍的遠景規劃中已被確定為要重點加以發展的技術之一。

前蘇聯

前蘇聯1987年試驗、1990年批量生產的KDKhR-1N型探測化學戰劑的雷射雷達是以ACRV炮兵指揮車外殼和底盤為工作平台改裝而成的，其雷射感測器可在360°範圍內通過光譜吸收分析來掃描並探測距離1～3公里(一說3~5公里)處的毒劑雲團，車內攜帶的一台計算機控制系統能讓操作者測出毒劑雲團的距離、大小和形狀，以及在地面上空的運動速度和方向。對神經毒劑的靈敏度達每立方米空氣零點零幾毫克〔8〕。

法國

法國研製的主動式雷射雷達名叫DETADIS，是一種差分吸收雷射雷達〔9〕。該系統套用2台TEA CO2雷射器作光源，這個光源可在9～11μm之間調諧，而且效率高。該系統其他基本性能參數如下：雷射脈衝能量30mJ，重現率10Hz，接收望遠鏡口徑160mm，光探測器為冷卻狀態下的HgCdTe，觀測方位角120°，豎直觀測角30°，對氣態毒劑的作用距離3km，靈敏度值低於毒劑的閾值。

日本

日本環境廳國立公害研究所1981年就建成當時的世界最大雷射雷達〔10〕，該雷達能在瞬間測出60公里範圍內的大氣污染物分布狀況。雷射器發出的雷射束被大氣污染物散射，散射光被1.5米口徑的反射望遠鏡接收。由此可以推斷，這是一台米氏散射式雷射雷達。米氏散射雷射雷達只能測出污染劑的距離、分布狀況、運動速度和方向，而分辨不出污染劑到底為何物及濃度是多少。

英國

英國早在1970年就製成了一台雷射雷達〔11〕，使用紅寶石雷射器為光源，用來探測飛機布灑物。飛機尾部的布灑物把雷射束反射回來，由地面牛頓望遠鏡收集並聚焦於一個光電池上，光電池把光能變成電信號，電信號進入示波器。如果示波器上的波形軌跡明顯"擺動"，那就證明飛機在布灑某種物質，基在戰時，當然首先想到的是化學生物戰劑。這是一台比較原始的米氏散射雷射雷達。

匈牙利

匈牙利目前正在發展一種供野外用的差分吸收雷射雷達VTB-1〔12〕，VTB-1具有兩個連續波射頻激勵CO2波導雷射器作為光源。該雷射器在9～11μm波段可調諧出40條譜線。因此，使用時可以很容易地選出兩條譜線使其位於待測物的吸收峰和吸收谷的位置，從而得以用差分吸收法鑑別大氣污染劑(或毒劑)的種類。VTB-1是兩端式裝置，即將雷射器置於一輛卡車上，而將一台人工反射器--1m2噴砂鋁反射器安裝於幾千米之外的一個三腳架上(上述其他各國的雷射雷達都為單端式的，即它們不用人工反射器，而是接收污染劑的後向散射光)。使用時，將裝有雷射器的卡車置於某大型設施中(如某個工業區)，然後在該設施周期布放幾個反射器，就可實施對此設施的監測。雷射器可旋轉360°，豎直活動範圍為15～20°。VTB-1最小可測光密度10～20W，頻寬只有1Hz。其光學系統主要有麥可遜干涉儀，卡塞格倫望遠鏡用作發射和接收裝置。數據處理部分有低噪聲前置放大器和帶通濾光器。VTB-1可探測出所有G類和V類神經毒劑氣體，靈敏度在130mg/m2～250mg/m2之間，作用距離5公里。

發展

美國國防部最初對雷射雷達的興趣與對微波雷達的相似，即側重於對目標的監視、捕獲、跟蹤、毀傷評（SATKA）和導航。然而，由於微波雷達足以完成大部分毀傷評估和導航任務，因而導致軍用雷射雷達計畫集中於前者不能很好完成的少量任務上，例如高精度毀傷評估，極精確的導航修正及高解析度成像。較早出現的一種雷射雷達稱為“火池”，它是由美國麻省理工學院的林肯實驗室投資，於60年代末研製的。70年代初，林肯實驗室演示了火池雷達精確跟蹤衛星，獲得都卜勒影像的能力。80年代進行的實驗證明，這種CO2雷射雷達可以穿透某些煙霧，識破偽裝，遠距離捕獲空中目標和探測化學戰劑。發展到80年代末的火池雷射雷達，採用一台高穩定CO2雷射振盪器作為信號源，經一台窄帶CO2雷射放大器放大，其頻率則由單邊帶調製器調製。另有工作於藍-綠波段的中功率氬離子雷射與上述雷達波束複合，用於對目標進行角度跟蹤，而雷達波束的功能則是收集距離――都卜勒影像，實時處理並加以顯示。兩束波均由一個孔徑為1.2M的望遠鏡發射並接收。據報導，美國戰略防禦局和麻省理工學院的研究人員於1990年3月用上述裝置對一枚從維吉尼亞大西洋海岸發射的探空火箭進行了跟蹤實驗。在二級點火後6分鐘，火箭進入亞軌道，即爬升階段，並拋出其有效負載，即一個形狀和大小均類似於彈道飛彈再入飛行器的可充氣氣球。該氣球有氣體推進器以提供與再入飛行器和誘餌的物理結構相一致的動力學特性。目標最初由L波段跟蹤雷達和X波段成像雷達進行跟蹤。並將這些雷達感測器取得的數據交給火池雷射雷達，後者成功地獲得了距離約800千米處目標的像。

據1991年5月的《防衛電子學》報導，美國空軍和海軍當時正在研製“先進技術雷射雷達系統（ATLAS）”。該系統擬裝在巡航飛彈上，用CO2雷射和新型紅外雷達將巡航飛彈引向目標。此項計畫由設在佛羅里達州伊格林空軍基地的萊特研究所先進制導部主管，主承包商麥道公司和通用動力公司康威爾分部各自按照1500萬美元的契約研製AGM-130或巡航飛彈型武器。海軍發言人雷上尉當時稱計畫在1992年財政年度對ATLAS以吊艙結構進行飛行試驗；1992年，位於加利福尼亞州的休斯公司光電與數據系統研究組已研製成功一種先進的CO2雷射雷達，並將其作為ATLAS計畫的一部分，交付主承包商通用動力公司康威爾分部。1992年6月的《光子學》和7月的《防衛電子學》對此相繼作了報導。為了演示雷射雷達的功能，康威爾分部將其與有關的信號處理電子設備以及制導系統的其他部件。即處理機，導航感測器和測試儀器等一起裝入吊艙，吊掛在康威爾分部的試驗噴氣飛機上，在伊格林試驗場針對目標進行飛行，雷射雷達提供了目標區域的高解析度三維圖像。此後，又進行了多種空對地武器的導航，末端瞄準和精密尋的導引試驗，充分顯示出該雷射雷達用於飛彈制導的很多獨特的優點。

用途

測污

在世界範圍內，大氣污染問題日益嚴重。要治理這種環境污染，首先就要探測污染源頭。雷射雷達是探測污染源頭在哪裡的最有威力的手段。使用它可以隨時監測某個地域上空的空氣污染情況，甚至探測出某個煙囪都排放出哪些污染物，從而為迅速採取對策提供依據。這是說的民用方面。 　[特點]雷射雷達測污(或探測化生戰劑)具有下列幾大優點。第一，它無需興師動眾去收集樣品，也就省去了樣品預處理方面的繁瑣手續，因而方法簡便，分析速度快；第二，檢測人員不同污染物接觸，因而可避開諸如有毒、骯髒、高溫、險峻等等惡劣環境；第三，因雷射雷達具有測距功能，故用它可以實時測出污染劑的三維空間(立體)分布狀況，根據不同時間的三維分布又可勾畫出污染劑的移動速度、路線和濃度變化圖，有利於預報。在防化領域意義更重大，它能提供更多預警時間，讓部隊較從容而充分地採取防護措施，減少傷亡，也就等於削弱了敵化生襲擊的效果。

軍事探測

在軍事上，對付敵化學生物襲擊的最重要措施之一是迅速發現化生戰劑的存在，以便及時地採取各種相應的防護，而用雷射雷達技術進行探測，由於其探測距離遠、獲得結果快速和手續簡便，使它遠遠勝過其他任何一種常規的生化戰劑的檢測方法。

軍事上常常希望飛機低空飛行，但飛機飛行的最低高度受到機上感測器探測小型障礙物能力的限制。且不說阻塞氣球線這樣的對抗設施，在60米以下，各種動力線，高壓線鐵塔，桅桿、天線拉線這樣的小障礙物也有明顯的危險性。 現有的飛機感測器，從人眼到雷達，均難以事先發現這些危險物，這種情況，在夜間和惡劣天氣條件下尤其突出。而掃描型雷射雷達因其具有高的角解析度，故能實時形成這些障礙物有效的影像，提供適當的預警。據1993年5月出版的《軍事技術》報導，在法國政府和英國政府的倡議下，由法國達索電子公司和英國GEC-馬可尼航空電子學公司雷達系統分部組成的聯合體研製出一種緊湊的雷射雷達（CLARA）。其主要功能即是發現飛機航線上有危險的障礙物。並顯示給駕駛員，且不論白天、黑夜及天氣的好壞，均能對前面所提到的各種障礙物進行實時探測、分類和顯示。選用的工作波長不受陽光的影響，有良好的穿透煙、霧的特性。為了保證飛機轉彎時始終提供適當的警戒，感測器採用了大視場。

緊湊雷射雷達的另一功能是進行地形跟蹤和目標確定，這要求系統能實現處理飛機前方地形的回波，以產生飛行控制指令。緊湊雷射雷達由三部分組成，即感測器頭，掃描器及信號與數據處理器。感測器頭的核心是雷射器組件與探測器組件，前者包括兩台CO2雷射器，一台提供脈衝或連續波發射光束；另一台是小功率本機振盪器，用於與回波進行外差相干。而探測器組件則為寬波段紅外探測器上光學元件的組合，並採用超低溫冷卻，以減小量子噪聲，提高探測靈敏度。探測器將光信號轉換為電信號，送往信號處理器進行處理，掃描器的核心是陀螺穩定的雙反射鏡及其他可旋轉光學部件，要求能適應不同的工作模式。在障礙物告警模式下，首先要找到目標的大致方位，因而無需很多的解析度，但必須有較大的掃描視場；與此相反，在瞄準模式下，目標的大致位置已知，因此無需很大的掃描視場，但要求有很高的距離和視角解析度，並能以高精度跟蹤所選目標。

技術難點

雷射雷達技術複雜、研製周期長，設備昂貴，因此要發展它不僅需要有關的高級專門人才，還要有雄厚的經濟基礎。它就使它普及起來很困難，目前它主要套用於科學研究方面。

雷射雷達發出的雷射束具有較高能量，對人的防護是道難題。

雷射雷達技術發展還不充分，某些問題還未完全解決，使其套用受到了限制。例如喇曼雷射雷達在鑑定污染劑方面在理論上有巨大的優越性，但由於目前技術不過關，使目前世界上為數不多的喇曼雷射雷達散射截面很小，信號接收很困難，作用距離一般只有幾百米，不能發揮其應有的作用。

雷射雷達通常體積龐大而笨重，使用中需要經常調試。解決這一問題也非輕而易舉之事。