空載激光雷達Lidar介紹

　　　空載LiDAR是一種主動是對地進行三維觀察與測量的技術，因此我們可以使用它日夜地工作，隨著計算機技術、GPS和其雷射技術的發展與完善，空載LiDAR近幾年來受到越來越多的重視。
　　　LiDAR是從Light Detection And Ranging中提取而來，我們望字生意，很容易把光達(LiDAR)與雷達(RADAR)聯想在一起。而Light Detection And Ranging和Radiowave Detection And Ranging確實是一對孿生兄弟。在雷達中，我們採用的是無線電波，而在光達中，我們採用的是激光器發射的可見和近紅外光波，在氣和環境研究中，也會採用其他波段的光波。因此，有時我們又將LiDAR稱作激光雷達。

激光雷達使用兩種激光：脈衝式和連續波的激光

　　　連續波激光雷達用於衛星遙感和長距離遙感，我們通常用的是基於時間-飛行差原來(time-flight)的脈衝式激光雷達

激光雷達工作原理

　　　激光雷達的工作原理與雷達非常相近。由激光器發射出的脈衝激光由空中入射到地面上，打到樹木、道路、橋梁、房屋，引起散射。一部分光波會經由反射返回到激光雷達的接收器中，接收器通常是一個光電倍增管或一個光電二極管，他將光信號轉變為電信號，記錄下來。同時由所配備的計時器記錄下來同一個脈衝光信號由發射到被接收的時間-T。
於是就能夠得到由飛機上的激光雷達到地面目標物的距離R為:
R=CT/2
這裡C代表光速，是一個常數，即C=300,000 km/s
激光雷達每一個賣衝激光的最大距離分辨率(maximum range resolution)也可由以下公式得知:
⊿R=C/2‧(TL＋TN＋TW)
這裡TL代表激光脈衝的長度，TN代表接收器電子元件的時間常數，TW代表激光與目標物體的碰撞時間常數。對於一個Q-開關的Nd:YAG激光器，它的脈衝常數為10 ns，接收器電子元件的時間常數TN一般是50 ns到200 ns，激光與目標物體的碰撞時間常數TW較小一般忽略不計，因此距離分辨率⊿R一般在7.5米到30米。

空載脈衝式激光雷達的發展簡史

　　　 激光雷達的研發早在上個世紀的70年代就開始(Jennifer and Jeff 1999)。最初是由美國的航太總署NASA研發出一種非常笨重的基於激光測量的設備。儘管他非常昂貴，也只能測量放在地面上的飛機的精確的高度。在80年代後期，隨著GPS民用技術的提高，使得GPS位置定位的精度達到厘米的量級。高精度的用於記錄激光來回時間的計時器和高精度的慣性導航測量儀(Inertial Measurement Units,IMU)相繼問世,為激光雷達的商業化打下了基礎。

　　　在上個世紀的80年代末，德國的Peter Frieb和Joachim Lindenberger在Deutsche Forschungsgemeinschaft攻讀博士學位時開始了有關激光雷達技術的研究課題。在1989年他們與Fritz Ackermann教授一起在Univ. of Stuttgart(斯圖加特大學遙感學院)進行首次相關的是驗飛行。測試結果令人信服地顯示出激光雷達用於地形地貌測量和製圖方面的巨大潛力和發展遠景。

　　　1992年，在獲得了博士學位後，Peter Frieb和Joachim Lindenberger成立TopScan GmbH公司，開始了商業化機載激光雷達的測試。TopScan開始與位於加拿大多倫多市的Optech公司合作，並且在1993年聯合進行了樣機的試飛和測試。1995年由Optech公司與TopScan共同推出了ALTM1020激光雷達，並在1997年對其性能進行了全面的提升，激光發射的頻率由200赫茲提高到5000赫茲，飛行高度也達到1000米，與此同時，德國的TopSys也開始1225激光雷達(Christian Weaver, and Joachim Lindenberger)。而TopSys除了自己使用外，一共向外賣出了兩台Falcon I和Falcon II。期間，TopScan也轉向了向用戶提供激光雷達服務的業務。Optech公司在2004年和2006年又分別推出了能夠發射在1000米的高度發射100,000赫茲的ALTM3100和具備在接近2000米的高度時發射100,000赫茲的ALTMGemini。

　　　1997年時，針對已有激光雷達的不足之處，成立於1956年的專門從事製圖和GIS服務的Azimuth也進入了這個新興的行業，並且在技術方便進行了一些提升，於1999年向市場推出了AeroSensor激光雷達(Kevin P. Corbley)。Azimuth公司位於美國馬薩諸塞洲，由於公司規模小，它採取了積極開放的態度，與美國科羅拉多州的EnerQuest合作，由EnerQuest推出RAMS激光雷達，在1999年先後賣給了日本和澳大利亞的客戶。同時，EnerQuest公司在Robert Kletzli的帶領下，首先研發出了配備數碼相機的RAMS激光雷達，並且用於2000年的悉尼奧運會。2001年5月，Leica公司通過收購Azimuth公司，開始進入此領域，並將AeroSensor改名為ALS40。當時Leica公司已經向市場引進了推進掃描式的數位相機ADS40，藉此希望於把ADS40與ALS40結合起來使用。由於Azimuth規模小，剛成立不久，所以在被收購前，一共只賣了若干台，其中還包括RAMS系統。萊卡公司在2003年推出了ALS50，2006年出生即為ALS50-II。為了提高激光點的密度，萊卡公司在2006年10月INTERGEO大會上，又推出了一項新技術: Multiple Pulses in Air (MPiA)。它使得激光雷達不需要等待是否收到了上一個信號後才發出下一個新信號，因此信號接收器能夠從同一個激光脈衝信號周期裡接收到多於一個以上的信號，因此激光器不變的情況下，在更高的高度尚可接收到更多的激光點。

　　　 在上個世紀的90年代初，一個瑞典的公司Saab簽署了瑞典國防部的合約，研究用於追蹤潛艇的激光雷達系統。在1994年和1995年Saab公司分別向瑞典海軍和瑞典海岸線管理局兩個HAWK Eye激光雷達系統。HAWK Eye激光雷達系統也是世界上用於水下探測的激光雷達系統。在2002年Saab公司將生產HAWK Eye激光雷達系統的技術轉讓給由三個前雇員成立的AHAB公司。2005年6月Blom收購了AHAB。在2005年AHAB公司向市場推出了HAWK Eye II系統，客戶包括挪威的Blom公司和皇家海岸線測繪公司。HAWK Eye II系統採用了兩個激光器，一個適用於水下探測的採用532奈米波長的激光器，激光接收頻率為4000赫茲；另一個適用於海岸線測量的近紅外激光器，激光接收頻率為64000赫茲。飛行高度為200米到400米之間。一般使用直升飛機作為載體。

這裡我們要提到一個在激光雷達發展史上另一個重要公司:Riegl。Riegl公司位於奧地利首都維也納東北角80公里的Horn小鎮。它是由維也納技術大學的Riegl教授於1975年創立的，起初專門生產固體二極管激光器及激光測距儀。從1996年開始，向市場推出了可用於機載、車載旱船載的一系列二維激光掃描儀:LMS-Q140、LMS-Q140i、LMS-Q160、LMS-Q120、LMS-Q240、LMS-Q240i、LMS-Q280、LMS-Q280i、LMS-Q560。射程涵蓋近距離(2-100米) 、低空(2-400米) 、中低空(30-700米)和中高空(30-2000米)。

我們知道Optech和Leica的激光雷達由於問世較早，為了追求飛行的高度而採用了大功率對於人和動物眼睛有傷害的激光器。當在中低空飛行時，為了減少傷害，採用了降低功率輸出、增大光斑尺寸等措施，因而直接造成了空間分辨率的下降。

這裏我們要指出的是，所有Riegl激光掃描儀均使用對人和動物眼睛安全的激光器，因此無論是低空飛行還是2000米的中高空飛行，均不需要對激光的輸出做任何的調整，保持了測量的高精度。我們高興的看到Optech公司已經在其用於地面的三維激光雷達系統中改用對人和動物眼睛安全的激光器。因此，隨著激光器研究的進一步發展，全面採用對人和動物眼睛安全激光器的機載激光雷達已經為時不遠。

　　　由於種類繁多、性價比高，在歐洲和北美的許多地方得到了廣泛的應用，尤其是電力、公路、鐵路、林業、礦業、城市規劃、海岸線、考古等領域。許多公司、大學和研究單位以及政府部門紛紛使用Riegl的二維激光掃描儀來自行組裝激光雷達。其中Riegl公司於2004年推出的LMS-Q560是世界上第一款商業化能夠進行數字化採集和處理激光全波形的的二維激光掃描儀。雖然每一個激光脈衝都是一個週期為2π的正弦波，但是由於技術的限制，過去只能將接收到的正弦波提取為幾個分立的信號，放棄了許許多多的細節。能夠進行數字化全波形的採集、紀錄和處理的LMS-Q560使得我們能夠看到更多物體表面的細節、粗糙度和變化。諸如屋頂和屋簷、江河岸邊等斷點線，茂密植被覆蓋區域下的地形地貌在過去一職是令人頭痛的事情，因為採用時間－飛行原理的激光雷達很難通過空隙成功地入射到地面上。同時，即使最先進的濾波幾何學在面對如此的激光點雲進行分類時，也經常出錯。然而，採用數字化紀錄全波形的方法已經證明，即時茂密植被露出百分之幾的空隙，通過所獲取的全波形反射波，我們也能夠得到在激光掃描的區域內垂直方向結構和地面形貌的詳細細節，它是機載激光雷達發展史上的一個里程碑。