激光雷達的選擇

激光雷達主要部分包括:二維激光掃描儀、GPS、IMU

二維激光掃描儀

二維激光掃描儀是激光雷達的核心部分。

二維激光掃描儀的激光特色

用於激光雷達的二維激光掃描儀的激光器所輸出的激光波形有兩種：

1. 脈衝式
2. 連續波(continuous wave, CW)

　　　脈衝式的激光器一般是半導體激光器,或用半導體激光器汞浦的Nd-YAG(neodymium-doped yttrium aluminium garnet, Nd:Y3Al5O12)激光器。他們的特點是輸出的功率大,峰值功率可達到幾MW,Optech和萊卡公司使用的事Nd-YAG激光器,波長為1064 nm,安全等級為IV級,而Riegl和TopSys使用的是波長為1550 nm的半導體激光器,安全等級為I級。安全等級為I及的激光器即使在面對使用也不會對人眼和動物眼睛造成傷害。

脈衝式激光雷達的測距分辨率⊿H由公式
⊿H=C‧tp/2
C是光速, tp是光的一個脈衝週期時間

一個脈衝光在一個週期時間裡所通過的距離: 脈衝寬度 Lp=2⊿H
如果tp=1 ns, Lp=300 mm
脈衝寬度越短,測距的分辨率越高
一般 trise=1 ns

激光器的峰值輸出功率EP一般為2000W,那麼每發射一個脈衝光所需要的能量E為

E=Ep‧tp=2000W‧10ns=20μJ

因此,如果激光器的發射頻率 f為10,000赫茲,所需要的激光器發射功率為P=E‧f=0.2W,如果f為100,000赫茲,所需要的激光器發射功率為2W。
目前市場上的二維激光器的距離測量精度在1000米的距離時為2 cm-5cm

光的色散
　　　我們都知道,光會產生色散現象。我們平時經常會看到,汽車的大燈隨著光照距離的增加,其射出的光斑越來越大,這就是色散。激光是目前所有已經知道的光中發散度最小的。通常我們用弧度來表示光的色散γ。如果我們以激光器的光窗的孔徑為D,激光的波長為λ,光的色散大小的極限值與光衍射相關。當超過它的極限時,光斑會出現模糊,因而
γ≧2.44λ/D
也就是說,如果激光器的發射光窗不變,光的色散隨著光的波長的增加而增大;如果光的波長不變,光的色散隨著光窗的增加而減小。

　　　如果光的波長為1060nm,光窗的直徑為100mm,那麼光的色散為0.26mrad
　　　如果光的波長為1550nm,光窗的直徑為100mm,那麼光的色散為0.38mrad
　　　通常,激光器的發射和接收光窗的直徑 D為5-15 cm

打到地面的光斑直徑DL由上圖推出
　　　　　　　　　　　　　　DL=D+2h(tanγ/2)=2hγ/2=hγ
我們以0.3mrad來舉例說明它的意義
當測量距離為100米時,光斑的直徑為30mm,當測量距離為1,000米時,光斑的直徑為300mm。一般來說，光斑越小，激光的空間分辨率越小。
連續波激光器一般用於衛星遙感或高空遙感

目前市場上常用激光雷達的激光器及其最大發射頻率

　　　 目前市場上的激光雷達的激光發射的最大頻率範圍為10,000赫茲到240,000赫茲。均為Riegl公司所生產。Optech公司和萊卡公司的激光器的最大頻率分別為160,000赫茲和150,000赫茲。TopSys的是125,000赫茲。在上個月在北京召開的2008 ISPRS會議上,萊卡公司推出了新的ALS60系統,其激光器的最大發射頻率為200,000赫茲。另外根據內部消息,Riegl公司也將在9月底的2008 INTERGEO會議上推出新的激光雷達系統。
　　　Leica和Optech公司採用的是大功率的波長為1064 nm的安全等級為IV級(I級是最安全的,II級以上越來越不安全)的Nd-YAG激光器。當低空飛行時，就必須增大激光的光斑，並採用強度衰減器來降地輸出激光的強度。
　　　 而Riegl公司和TopSys公司採用的是對人和動物眼睛安全的波長為1550nm的近紅外激光器,因此無論是低空飛行還是中高空飛行都不需要增大激光的光斑和衰減激光的強度。

　　小角發散度光斑的優點:空間分辨率高,水平XY測量精度高,容易穿透植被。
　　大角發散度光: 在低空飛行如小於700米時,使用大功率的安全等級為二級、三級和四級的激光器會對人眼和動物眼睛造成一定的損害,因此採用曾大激光點光斑的直徑,並通過強度衰減器來降低輸出的激光強度,從而減少激光對人和動物可能造成的傷害程度。由此帶來的負面影響是所獲取結果的空間分辨率降低,測量精度下降。

最大發射頻率與高度的關係
機載激光雷達並不是在所有的高度都能夠以它的最大的頻率來發射激光。

　　根據時間-飛行差原理,激光由飛機上的激光器發射打到地面上被發射回到機載雷達的接收器上所經歷的時間t=2H/C,這裡C是光在真空中運行的速度,這裡更準確的說,我們應該用V(光在空氣中運行的速度)來代表C,當飛行高度為1000米時,所需時間為6.7微秒。
那麼激光發射頻率f=1/t。
　　於是最大發射頻率PRF(Pulse Repetiton Frequency)與光速和激光器標靶的距離相關
　　　　　　　　　　　　　　　　fmax=PRF=V/2Hmax
　　這裡V是光在空中運行的速度,V=C/€, C為光速, €為空氣的介電常數,一般在1.0 － 1.2之間。由於空氣受到嚴重的污染,其中含有大量的灰塵顆粒和水、粉塵、有機物膠體,我們可取€值在1.0 – 1.8之間。Hmax代表在此頻率下激光所能夠達到的最遠距離。
如果我們取€=1.1 ,那麼V=C/1.1=272,727 km/s
由此我們可獲得以下的PRF與飛行高度之間的關係

飛行高度 AGL(米)	激光發射最大頻率PRF(赫茲)
200	750,000
400	375,000
500	300,000
600	250,000
700	214,000
800	187,000
1000	150,000
1500	100,000
2000	75,000
3000	50,000
4000	37,500
6000	25,000

因此我們明白不論是哪家的產品,它所標定的最大發射頻率都是在一定的高度下才能達到的。