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 [ 17] .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 .
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河南理工大学学报 (自然科学版 ) 2009年第 28卷
激光雷达[ 5] , 1978年 NASA/MFSC研制出了用于同一目的的 CO2干涉激光雷达[ 6 -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 -爱而 莫公司开发用于测量全球对流层风场的 CO2相干激光雷达[ 8 -9] .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 [ 10 -11] .20 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 .
存贮 、 处理与分析 .激光雷达的测距原理与电磁波测距相同 , 即通过时间间隔测量装置得出发射与接
收的时间间隔 , 从而按下式计算测量距离 :
R =cΔ2 t,
式中 :c为光速 ;Δt为发射与接收的时间间隔 .
2.2激光雷达的数学模型
在物方空间坐标系中 , 一般设定发射中心为原点 , 扫描前进方向为 X轴 , 天顶方向为 Z轴 , 构
成右手坐标系 .该坐标系中有 6个外方位元素来表示发射中心的大地坐标和姿态参数 .扫描中心到地
面的距离 s由激光扫描器测定 , 扫描方向与 Z轴的夹角 θ由编码器记录 .扫描时 x=0, y=-s· sin
θ, z=-s· cosθ.每一扫描点的空间坐标 , 可根据摄影测量共线条件方程式计算 :XBiblioteka a1 a2 a3 x58 5
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 :
DO I :10.16186/j .cnki .1673 -9787.2009.05.021
第 28卷第 2009年 1
5期 0月
JOURNALOFHENA河N南PO理LY工T大EC学HN学IC报UN(自IVE然R科SI学TY版()NATURALSCIENCE)
Vol.28 No.5 Oct.2 009
ai, bi, ci.对共线条件方程式的积分 , 可以计算出 X, Y和 Z轴的方向中误差 . 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 θ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
(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 [ 12] .
(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 .
(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 出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 [ 14] .
(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 [ 15] .
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 -12
＊
作者简介 :陈利 , (1967 -), 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@
b1 =cosφsinκ, b2 =coswsinκ, b3 =-sinω;
c1 =sinφcosκ-cosφsinωsinκ, c2 =-sinφsinκ+cosφsinωcosκ, c3 =-cosφcosω. 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
2 激光测量系统的几何模型
LiDAR系统是一种活动装置 , 由于激光脉冲不易受阴影和太阳角度影响 , 从而提高了数据采集的
质量不受航高的限制 ;由于应用多光束返回采集高程 , 数据密度大 , 大大提高了正射影像校正的精度
要求 .
2.1 激光雷达测量原理
探测回波强度的激光雷达当发射光与接收光的波长不变时 , 从距离 R处返回的光信号的功率为
Abstract:Firstlythispaperestablishesthegeometricalmodelandthemodelofestimatingprecisionbasedon collinearequation.ThenthedevelopmentandapplicationofLidarinmilitary, weather, stlythedevelopmentdirectionofLidarispredicted.
Keywords:LiDAR;collinearequation;geometricalmodel;application
0 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 [ 3] .LiDAR技术 (LightDetectionAndRanging)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 m, 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 , 因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 .
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
LiDARtechnologyanditsapplication
CHENLi, JIAYou, ZHANGEr-yan
(ShanxiTian-runScienceandTechnologyInc, Xian 710054, China)
2003年 1月 13日 , 美国宇航局 (NASA)成功发射了 “激光高度计试验卫星 ” (ICESat)[ 18] .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 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, 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
Pr(R)=P0 KArqσ(R)T2 (R)Y(R)R12 +Pb,
式中 :Pr (R)是探测到的回波功率 ;P0 为发射的激光强度 ;K为接收系统的效率 ;Ar是收集器的光 疃面积 ;q是脉冲周期的一半 ;σ (R)为后向散射系数 ;T(R)是大气透过率 ;Y(R)是几何学效
率 ;Pb为背景光噪声 . 接收到的反射光经光电探测器转换为电信号 , 再通过 A/D转换后作为数字量输入到计算机进行