注册测绘师

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激光雷达测量

Q：什么是激光雷达？

A：激光雷达是根据英文LiDAR（Light Detection and Ranging 的缩写）的翻译而命名的。它的命名与常用的雷达既RADAR（Radio Detection and Ranging）类似。

我们知道，无线电波、X-光、可见光、红外光等都是电磁波。在雷达中，由发射机发出的无线电波射到空中后，一部分经物体或空气反射后，由雷达的接收器所接收，这部分反射波就被称为雷达信号，它能反映出从反射无线电波的物体到雷达的距离。

激光雷达使用的是由激光器发射的红外线，或可见光，或紫外光。众所周知，在我们所居住的环境中，激光是以300，000公里的恒速度传播的。当来自激光器的激光射到一个物体的表面时，其中一部分的光会被反射回去，而被激光雷达所配备的接收器所接收。当仪器计算出光由激光器射出到返回到接收器的时间2t后，那么，

激光器到反射物体的距离 = 光速X 时间/2

即 距离 = ct。

如果物体的表面高低不平，当在地面使用三维激光扫描仪，我们由此可获得反射物体的表面形貌图，或使用机载激光雷达系统时，我们可以获取高精度的数字等高图。

Q：激光雷达所使用的激光器类型有哪些？

A：大多数的激光雷达使用的是脉冲气体或固体激光器，少数使用的是连续波气体激光器。

在机载激光雷达和地面三维激光扫描仪中，大多数使用的是脉冲近红外激光器（波长在900—1550 nm）。在一些特殊应用中，如测量水下的地形地貌，由于光要穿透水，还需要被水发射回来，因此使用大功率的绿光或蓝光激光器。

对于不同的用途所选择的激光器不同。如要飞大面积的区域，只要求中等精度数据，常常使用功率较大的激光雷达，如莱卡的ALS50或OPTECH的ALTM3100，因为它们使用的是大功率的激光器，该激光器的分辨率为2厘米左右，通常飞行高度为600米到3，300米。由于该激光器的安全等级为四级，在近距离时使用，会对于人、动物造成伤害，因此，当使用这些激光雷达时的飞行高度低于800米时，必须对激光器的输出激光信号强度进行衰减。即使如此，一般也不能在飞行高度低于400米时使用。

因此，在飞行一些带状区域的项目（如公路，铁路，电力）时，其飞行高度常常在600米以下，一般不用这些激光器，而采用一些功率较小的激光器。

如果要飞大面积的、并要求高精度的数据（森林，城市等应用），那么可以使用德国IGI 和奥地利RIGEL公司联合制造的Lite Maper 5600。它的激光器的精度高达2毫米，并且具备能够获取无穷次回波和数字波矢化的特点，因此能够获取有关植被、路面、建筑物边沿、斜坡等表面的详细细节。由于它使用的是安全等级为一级的激光器，所以它能够飞超低空（30米以上）、低空、和中、高空（1，500米）。当然，它也能够飞带状区域。

Q：激光器的发射频率的发展过程是怎样的？

A：在同种条件下，激光器的发射频率越高，所获得的激光点的密度越大，对于地形地貌的反映越精细、越准确。但是由于激光器功率的限制，激光器的最大发射频率是受飞机飞行的高度影响的。

在1995年到1998年期间，也就是激光雷达刚刚开始民用时，当时所使用的机载激光雷达的频率为3，000赫兹（既每秒发射三千个激光点）。与传统的航空遥感的数据相比较，人们觉得所获得的数据“太多了”。然而到了2004年2月，莱卡公司推出了ALS50，其激光器的发射频率达到83，000赫兹。很快，OPTECH公司推出了ALTM3100，其激光器的发射频率达到100，000赫兹。但是，实际上，莱卡和OPTECH公司所使用的激光器是一样的，只不过是莱卡公司在实验中发现，当激光器的发射频率达到100，000时，其功率和精度显着降低。同时，欧洲的RIEGL公司，低端激光雷达和中、高端三维激光扫描仪的主要生产厂家，根据市场的发展，决定进入到高端激光雷达市场。迅速推出了基于转动扫描的可发射100，000赫兹的激光雷达，更进一步，它还是世界上第一款商业化的、能够进行数字波矢化的激光雷达。目前莱卡和OPTECH也在加紧研制，希望尽快赶上。目前，德国的一家公司已经推出了基于光纤激光器的高达120，000赫兹的机载激光雷达。而RIEGL公司正在测试200，000赫兹的激光器。

Q：激光雷达的脉冲宽度是多少？

A：常用激光雷达的激光器的脉冲宽度为5—20 纳秒（1秒 = 109 纳秒）。由此我们可以大致估计出激光在一个脉冲宽度的时间内的长度为（5x10-9 秒x 3x108 米/秒 = ）1.5米 到6米。

Q：机载激光雷达有什么配置？

A：机载激光雷达通常由以下几个部分组成：激光器，光学系统（通常为摆动扫描系统或转动扫描系统），接收器（通常使用光电倍增管），GPS（全球定位系统），IMU（Inertial Measurement Unit，惯性制导仪），飞行计划和管理系统，和数据采集和存储系统。

Q：什么是GPS全球定位系统？

A：GPS技术是由美国军方在80年代发展起来的。由于人为的干扰和设备的设置，民用的GPS的精度目前约在10米。随着欧盟的枷利洛卫星导航系统的问世，美国政府会逐步的提高民用GPS的精度。机载GPS使用的技术为DGPS（差分GPS），通过采用相位和多普勒测量方法，我们能够获取高达2-3厘米的GPS精度。通过对由天空中的至少六个人造卫星所提供的GPS信号以及少量的地面GPS基站的信号进行实时的GPS差分计算，而得到激光雷达所在位置的平面坐标（既X、Y）。美国政府方面所施放的信号干扰等级等。目前安装在大多数商业化激光雷达上的GPS的精度可高达2厘米以上，主要使用的是由美国Ashtech生产的Z-Surveyor，Trimble（天宝）公司的SSE4000和Novatel的Millenium。GPS天线接收器一般多采用6-12通道和双频谱L1/L2。性能好的GPS的测量频率为20赫兹。

GPS的接收信号的精度取决于：

1.离地面基站的距离（一般基站之间的距离不大于80公里）；

2.测量时卫星的情况（卫星的位置，数目等）；

3.接收时天气等方面的情况。

Q：什么是IMU惯性制导仪？

A：在遥感行业使用的IMU基于以下四种技术：

1.机械陀螺（旋转平衡）。

2.振动陀螺（振动平衡）。

3.光学陀螺（又分为环激光陀螺和光纤陀螺）。

4.MEMS（微电力机械系统）。目前主要是用在车载系统方面。在五年内将会成为主流产品。

对于航空遥感，提供高质量IMU的厂家主要是加拿大的Applanix和德国的IGI。去年，美国的Honeywell霍尼维尔和法国的Sagem塞基目也开始进入。

IMU能够测量从而给出激光雷达、相机等多种传感器所在的位置和方向的三个线形坐标和三个转动坐标以及加速度。

目前用在飞机上的机载IMU系统，莱卡和OPTECH的激光雷达采用的是加拿大的Applanix的POS/AV 510-DG， POS/AV 410-DG和POS/AV 310-DG，它们全是基于美国Litton（雷盾）公司的LR86型号而改制的（机械式水平对准陀螺仪，dry-tuned gyro）。310，410和510的区别不在于硬件，而是软件的提高。需要指出的是，当使用POS/AV DG系列产品时，每一次飞行获取数据前，都需要飞一个8字型的标定路线。

美国和欧洲的许多公司在自己组装的激光雷达上也使用美国Litton（雷盾）公司的LN200型号和德国IGI公司的IMU-IId。它是基于光纤陀螺的原理和迈克尔迅干涉测量光程差的原理而工作的。

Q：美国Litton（雷盾）公司与德国IGI公司这两家的产品谁的好一些呢？

A：众所纷纭。许多人认为不差上下。IGI的在飞机航行上使用的多，激光雷达方面用Applanix的IMU多。最近几年，德国的University of Stuttgart （最早研究民用激光雷达的单位），University of Calgary（从八十年代就提出要采用GPS/IMU来取代空三的单位）做了一系列的对比实验，均发现德国IGI的产品性能比Applanix的要好，他们并且发表了几篇文章。

Q：中国目前能够进口的IMU有哪些？

A：IMU在国外大量使用在卫星、航空遥感以及军事等领域。如IGI的IMU就用在德国的豹式坦克上，通过它的定位，定角度和方向，使得行进中的坦克可以随时发射炮火。也是由于此原因，目前，只有我国的非军事和警察行业的公司能够进口欧洲和北美的IMU，并且要一个一个地向外国政府申请。时间一般需要4-6周。

由于加拿大的Applanix公司已经被美国天宝公司收购，进口许可要经过美国国务院，国防部等单位的批准，申请的难度和时间以及不确定性较大。另外Applanix公司对中国出口的的IMU与在欧洲和北美使用的POS/AV 510-DG是不一样的，称为AIMU。它是基于LN200，但是光纤的长度比标准型的短的多，约200米，而IGI的IMU光纤长度为500米。另外AIMU的测量频率小于200赫兹。

因此，AIMU 510的功能是不如510-DG的。

不论是IGI的IMU-IId，还是Applanix的AIMU，为了防止被用于军事用途，都添加了特殊的装置，如果加速度增大，数据采集会自动停止。

德国IGI的IMU-Iid的测量频率有两种：128赫兹和256赫兹。

Q：激光雷达测量所能够达到什么样的精度？

A：其精度取决于激光雷达的激光器的校对和标定、飞机的飞行高度和速度、GPS/IMU系统的精度、激光器的类型和斑点的大小等。在目前的技术条件下，许许多多的公司和研究单位已经证明，使用激光雷达，我们能够获取的水平方向（既X、Y）的测量RSM精度为10厘米或更好，垂直方向（Z）为15厘米或更好。

Q：激光雷达所能够测量的回波数目有多少

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