劉 斌,張 軍,魯 敏,滕書(shū)華,馬燕新,張文廣

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

·綜述與評(píng)論·

激光雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

劉 斌,張 軍,魯 敏,滕書(shū)華,馬燕新,張文廣

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

隨著激光成像雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展,激光雷達(dá)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文首先概述了激光雷達(dá)的基本原理和性能優(yōu)勢(shì),進(jìn)而重點(diǎn)闡述了激光雷達(dá)在調(diào)查監(jiān)測(cè)、建模測(cè)繪、探測(cè)測(cè)量、醫(yī)療、軍事等各方面的實(shí)際應(yīng)用。

激光雷達(dá);點(diǎn)云數(shù)據(jù);研究進(jìn)展

1 引 言

激光雷達(dá)(Lidar)是傳統(tǒng)雷達(dá)與激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。以微波雷達(dá)原理為基礎(chǔ),將激光束作為新的探測(cè)信號(hào),充分發(fā)揮了激光亮度高,具有良好的方向性、單色性和相干性的特點(diǎn),使激光雷達(dá)具備了頻率快、峰值功率高、波長(zhǎng)范圍廣、體積小等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)合全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS),可以快速、準(zhǔn)確地獲取測(cè)量點(diǎn)的高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),建立數(shù)字線劃地圖、數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型等,在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,已成為當(dāng)今科學(xué)研究、理論創(chuàng)新的熱點(diǎn),倍受關(guān)注。

本文在對(duì)激光雷達(dá)的基本原理和性能分析的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)介紹了激光雷達(dá)在調(diào)查監(jiān)測(cè)、建模測(cè)繪、探測(cè)測(cè)量、醫(yī)療、軍事等各方面的實(shí)際應(yīng)用。

2 激光雷達(dá)工作原理及特點(diǎn)

2.1 激光雷達(dá)工作原理

激光雷達(dá)工作時(shí),首先由發(fā)射機(jī)發(fā)射一束特定功率的激光束,經(jīng)過(guò)大氣傳輸輻射到目標(biāo)表面上,反射的回波由接收裝置接收,再對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理,提取有用信息。通過(guò)測(cè)量反射、散射回波信號(hào)的時(shí)間間隔、頻率變化、波束所指方向等就可以確定目標(biāo)的距離、方位和速度等信息,然后結(jié)合激光器本身的位置信息和姿態(tài)角度信息,準(zhǔn)確計(jì)算出目標(biāo)表面回波點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

2.2 激光雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

激光雷達(dá)在一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了其他遙感探測(cè)技術(shù),使其在很多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。具體包括：

(1)數(shù)據(jù)密度大

激光波束窄,探測(cè)次數(shù)多,因而采集數(shù)據(jù)量更大。每秒可測(cè)量數(shù)十萬(wàn)個(gè)點(diǎn),對(duì)真實(shí)物體表面(如地面)的還原和建模帶來(lái)極大方便。同時(shí),可調(diào)節(jié)點(diǎn)采集間隔,大大提高了適用性和工作效率。

(2)數(shù)據(jù)精度高

由于激光波長(zhǎng)短、頻率高,可以使激光雷達(dá)達(dá)到極高的測(cè)量精度。高精度測(cè)量激光雷達(dá)測(cè)量精度可達(dá)毫米以下,機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量精度也可達(dá)厘米級(jí)。

(3)植被穿透能力強(qiáng)

如圖1所示,激光在植被中傳播時(shí),可以在樹(shù)冠、樹(shù)枝、地面等多個(gè)高程發(fā)生反射,從而得到多次回波數(shù),這是其他雷達(dá)所不具備的優(yōu)勢(shì)。特別是得到的地面回波數(shù)據(jù),有效克服了植被影響,使精確探測(cè)地面真實(shí)地形成為可能[1]。

圖1 激光雷達(dá)多次回波示圖

(4)不受太陽(yáng)高度角和陰影影響

激光雷達(dá)為主動(dòng)測(cè)量式雷達(dá),不依賴自然光,因而與傳統(tǒng)方式相比,其獲取數(shù)據(jù)的精度不受時(shí)間、太陽(yáng)高度角和地物陰影的限制和影響,可以24 h全地形作業(yè)。

(5)隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)

激光傳播方向性好、波束窄,只在傳播路徑上存在,難以發(fā)現(xiàn)和截獲。同時(shí),激光雷達(dá)口徑小,且定向接收,只接收指向區(qū)域回波,接收干擾信號(hào)的概率極低。

(6)體積小、重量輕、作業(yè)效率高

激光雷達(dá)發(fā)射口徑只有幾厘米,重量小的可以單人手持使用,相較其他雷達(dá)設(shè)備要輕便、靈巧得多,不但可以大量節(jié)約人力、物力資源,而且可以使工作變得更加簡(jiǎn)單快捷[2],可應(yīng)用的領(lǐng)域也更廣。

3 激光雷達(dá)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前,激光雷達(dá)以其無(wú)可比擬的優(yōu)越性能,已經(jīng)發(fā)展成既可“上九天”拍攝月球三維圖像,又可“下五洋”進(jìn)行水下探測(cè)和建模的探測(cè)雷達(dá)。激光雷達(dá)典型應(yīng)用包括：

3.1 調(diào)查監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

3.1.1 林業(yè)調(diào)查

環(huán)境監(jiān)控、森林土地管理、生物研究都需要及時(shí)準(zhǔn)確地掌握森林植被信息。傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法獲取樹(shù)高與森林密度值,激光雷達(dá)可以通過(guò)記錄完整回波波形(大光斑：10 m到100 m)反演出森林的垂直結(jié)構(gòu)與生物量[3]；或是記錄少量的離散回波(小光斑：0.1 m到1 m),利用高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),進(jìn)行精確的單木高度估測(cè)[4-5]。圖2給出了利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行地面及樹(shù)冠高程識(shí)別圖示,從而計(jì)算每株樹(shù)木的高度值。

圖2 激光雷達(dá)測(cè)量林中單株樹(shù)木樹(shù)高

3.1.2 水域監(jiān)測(cè)

激光雷達(dá)已被用于海水深度測(cè)量和海浪波高觀測(cè),以及對(duì)水中所含浮游生物、透明度、鹽度、水溫和油污染等數(shù)據(jù)進(jìn)行精確測(cè)量。同時(shí),激光雷達(dá)對(duì)于河流、湖泊的水量監(jiān)控和水患治理也有極其重要的作用,利用激光雷達(dá)產(chǎn)生的三角網(wǎng)高程三維模型,可直觀顯示洪水的覆蓋范圍,測(cè)算出水位淹沒(méi)區(qū)域面積和水體體積,預(yù)測(cè)危害程度,采取有效措施進(jìn)行救援。通過(guò)對(duì)比激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可以監(jiān)測(cè)海岸侵蝕情況。

3.1.3 大氣檢測(cè)

激光雷達(dá)作為一種先進(jìn)的大氣和氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器,已經(jīng)在大氣探測(cè)和氣象監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用于大氣溫度、濕度、風(fēng)速、能見(jiàn)度、云層高度、城市上空污染物濃度等測(cè)量。激光雷達(dá)具有更高的時(shí)空分辨率,激光波長(zhǎng)為微米量級(jí)時(shí),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒目標(biāo)探測(cè),能夠?qū)Υ髿獾拇怪苯Y(jié)構(gòu)和成分構(gòu)成進(jìn)行有效分析。通過(guò)對(duì)相應(yīng)波段激光在大氣氣溶膠粒子、分子和原子中發(fā)生米氏散射、瑞利散射、拉曼散射、熒光散射以及共振色散等效應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,可以對(duì)大氣污染、大氣邊界層、空氣分子分析等方面的深入研究提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)[6]。此外,激光雷達(dá)利用激光的多普勒效應(yīng),可以測(cè)量激光在大氣傳播中產(chǎn)生的多普勒頻移,能夠反演和預(yù)測(cè)空間風(fēng)速分布信息[7]。

3.2 建模與測(cè)繪方面的應(yīng)用

3.2.1 地質(zhì)測(cè)繪

激光雷達(dá)測(cè)量精度要優(yōu)于傳統(tǒng)測(cè)量方法,所提供的地面點(diǎn)云數(shù)據(jù),可詳細(xì)反映出所測(cè)地物的立體形態(tài),實(shí)現(xiàn)三維建模,滿足高精度影像微分糾正的需要[8]。圖3分別為2006年和2009年張家灣滑坡群的點(diǎn)云建模圖,通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)山體出現(xiàn)了細(xì)微的滑坡。同時(shí),激光雷達(dá)真正實(shí)現(xiàn)了非接觸式測(cè)量,減少了野外作業(yè)量,擺脫了數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量平臺(tái)的限制,降低了地質(zhì)測(cè)繪成本。

圖3 2006年和2009年激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)山體滑坡對(duì)照?qǐng)D

3.2.2 數(shù)字城市建模

激光雷達(dá)在城市場(chǎng)景中更能體現(xiàn)其數(shù)據(jù)采集密度大、分辨率高、不受陰影遮擋限制的優(yōu)勢(shì)。激光雷達(dá)數(shù)字地面模型DEM與GIS系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),可以將2D的數(shù)字城市“升級(jí)”為3D數(shù)字城市,更直觀和真實(shí)地還原城市場(chǎng)景。因此,激光雷達(dá)被廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市的三維建模、大型建筑物采樣等大比例尺地物數(shù)據(jù)獲取[9]。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)城市三維建模,可以進(jìn)一步應(yīng)用于道路、水電管網(wǎng)的立體化規(guī)劃,以及通過(guò)專業(yè)軟件對(duì)城市噪音分布、風(fēng)場(chǎng)流向、熱島效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)分析,以及城市災(zāi)害分析和搶險(xiǎn)救災(zāi)指揮。

3.2.3 水下探測(cè)及三維成像

水下激光雷達(dá)是激光雷達(dá)的一種,它主要利用藍(lán)、綠激光在海水中衰減小、穿透性好的特性,利用激光對(duì)淹沒(méi)在水中的目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤、控制、通信、定位、識(shí)別和分類。與陸地應(yīng)用相同,將水下激光雷達(dá)與全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)綜合運(yùn)用,可以測(cè)量水下目標(biāo)的三維信息,構(gòu)建目標(biāo)的三維模型。激光雷達(dá)不僅可以對(duì)海底地貌、島礁周邊海域測(cè)繪建模,在水下工程設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)中也發(fā)揮著十分重要的作用。

3.2.4 文物古跡數(shù)字化

目前,國(guó)內(nèi)外部分文物保護(hù)單位為完善文物古跡的研究、修繕、傳播手段,開(kāi)始應(yīng)用激光雷達(dá)采集文物古跡的三維數(shù)據(jù),建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù),輔以計(jì)算機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)珍貴文物的三維虛擬再現(xiàn)。圖4為使用高精度測(cè)量激光雷達(dá)虛擬還原的恐龍骨骼化石三維模型。與實(shí)物文物的不可再生性不同,數(shù)字文物可以無(wú)限共享,更具傳播意義。高精度的文物三維信息也使文物的修復(fù)和仿制工作變得更加容易[10]。

圖4 利用激光雷達(dá)對(duì)文物3D建模

3.3 探測(cè)與測(cè)量方面的應(yīng)用

3.3.1 帶狀工程探測(cè)

將激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于電力、石油管網(wǎng)、公路、鐵路等大型工程測(cè)量中。工程初期,通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)整個(gè)施工帶域內(nèi)的地勢(shì)走向和植被分布進(jìn)行探測(cè),得到精確的三維數(shù)據(jù)。不但便于宏觀立體式的規(guī)劃設(shè)計(jì),還可以對(duì)施工土方的面積、體積和砍伐樹(shù)木的木材量準(zhǔn)確估算,合理制定施工計(jì)劃、調(diào)配施工資源。尤其,在地形繁雜、地域跨度大,施工地區(qū)生活保障條件差、危險(xiǎn)程度高等不適宜人工作業(yè)的情況下,更適宜使用激光雷達(dá)進(jìn)行精確測(cè)量和分析[1]。例如：尼日爾某原油管道施工工作中,沿線城鎮(zhèn)少,可用交通資源不足,工程地域疾病頻發(fā),常有反政府武裝襲擊,為解決工程前期勘測(cè)難題,就采用了機(jī)載激光雷達(dá)進(jìn)行勘測(cè)。

激光雷達(dá)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握目標(biāo)地域的宏觀場(chǎng)景和細(xì)節(jié)變化,也被應(yīng)用在線路和管網(wǎng)巡檢和維護(hù)中,利用高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),分析查找細(xì)微變化,預(yù)先找到潛在事故點(diǎn),極大地方便了維護(hù)管理和應(yīng)急搶修。如圖5為某野外高壓輸電線的點(diǎn)云數(shù)據(jù),從清晰圖像中可以對(duì)電線進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)[11]。在工程搶修中應(yīng)用激光雷達(dá)對(duì)施工精度進(jìn)行監(jiān)測(cè),能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、直觀地反映現(xiàn)場(chǎng)情況,提高了施工安全性和工程作業(yè)效率。

圖5 激光雷達(dá)對(duì)野外懸鏈線和高壓線塔掃描建模

3.3.2 航天工程中的應(yīng)用

激光雷達(dá)以其質(zhì)量輕、體積小、精度高的特點(diǎn),為各國(guó)航天部門(mén)所關(guān)注,大力進(jìn)行研發(fā),在人類探索地外空間的進(jìn)程中發(fā)揮了巨大作用。中國(guó)的嫦娥探月工程中就使用激光雷達(dá)對(duì)月球表面進(jìn)行三維“掃描”,得到了月面的三維立體信息,為進(jìn)一步探索月球做好了前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作[12]。圖6為星載激光雷達(dá)環(huán)繞月球飛行時(shí)所得到的月球表面高程圖。“天宮”在與其他航天器空間交會(huì)對(duì)接過(guò)程中,使用激光雷達(dá)引導(dǎo),調(diào)整速度、角度等方位參數(shù)完成對(duì)接；NASA應(yīng)用激光雷達(dá)研究的自動(dòng)著陸障礙避免技術(shù),用于降低月球車的著陸風(fēng)險(xiǎn)；Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的無(wú)掃描成像激光雷達(dá),能夠快速檢測(cè)航天器隔熱層的受損程度[13]；加拿大Optech公司利用激光雷達(dá),對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位、測(cè)距并獲得目標(biāo)三維信息,實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間目標(biāo)的有效監(jiān)視[14]。

圖6 利用星載激光雷達(dá)測(cè)量月球高程

3.3.3 自動(dòng)導(dǎo)航、障礙規(guī)避

激光雷達(dá)可以快速精確地獲取環(huán)境的深度信息,抗干擾能力強(qiáng),而且受環(huán)境變化的影響小,通過(guò)激光定向或全向掃描,能夠采集大量的精確有效信息?；诩す饫走_(dá)探測(cè)數(shù)據(jù),應(yīng)用聚類-擬合等相關(guān)算法識(shí)別目標(biāo)特征,完成對(duì)道路的提取、障礙感知和臨近目標(biāo)的檢測(cè)。激光雷達(dá)因分辨率高、成本低的優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在障礙物判斷、路面識(shí)別、定位及導(dǎo)航等諸多方面得到廣泛應(yīng)用。2010年,谷歌推出無(wú)人駕駛系統(tǒng),在公路實(shí)測(cè)的22.5萬(wàn)公里中,從未有過(guò)失控或造成人畜傷害的事故發(fā)生。

3.4 醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

激光雷達(dá)以其精確的三維測(cè)量定位和生物特性識(shí)別能力,已經(jīng)在部分醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(簡(jiǎn)稱ORNL)為減輕燒傷病人治療中的痛苦,將激光治療技術(shù)與激光雷達(dá)相結(jié)合,利用激光雷達(dá)進(jìn)行三維定位探測(cè),分析燒傷組織的損害程度,從而引導(dǎo)激光自動(dòng)消除壞死的人體組織,利于新生細(xì)胞組織生長(zhǎng)。同時(shí),激光雷達(dá)也在五官整形、假肢設(shè)計(jì)以及人體生物特征監(jiān)測(cè)等方面得到應(yīng)用和研究[15]。

3.5 軍事方面的應(yīng)用

激光雷達(dá)具有無(wú)可替代的顯著優(yōu)點(diǎn),其在民用領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用,很多都可以直接或間接用于軍事用途。例如,激光雷達(dá)可以用于靶場(chǎng)測(cè)量、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、軍用目標(biāo)識(shí)別、火力控制、水下探測(cè)、局部風(fēng)場(chǎng)測(cè)量等。而當(dāng)基礎(chǔ)材料、輻射材料、快速跟蹤定位和成像技術(shù)等方面研究取得重大突破后,也必將首先應(yīng)用于軍事。目前,軍事上較常見(jiàn)的激光雷達(dá)有以下幾種：

3.5.1 激光雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)

激光雷達(dá)分辨率高,可利用高精度三維影像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別。同時(shí),激光雷達(dá)受假目標(biāo)的熱能輻射干擾小,大大提高了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的命中準(zhǔn)確率。激光雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)早在1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中就得到應(yīng)用。激光雷達(dá)可代替地形匹配中的微波雷達(dá)高度表,多普勒速度傳感技術(shù)能夠在低速測(cè)量時(shí)得到高精度數(shù)據(jù),因此巡航導(dǎo)彈單次打擊精度得以大大提高。美軍還進(jìn)一步應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別,利用激光雷達(dá)的特性在快速響應(yīng)的同時(shí)降低了虛警率,從而能夠在導(dǎo)彈發(fā)射后自動(dòng)捕獲目標(biāo),當(dāng)目標(biāo)丟失后能夠自動(dòng)捕獲,并能計(jì)算出彈頭最佳打擊點(diǎn),成為一種直接打擊,且發(fā)射后不用管的智能武器。

3.5.2 超低空目標(biāo)探測(cè)、跟蹤

基于激光雷達(dá)低空探測(cè)性能好、不受陰影和太陽(yáng)高度角影響、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)三方面優(yōu)點(diǎn),激光雷達(dá)非常適合作為一種低空、超低空目標(biāo)探測(cè)、跟蹤雷達(dá),填補(bǔ)該領(lǐng)域的空白,并且實(shí)際低空探測(cè)和跟蹤效果非常好。激光雷達(dá)還可用于對(duì)己方發(fā)射導(dǎo)彈的低空飛行階段及其他低空飛行目標(biāo)進(jìn)行參數(shù)測(cè)量、姿態(tài)調(diào)整和目標(biāo)識(shí)別,不但在實(shí)戰(zhàn)中作用巨大,而且能夠在武器設(shè)備的試驗(yàn)階段提高數(shù)據(jù)采集精度,減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、縮短研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)成本。

3.5.3 偵察激光雷達(dá)

激光雷達(dá)的波長(zhǎng)比常用的毫米波雷達(dá)小2到3個(gè)量級(jí),而光學(xué)設(shè)備的波長(zhǎng)越短分辨率越高,所以通過(guò)激光雷達(dá)獲得的目標(biāo)圖像較微波雷達(dá)可識(shí)別程度要高的多。激光雷達(dá)波長(zhǎng)極短且多普勒頻移靈敏度高,能夠達(dá)到極高的距離辨析和角度辨析,甚至可以作為每秒毫米級(jí)的距離測(cè)量設(shè)備。而激光雷達(dá)回波數(shù)據(jù)所特有的三維特性和植物穿透特征,實(shí)現(xiàn)了對(duì)隱蔽目標(biāo)立體感知,戰(zhàn)爭(zhēng)中能夠?qū)δ繕?biāo)更好地進(jìn)行搜索、跟蹤和識(shí)別。美國(guó)機(jī)載偵察激光雷達(dá)在目標(biāo)上空飛行時(shí),可將獲得的數(shù)據(jù)影像在飛機(jī)顯示器上實(shí)時(shí)顯示,并將數(shù)據(jù)發(fā)至地面指揮系統(tǒng)和作戰(zhàn)單元。

3.5.4 彈道導(dǎo)彈防御激光雷達(dá)

隨著世界軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)彈道導(dǎo)彈的大力研發(fā),特別是洲際彈道導(dǎo)彈的成功試射,各個(gè)國(guó)家都感到本土安全受到巨大威脅。彈道導(dǎo)彈的特點(diǎn)是飛行速度快、射程距離遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng)。如果進(jìn)行防御必須在導(dǎo)彈發(fā)射早期,完成對(duì)其的探測(cè)識(shí)別和跟蹤定位,通過(guò)數(shù)據(jù)分析找到導(dǎo)彈起始發(fā)射點(diǎn)、目標(biāo)命中點(diǎn)和最佳攔截點(diǎn)。將新興的激光雷達(dá)技術(shù)與業(yè)已成熟的被動(dòng)紅外探測(cè)技術(shù)相結(jié)合,綜合利用紅外技術(shù)優(yōu)秀的目標(biāo)方位、俯仰參數(shù)測(cè)量能力以及激光雷達(dá)精確的距離測(cè)量能力,可以更加準(zhǔn)確測(cè)量可疑飛行器的飛行方向、距離和速度參數(shù),大大縮短了識(shí)別和鎖定的時(shí)間,可以使導(dǎo)彈彈道的計(jì)算精度成數(shù)量級(jí)的上升,使后半程實(shí)施有效攔截成為可能。

3.5.5 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)

生化武器是一種大規(guī)模、非人道的毀傷武器。即使在和平時(shí)期也被一些恐怖分子和極端主義者所利用,世界人民都面臨著生化武器的威脅。各國(guó)都在采取相應(yīng)措施,以加強(qiáng)對(duì)生化武器的有效探測(cè)與早期防范。傳統(tǒng)生化探測(cè),必須人工攜帶探測(cè)設(shè)備,在污染區(qū)進(jìn)行大面積數(shù)據(jù)采集,不但速度慢、耗時(shí)長(zhǎng),而且人員易感染和中毒。因而研發(fā)一種能夠?qū)ι镔|(zhì)反應(yīng)靈敏、響應(yīng)快速的技術(shù)勢(shì)在必行。當(dāng)空氣中含有特定的生化物質(zhì)時(shí),會(huì)改變空氣的特性,使之對(duì)不同波段激光的吸收或反射特性增強(qiáng)。因而可以利用不同生化物質(zhì)對(duì)應(yīng)特定波長(zhǎng)激光的這一特性,利用激光雷達(dá)差分吸收和散射、感應(yīng)熒光、彈性后向散射等技術(shù),對(duì)該毒劑氣溶膠云進(jìn)行探測(cè)?？梢源_定毒劑云的中心厚度、斜距、高度和中心坐標(biāo)等參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)生化武器的探測(cè)、識(shí)別和分析,減少報(bào)警響應(yīng)時(shí)間,提早完成診斷和防治工作,將災(zāi)難和損失降到最低。

3.5.6 電子對(duì)抗激光雷達(dá)

電子設(shè)備在戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮的作用已經(jīng)越來(lái)越大,現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的核心是設(shè)備性能間的戰(zhàn)爭(zhēng)。如何對(duì)己方的指揮、通信設(shè)備實(shí)施保護(hù),如何對(duì)敵方的設(shè)備進(jìn)行干擾和欺騙,成為關(guān)乎成敗的重要因素。而隨著戰(zhàn)爭(zhēng)中電子設(shè)備的大量應(yīng)用,各種設(shè)備的工作頻率有時(shí)相當(dāng)接近,只有輻射波段足夠小,才能收到較好的干擾和抗干擾效果。激光波長(zhǎng)是微波的千分之一、甚至是萬(wàn)分之一,使用激光雷達(dá)可以得到極窄的帶寬和極高的角度辨析。因而,將激光雷達(dá)應(yīng)用于電子對(duì)抗具有極其誘人的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 語(yǔ)

激光雷達(dá)作為一種新興技術(shù),目前被公認(rèn)為復(fù)雜背景下最有潛力的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)。本文較為詳細(xì)地介紹了激光雷達(dá)的原理、特點(diǎn)和典型應(yīng)用。隨著基礎(chǔ)物理學(xué)、制造加工工藝的不斷提高和新材料、新理論的不斷創(chuàng)新,激光雷達(dá)性能必將得到進(jìn)一步提升,其應(yīng)用領(lǐng)域也將越來(lái)越廣泛,發(fā)揮的作用必將越來(lái)越大。

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Research progress of laser radar applications

LIU Bin,ZHANG Jun,LU Min,TENG Shu-hua,MA Yan-xin,ZHANG Wen-guang

(College of Electronic Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

With the rapid development of laser imaging radar technology,laser radar 3D point cloud data have a good application prospect in many fields. Firstly the basic principle and advantages of laser radar are outlined,and then the applications of laser radar are expounded,such as investigation and monitoring,modeling of surveying and mapping,detection measurement,medical and military,etc. Finally the development trend of laser radar is analyzed.

laser radar;point cloud data;research progress

1001-5078(2015)02-0117-06

劉 斌(1980-)，男，在職研究生，主要研究激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與可見(jiàn)光圖像配準(zhǔn)及融合應(yīng)用。 E-mail：lb8142@163.com

2014-06-12;

2014-07-08

TN958.98

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.001