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刘博士谈激光雷达—激光雷达介绍
激光雷达介绍
刘燕京博士
激光雷达〔LiDAR,发音为莱达〕
机载激光雷达是一种主动式对地进展三维直接观看和测量的技术,因此我们可以使用它昼夜工作。随着计算机技术、GPS和其自身技术的进展和完善,机载激光雷达最近几年受到了越来越多的重视。LiDAR〔莱达〕是从英文短语LightDetectionAndRanging中提取出来的。我们望字生意,很简洁
把莱达〔LiDAR〕与雷达〔RADAR〕联系起来。而LightDetectionAndRanging与RadiowaveDetectionAndRanging确实是一对孪生兄弟。在雷达中,我们承受的是无线电波,而在莱达中,我们承受的是激光器放射的可见和近红外光波,在大气和环境争论中,也会承受其它波段的光波。因此,有时我们又将莱达称作激光雷达。
激光雷达使用两种激光:脉冲式的和连续波的激光
连续波激光雷达用于卫星遥感和长距离遥感。我们通常用的是基于时间-飞行差原理〔time-flight〕的脉冲式的激光雷达。
激光雷达工作原理
激光雷达的工作原理与雷达格外相近。由激光器放射出的脉冲激光由空中入射到地面上,打到树木上,道路上,桥梁上,房子上,引起散射。一局部光波会经过反射返回到到激光雷达的接收器中。接收器通常是一个光电倍增管或一个光电二极管,它将光信号转变为电信号,记录下来。同时由所配备的计时器记录下来同一个脉冲光信号由放射到被接收的时间T。
于是,就能够得到由飞机上的的激光雷到达地面上的目标物的距离R为:
R=CT/2。
这里C代表光速,是一个常数,即C=300,000公里/秒。
激光雷达每一个脉冲激光的最大距离区分率〔maximumrangeresolution〕也可由以下公式给出:
⊿R=C/2·(t+t+t)
L N W
这里,t
L
代表激光脉冲的长度,t
N
代表接收器电子器件的时间常数,t
W
代表激光与目标物体的碰撞时
间常数。对于一个Q-开关的Nd:YAG激光器,它的脉冲常数是10纳秒,接收器电子器件的时间常数st一
N
般是50纳秒到200纳秒,激光与目标物体的碰撞时间常数t较小,一般无视不计。因此,距离区分率⊿R
W
。
机载脉冲式激光雷达的进展简史
激光雷达的研发早在上个世纪的七十年月就开头了(JenniferandJeff 1999)。最初,是由美国的航天航空总署NASA争论出了一种格外笨重的基于激光测量的设备。尽管它格外昂贵,也只能测量放在地面
上的飞机的准确的高度。在八十年月后期,随着GPS民用技术的提高,使得GPS对位置定位的精度到达了厘米的量级。高精度的用于记录激光来回时间的计时器和高精度的惯导测量仪〔InertialMeasurementUnits,IMU〕的相继问世,为激光雷达的商业化打下了根底。
在上个世纪的八十年月末,德国的PeterFrieβ和JoachimLindenberger在DeutscheForschungsgemeinschaft攻读博士学位时开头了有关激光雷达技术的争论课题。在1989年,(斯图加特大学遥感学院)进展了首次相关的试验飞行。测试结
果令人信服地显示出激光雷达用于地形地貌测量和制图方面的巨大的潜力和进展远景。
1992年,在获得了博士学位后,PeterFrieβ和JoachimLindenberger成立了TopScanGmbH公司,开头了商业化机载激光雷达的尝试。很快,TopScan开头了与位于加拿大多伦多市的Optech公司的合作,并且在1993年联合进展了样机的试飞和测试。1995年,由Optech公司与TopScan共同推出了ALTM1020激光雷达,并在1997年对其性能进展了全面的提高,激光发生的频率由200赫兹提高到5000赫兹,飞行高度也到达了1000米。与此同时,德国的TopSys也开发出了基于光纤激光器的激光雷达,FalconI。从1995年到2022年的八年间,Optech共销售了15台ALTM1020和ALTM1225激光雷达(ChristianWeaver,andJoachimLindenberger)。而TopSys除了自己使用外,一共向外卖出了两台FalconI和FalconII。期间,TopScan也转向了向用户供给激光雷达效劳的主业。Optech公司在2022年和2022年又分别推出了能够放射在1000米的高度放射100,000赫兹的ALTM3100和具备在接近2022米的高度时放射100,000赫
兹的ALTMGemini。
在1997年的时候,针对已有激光雷达的缺乏之处,成立于1956年的特地从事制图和GIS效劳的Azimuth也进入了这个兴的行业,并且在技术方面进展了一些提高,于1999年向市场推出了AeroSensor激光雷达()。Azimuth公司位于美国马萨诸塞州,由于公司规模小,她实行了乐观开放的态度,与美国科罗拉多州的EnerQuest合作,由EnerQuest推出RAMS激光雷达,在1999年先后卖给了日本和澳大利亚的客户。同时,EnerQuest公司在RobertKletzli的带着下,首先研发出了配备数码相机的RAMS激光雷达,并且用于2022年的悉尼奥运会。2022年的5月,莱卡公司通过收购Azimuth公司,开头进入此领域,并将AeroSensor改名为ALS40。当时,莱卡公司已经向市场引进了推动扫描式的数码相机ADS40,藉期望于把ADS40与ALS40结合起来使用。由于Azimuth规模小,刚成立不久,所以在被收购前,一共只卖了假设干台,其中还包括RAMS系统。莱卡公司在2022年推出了ALS50,2022年初升级为ALS50-II。为了提高激光点的密度,莱卡公司在2022年十月的INTERGEO大会上,又推出了一项技术:MultiplePulsesinAir(MPiA)。它使得激光雷达不需要等待是否收到了上一个信号后才发出下一个信号,因此信号接收器能够从同一个激光脉冲信号周期里接收到多于一个以上的信号,因而在激光器不变的状况下,
在更高的高度上可接收到更多的激光点。
在上个世纪的九十年月初,一个瑞典的公司Saab接收了瑞典国防部的合同,争论用于追踪潜艇的激光雷达系统。在1994年和1995年,Saab公司分别向瑞典海军和瑞典海岸线治理局两套HAWKEye激光雷达系统。HAWKEye激光雷达系统也是世界上个用于水下探测的激光雷达系统。在2022年,Saab公司把生产HAWKEye激光雷达系统的技术转让给由三个前雇员成立的AHAB公司。2022年6月,Blom公司收购了AHAB。在2022年,AHAB公司向市场推出了HAWKEyeII系统,客户包括挪威的Blom公司和皇家海岸线测绘公司。HAWKEyeII系统承受了两个激光器,一个是用于水下探测的承受532纳米波长的激光器,激光接收频率为4000赫兹;另一个是用于海岸线测量的近红外激光器,激光接收频率为64000赫兹。飞行高度
为200米到400米之间。一般使用直升飞机作为载体。
这里我们要提到一个在激光雷达进展史上另一个重要的公司:Riegl。Riegl公司位于奥地利首都维也纳东北角80公里的一个叫Horn〔号角〕的小镇。她是由维也纳技术大学的Riegl教授于1975年创立的,起初特地生产固体二极管激光器及激光测距仪。从1996年开头,向市场推出了可用于机载、车载和船载的一系列二维激光扫描仪:LMS-Q140,LMS-Q140i,LMS-Q160,LMS-Q120,LMS-Q240,LMS-Q240i,LMS-Q280,
LMS-Q280i,LMS-Q560。射程涵盖近距离2米-100米、低空〔2米-400米〕、中低空〔30-700米〕和中高空〔30米-2022米〕。
我们知道,Optech和莱卡的激光雷达由于问世较早,为了追求飞行的高度而承受了大功率的对于人和动物眼睛会有损害的激光器。当在中低空飞行时,为了削减损害,承受了降低功率输出、增大光斑尺寸等
措施,因而直接造成了空间区分率的下降。
这里我们要指出的是,全部的Riegl激光扫描仪均使用对人和动物眼睛安全的激光器,因此无论是低空飞行还是2022米的中高空飞行,均不需要对激光的输出做任何的调整,保持了测量的高精度。我们快活的看到,Optech公司已经在其用于地面的三维激光雷达系统中改用对人和动物眼睛安全的激光器,因此,
随着激光器争论的进一步进展,全面承受对人和动物眼睛安全激光器的机载激光雷达已经为时不远。由于种类繁多,性价比高,在欧洲和北美的很多地方得到了广泛的应用,尤其是电力、大路,铁路、
林业、矿山、城市规划、海岸线、考古等领域。很多公司、大学和争论单位以及政府部门纷纷使用Riegl的二维激光扫描仪来自己组装激光雷达。其中,Riegl公司于2022年推出的LMS-Q560是世界上第一款商业化的能够进展数字化采集和处理激光全波形的二维激光扫描仪。虽然每一个激光脉冲都是一个周期为2π的正弦波,但是由于技术的限制,过去只能将接收到的正弦波信号提取为几个分立的信号,放弃了许很多多的细节。能够进展数字化全波形的采集、记录和处理的LMS-Q560使得我们能够更多地看到物体外表的细节、粗糙度和变化。诸如房顶和房沿,江河岸边等断点线,茂盛植被掩盖下的地区的地形地貌在过去始终是令人头痛的事情,由于承受时间-飞行原理的激光雷达很难通过空隙成功地入射到地面上,同时,即使最先进的滤波几何学在面对如此的激光点云进展分类时,也常常出错。然而,承受数字化记录全波形的方法已经证明,即使茂盛植被漏出百分之几的空隙,通过所猎取的全波形反射波,我们也能够得到在激光脚印的区域内垂直方向构造和地面形貌的具体细节。它是机载激光雷达进展史上的一个里程碑。
Riegl公司最推出的CP560激光雷达,不仅能够飞超低空〔30米〕,而且能够飞2022米的高度,激光的最大放射频率为240,000赫兹,可接收到的激光点到达了160,000/秒。,激光的最大放射频率到达了400,000赫兹。另外,基于Riegl的激光扫描仪和自己的飞行治理和导航系统,德国的IGI开发出了LiteMapper2800和LiteMapper5600激光雷达,德国的iMAR研发并向智利出口了AIRSURV-LS1000(RieglLMS-Q560)。TopSys研发了基于美国天宝公司的导航系统的Harrrier24
(基于RieglLMS-Q240)和Harrier56(基于RieglLMS-Q560)。
进入二十一世纪以来,机载激光雷达以每年30%的速度快速增长。目前,在全世界的民用机载激光雷
达有200多台。
激光雷达技术介绍
刘博士谈激光雷达—激光雷达激光器的扫描方式
激光雷达介绍
刘燕京博士
激光雷达激光器的扫描方式
目前市场上的脉冲式激光器有四种扫描方式:
振荡〔或叫钟摆〕式〔OscillatingMirror〕。
旋转棱镜式(RotatingPolygon)。
章动〔或Palmer〕式(NutatingMirror,orPalmerScan)。
光纤扫描式(FiberSwitch)。
钟摆式扫描方式
原理:光直接入射到反射平面镜上,每一个钟摆周期在地面上生成一个周期性的线性图案,Zig-Zag型,或称之为之字型。
生产厂家:Optech和莱卡公司。
钟摆式扫描时,反射镜面需要在一秒内振荡数百次,同时要不断地、循环地从一端开头进展启动,加速、到达钟摆的最低点后,减速,直到速度为零,到达
钟摆的另一端。因此它的扫描方向是左右两个方向的。优点:
l 对于扫描视窗角〔FOV〕,扫描速度有很多种选择,使得地面的掩盖宽度和激光点
密度的选择有较多的时机。
l 大的光窗数值孔径。
l 较高的接收信号比。
l
弱点:
l 由于在一个周期内,不断地经受了加速、减速等步骤,因此,所输出的激光点的密度是不均匀的。这种不均匀性在扫描角度很小〔如±20〕时,由于过程短,并
不显著;当扫描角渐渐增大>±40时,不均匀性会越来越显著。
l 由于反射镜的加速/减速,造成了激光点的排列一般是在钟摆的两端密,中间疏。而中间的数据是更受关心的,更关注的。由于在钟摆的两端,镜面的摇摆速度较
低或停顿,并扫描两次,因此所得的数据精度差需要剔除,约占总数据的10%。如扫描角为只选取±200。
l 由于不断地变化速度,造成了机械的磨损,使得IMU的配置发生了漂移,因此每一次飞行前都需要进展“boresight”检校飞行。
l 消耗更多的功率。
旋转棱镜式扫描F
原理:激光入射到连续旋转的多棱镜的外表上,经反射在地面上形成一条条连续的、平行的扫描线。
激光器生产厂家:Riegl。
激光雷达生产厂家:IGI,TopSys,FliMap,iMAR,Fugro/Chance。
优点:
需要的功率小。
棱镜旋转的角速度不变使得激光点的密度均匀,尤其是沿飞机飞行的方向的线
间距完全一样。缺点:
l 由于使用了对眼睛安全的长的波长,为了削减色散度,选择了较小的光窗数值孔
径,一般为5厘米。
l 由于在光通过每一个多棱镜的外表时,都会经受一段较短的不能接收光信号的时间,相对低的反射信号接收比。最大信号接收比一般低于70%。
钟摆式扫描与旋转棱镜式扫描的激光点密度的比较
一般:钟摆式扫描的信号接收比最大在83%左右,但是要扣除约10%的钟摆端的数据,因此,最终所获得的信号接收比最大约在75%左右。
旋转棱镜式扫描的信号接收比最大约在67%左右。
假设激光器的最大放射频率一样的状况下,钟摆式扫描的信号接收比要比旋转棱镜式扫描的多8%。但是,假设最大放射频率不同,如Riegl的LMS-Q560的最大放射频率是240,000赫兹,而莱卡和Optech的最大放射频率约为150,00赫兹。
在同样的飞行高度和速度等条件下,Riegl的激光器的信号接收为160,000赫兹,而莱卡和Optech的仅为112,000赫兹。
具体的数据还要考虑飞行的速度,飞行的高度,地面的地形地貌,地面物的反射系数等。
刘博士谈激光雷达—激光雷达的选择
激光雷达介绍
刘燕京博士
激光雷达的选择
激光雷达主要部件包括:二维激光扫描仪,GPS,IMU,
二维激光扫描仪
二维激光扫描仪是激光雷达的核心局部。
二维激光扫描仪的激光特点
用于激光雷达的二维激光扫描仪的激光器所输出的激光波形有两种:一种是脉冲式的,另一种是连续
波〔continuouswave,CW〕。
脉冲式的激光器一般是半导体激光器,或用半导体激光器泵浦的Nd-YAG(neodymium-dopedyttrium
aluminiumgarnet,Nd:YAlO)激光器。他们的特点是输出的功率大,峰值功率可到达几MW。Optech和莱
3 512
卡公司使用的是Nd-YAG激光器,波长为1064nm,安全等级为IV级;而Riegl和TopSys使用的是波长为1550nm的半导体激光器,安全等级为I级。安全等级为I级的激光器即使在面对面使用是也不会对人眼和动物的眼睛造成损害。
脉冲式激光雷达的测距区分率⊿H由公式
⊿H=C·t/2
P
给出。C是光速,t
P
是光的一个脉冲周期时间。
一个脉冲光在一个周期时间里所通过的距离:脉冲宽度Lp=2⊿H。
假设t=1ns,Lp=300mm;假设t=1ns,Lp=3m。
P P
脉冲宽度越短,测距的区分率越高
一般:t
=1ns。
rise
激光器的峰值输出功率E
p
一般是2022W,那么每放射一个脉冲光所需要的能量E为
E=E·t=2022W·10ns=20μj
p P
因而,假设激光器的放射频率f为10,000赫兹,所需要的激光器的放射功率为P=E·f=。假设f
为100,000赫兹,所需要的激光器的放射功率为2W。
目前市场上的二维激光器的距离测量精度在1000米的距离时为2厘米—5厘米。
光的色散
我们都知道,光会产生色散现象。我们寻常常常会看到,汽车的大灯随着光照距离的增加,其射出
的光斑越来越大,这就是色散。
激光是目前全部已经知道的光中发散度最小的。通常我们用弧度来表示光的色散γ。假设我们以激光器的光窗的孔径为D,激光的波长为λ,光的色散大小的极限值与光衍射相关。当超过它的极限时,光斑会
消灭模糊。因而,
γ≧
也就是说,假设激光器的放射光窗不变,光的色散随着光的波长的增加而增大;假设光的波长不变,
光的色散随着光窗的增加而减小。
例如:假设光的波长为1060nm,光窗的直径为100mm,那么,。假设光的波长为1550nm,光窗的直径为100mm,那么,。
通常,激光器的放射和接收光窗的直径D为5-15厘米。
打到地面的光斑的直径D
L
由上图推出
D=D+2h(tanγ/2)=2h(tanγ/2)=2hγ/2=hγ
L
。
当测量距离为100米时,光斑的直径为30mm;当测量距离为1,000米时,光斑的直径为300mm。一般讲,光斑越小,激光的空间区分率越小。
连续波激光器一般用于卫星遥感或高空遥感。
目前市场上常用激光雷达的激光器及其最大放射频率。
目前市场上的激光雷达的激光放射的最大频率范围为10,000赫兹—240,000赫兹。均为Riegl公司所生产。Optech公司和莱卡公司的激光器的最大放射频率分别是160,000赫兹和150,000赫兹。TopSys的是125,000赫兹。在上个月在北京召开的的2022ISPRS会议上,徕卡公司推出了的ALS60系统,其激光器
的最大放射频率为200,000赫兹。另外,依据内部消息,Riegl公司也将在9月底的2022INTERGEO会议上推出的激光雷达系统。
莱卡和Optech公司承受的是大功率的波长为1064纳米的安全等级为IV级〔I级是最安全的,II级以上越来越担忧全〕的Nd-YAG激光器。当低空飞行时,就必需增大激光的光斑,并且承受强度衰减器来降
低输出激光的强度。
而Riegl公司和TopSys公司承受的是对人和动物眼睛安全的波长为1550纳米的近红外激光器。因此无论是低空飞行还是中高空飞行都不需要增大激光的光斑和衰减激光的强度。
小角发散度的光斑的优点:空间区分率高,水平X-Y测量精度高,简洁穿透植被。
大角发散度的光斑:在低空飞行如小于700米时,使用大功率的安全等级为二级、三级和四级的激光器会对人眼和动物眼睛造成肯定的损害,因此承受增大激光点光斑的直径,并通过强度衰减器来降低输出的激光强度,从而削减激光对人和动物可能造成的损害程度。由此带来的负面影响是所猎取的结果的空间
区分率降低,测量精度下降。
最大放射频率与高度的关系
机载激光雷达并不是在全部的高度都能够以它的最大的频率来放射激光。
依据时间-飞行差原理,激光由飞机上的激光器放射打到地面上被放射回到机载雷达的接收器上所经受的时间t=2H/C。这里C是光在真空中运行的速度,这里更准确话,我们应当用V(光在空气中运行的速度)
,。那么激光放射频率f=1/t。于是,
最大放射频率PRF(PulseRepetitionFrequency)与光速和激光器到标靶的距离相关。fmax=PRF=V/2Hmax
这里V是光在空中运行的速度,V=C/Є,C为光速,Є为空气的介电常数,一般在1—。由于空气受到了严峻的污染,其中含有大量的灰尘颗粒和水-粉尘-有机物胶体,—。
Hmax代表在此频率下激光所能够到达的最远距离。
假设我们取Є=,那么V=C/=272,727公里/秒。
由此我们可获得以下的PRF与飞行高度之间的关系,取V=C。
飞行高度AGL(米)
激光放射最大频率PRF(赫兹)
200
750,000
400
375,000
500
300,000
600
250,000
700
214,000
800
187,000
1000
150,000
1500
100,000
2022
75,000
3000
50,000
4000
37,500
6000
25,000