激光雷达的应用及发展前景

电子科技大学格拉斯哥学院 2017级詹雅馨

激光是二十世纪六十年代发展起来的一门崭新的学科。随着基础理论和应用技术研究的发展,它己成为科技领域中强有力的研究工具。由于激光雷达的独特优点,它在民用和军用应用范围广泛，并且发展前景一片光明。

　　一、激光雷达概述

　　激光雷达种类繁多，并且与普通雷达相比，它有着自身的优势，因此用途广泛。

　　（一）激光雷达的内涵与外延

激光雷达 Lidar( LIght Detection and Ｒanging) 是一种通过探测远距离目标的散射光特性来获取目标相关信息的光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，主要由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。它的工作原理与微波雷达或无线电雷达类似，即由发射系统发射一个信号，与目标发生相互作用，返回的信号被接收系统收集并处理，获得所需的目标信息。随着超短脉冲激光技术、高灵敏度的信号探测和高速数据采集系统的发展和应用，激光雷达由于测量精度高、时间和空间分辨率精细以及探测跨度大而成为一种重要的主动遥感工具。

目前，激光雷达的种类很多，依据不同的划分标准，可以有不同的划分结果。

按激光波段分，有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达；按激光介质分，有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵浦固体激光雷达等；

按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等；按显示方式分，有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达；

按运载平台分，有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等；

按功能分，有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等；

按用途分，有激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气监测激光雷达等。

　　（二）激光雷达的特点

与普通微波雷达相比,激光雷达具有一系列独特的优点:

1.分辨率高

激光雷达具有极高的角度、距离和速度分辨率。首先,角分辨能力高。由于工作波长较短,采用小的光学接收孔径就能获得极高的分辨率。如在100km处仅用1O0cm的光学接收口径就可分辨相距1m的两个目标。其次,距离分辨率高。采用脉冲测距法,由于激光脉冲宽度可做到皮秒量级,因此距离分辨力就是毫米级，实用的卫星测距仪己采用0.1nm的脉宽,其距离分辨力达2cm。再次，速度分辨力高。激光雷达因工作波长较短、多普勒频率灵敏度高,因此具有极高的速度分辨力，其速度分辨力已达到毫米每秒级。利用激光雷达具有极高的分辨率,就可以获得目标反射激光的辐射几何分布图像、距离选通图像和速度图像等多种图像。

2.隐蔽性好

激光直线传播、方向性好、光束非常窄，只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低。激光雷达在超低空或低空下工作时,不仅能正常跟踪,而且可得到清晰的图像。

3.抗有源干扰能力强

与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强，适于在日益复杂和激烈的信息战环境中工作。

4.低空探测性能好

　　微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在一些无法探测的区域，也就是有一定区域的盲区。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响，因此可以“零高度”工作，低空探测性能较微波雷达强。

5.轻便灵巧

通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，仅天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达发射望远镜的口径一般在厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，而且激光雷达的结构相对简单，不但轻便、灵巧，而且架设、拆收也很简便。相对普通微波雷达来说，价格也较便宜。

　　当然，与微波雷达相比较,激光雷达也有它的局限性。主要有：一是全天候性能低于微波雷达；二是波束窄,搜索目标困难；三是技术上的难度较大。

　　二、激光雷达的广泛应用

激光雷达已广泛应用于军事、生产、生活的各个领域，真正做到了惠及军民。

　　（一）激光雷达的军事应用

激光雷达作为一种能够对抗电子战、反辐射导弹、超低空突防和隐身目标的高灵敏度雷达，其发展一直受到各国军方高度关注。目前，激光雷达在战场侦察、气体探测、水下目标探测等方面发挥重要作用，同时各国也在探索它的其它方面军事应用。

1.战场侦察

众所周知，普通的成像技术（如电视摄像、航空摄影及红外成像等）获得的场景图像都是反映被摄区域辐射强度几何分布的图像，而激光雷达可以通过采集方位角—俯冲角—距离—速度—强度等三维数据，再将这些数据以图像的形式显示出来，从而可产生极高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像等，能提供普通成像技术所不能提供的信息，因而可以用于战场侦察。

2.气体探测

激光雷达通过射向大气中的激光与大气中的气溶胶及大气分子的作用，产生散射，探测器接收散射波并经分析、处理，从而可以检测大气的湿、温、风、压等基本参数，探测紊流，实时测量风扬起乃至大气中的生物战剂。譬如德国研制的一种连续波CO2激光器，能发出40个不同频率的激光波，根据吸收光谱学的原理可探测和识别9m－11m波段光谱能量的化学战剂。

3.精确跟踪

自二十世纪七十年代末，激光雷达开始用于坦克、火炮、舰艇和飞机的火控系统，尤其是激光自动跟踪雷达，能够精确测距、精确测速、精确跟踪而获得军事家们的青睐。例如美国白沙导弹靶场的CO2激光雷达系统，能同时进行成像和距离的跟踪测量。它可在大角度范围内以高跟踪修正速率跟踪单个目标，也可在多个目标之间重新确定目标。

4.水下探测

声纳是传统的水中目标探测装置,但由于它的体积和重量过于大,给探测带来诸多不便。后来发现波长为0.46－0.53μm的蓝绿激光能穿透几百到几千米的海水。1981年,美国在圣地亚哥附近海域12km高度的水面上空与水下300m深处的潜艇间成功地进行了蓝绿激光通信试验,这不仅打开了水上与水下联络的激光通道,也使水下的探测成为可能。激光雷达利用激光器发射大功率窄脉冲蓝绿激光,通过接收目标反射回来的回波来获取水下目标的方位、速度等参数,从而对水中目标进行警戒、搜索和跟踪,与传统声纳探测方式相比既简单精度又高。

5.电子对抗

激光雷达可广泛地应用于武器鉴定、指挥引导、障碍回避等许多方面。例如，在导弹发射初始段和目标低飞时，由于仰角太小，一般的微波雷达不易探测，而用普通的光学测量设备又不能实时输出数据，即使给出，数据精度也不够，因此，仅利用微波雷达不易进行弹丸的全程鉴定，激光雷达能在一定程度上弥补这方面的不足，可用于导弹发射初始段和低飞目标的测量、目标姿态的测定、再入目标和测量与识别。

　　（二）激光雷达的民用

随着激光雷达技术的不断进步，激光雷达不仅仅在军事领域大显身手，其在民用领域的应用范围也在不断扩展。如今激光雷达技术已广泛应用于社会发展及科研研究的各个领域，成为社会发展服务中不可或缺的高技术手段。

1.用于大气环境监测

激光雷达由于探测波长短、波束定向性强、能量密度高，因此具有高空间分辨率、高探测灵敏度和不存在探测盲区等优点，已经成为目前对大气进行高精度遥感探测的有效手段。利用激光雷达可以探测气溶胶、云粒子的分布、大气成分和风场的垂直廓线，可以对主要污染源进行有效监控。

2.用于险情预报

　　激光雷达技术能够精密测量角度和距离,且能以很高的精度确定垂线和局部垂线,因此它在测绘中非常有用。通过定位雷达设备观测现有卫星的后向发射器目标及与地球有关的卫星距离变化,可以监测与地质结构漂移有关的地质物理运动,进行地震预报。

　　不同种类的大气颗粒物与激光发生的散射现象不同,利用激光雷达监测系统有效区分由沙尘暴引起的沙尘颗粒物和其他大气颗粒物,并且通过研究沙尘暴的起源、传输途径、时空分布特点,能有效对沙尘暴进行预报、监测,采取相宜的措施阻断沙尘暴的传播路径,有效降低沙尘暴造成的灾害程度,同时对环境的保护提出积极的措施。

3.用于气象侦测

　　利用激光雷达进行气象侦测,可提高天气预报的准确性。用激光取代无线电波来进行气象侦测,激光雷达具有测量跟踪不含任何微粒的风的能力,可以监视大型天气系统,对其移动方向做出准确的预测,能进行长期的天气预报，这将对工农业生产、人民生活带来深远影响。

4.用于交通管制

　　激光雷达用于港口的交通管理具有相当的优越性,用扫描激光雷达可以描绘出港口和船只来往的高分辨率图像,提供显示和观测,再把海面航道叠加在显示器上,从而显示出船只的来往情况。船舰上装配有无线电通信设备,当发现一只船已偏航,可能与其他船发生碰撞时,交通管理中心会向这艘船发出指令信号,使它回归原来的航向,从而减少了海上事故的发生。

　　激光雷达在公路交通管理中也发挥重要作用。“远程”雷达可用于确定后面车辆的时速,在并道或拐弯时,驾驶员就可凭此判断是否需要减速。交通管理部门已经把这种技术应用于高速公路的监视中,可以借此看到公路上的车流量和拥堵情况以及行驶中的各种车辆的大小。另外,激光雷达与数字计算机相结合可应用于空中交通管制,会提高分辨率和数据率,显著改善机场的技术工作。

5.用于医学方面

激光雷达技术在医学方面有很多应用，譬如，光学低相干断层扫描，这个技术起源于激光反射仪在眼科中研究眼睛结构的三维复原方面的广泛应用，实现对血管的三维内窥镜研究，扩展到多普勒三维测速仪。再比如，美国一个国家实验室开发出了一种集成激光和雷达系统的系统，这种系统可以减轻烧伤病人的痛苦。研究人员希望这种同频连续波激光雷达映射系统，可以从病人身体上去除坏死的皮肤和肌肉。这种新系统可以对烧伤病人的体表组织进行三维的激光雷达定位探测，以确定损害程度。利用探测定位结果，激光可以自动除去坏死的组织以利于新组织生长。

　　三、激光雷达的发展趋势

由于激光雷达是一种代价小、效果好、使用范围广的遥感手段，相信将来会应用得更为广泛。

　　（一）发挥功能日趋多样

随着激光雷达的发展，其测量范围已从最初的利用米散射信号探测大气气溶胶分布，发展为可用于温度、风场、气体成分等多领域的探测。通过利用多通道探测，可实现一台激光雷达系统同时探测水汽混合比和气溶胶参数等多种大气参数。多波长激光雷达可测量气溶胶在多个波长上的消光系数和后向散射系数，进而反演出气溶胶的复折射率和粒子谱分布。

　　（二）搭载平台日趋多元

地基单点固定式激光雷达对于研究和统计分析一些重要大气成分的变化规律具有重要价值，而将激光雷达搭载在多种移动式平台上，更能发挥出激光雷达的作用。车载式激光雷达，机动性高，转移观测场地更加便捷，便于应对突发事件的探测需要。机载式激光雷达可以进行较大范围的移动观测，并且便于对云层进行实验探测。星载激光雷达能够进行全球范围内重要大气参数的主动遥感。米散射气溶胶激光雷达、二氧化碳差分吸收激光雷达、多普勒测风激光雷达等将在不久的未来应用于全球卫星遥感观测。

　　（三）商业应用范围更加广阔

激光雷达能够监测多种重要大气成分和参量的时空分布，具有测量距离远、时空分辨率高、探测成本低和能够连续自动观测的特点，具备其它探测方式无法替代的作用，在气象观测、大气环境监测和风场测量等民用领域日益受到重视，因此其应用市场广阔。目前，单波长米散射激光雷达、探测污染气体的差分吸收激光雷达，及测风激光雷达已经成功实现商品化。随着激光的效率越来越高，而且也更小巧、更便宜，这为汽车以及无人机提供了潜在应用，在自动驾驶汽车方面的应用可能是激光雷达最为广泛的商业应用。

总之，随着激光雷达行业技术的不断发展，激光雷达行业的应用领域将越来越广泛，激光雷达的市场规模仍将保持高速上涨。2017年，中国激光雷达市场规模达到2.13亿元。但是，与发达国家相比，中国激光雷达行业发展相对落后，在技术以及应用领域的推广方面还需要进一步提升和扩大，这也为我国繁荣激光雷达发展提供了前进的动力和方向。

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