激光雷达技术

激光雷达技术介绍 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行三维直接观察和测量的技术，因此我们可以使用它昼夜工作。随着计算机技术、GPS和其自身技术的发展和完善，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Light Detection And Ranging中提取出来的。我们望字生意，很容易把莱达（LiDAR）与雷达（RADAR）联系起来。而Light Detection And Ranging与Radiowave Detection And Ranging确实是一对孪生兄弟。在雷达中，我们采用的是无线电波，而在莱达中，我们采用的是激光器发射的可见和近红外光波，在大气和环境研究中，也会采用其它波段的光波。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非常相近。由激光器发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。一部分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，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发射到被接收的时间T。 于是，就能够得到由飞机上的的激光雷达到地面上的目标物的距离R为: R = CT/2。 这里C代光速，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分辨率（maximum range resolution）也可由以下公式给出： ⊿R = C/2·(tL+tN+tW) 这里，tL代表激光脉冲的长度，tN代表接收器电子器件的时间常数，tW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stN一般是50纳秒到200纳秒，激光与目标物体的碰撞时间常数tW较小，一般忽略不计。因此，距离分辨率⊿R一般在7.5米到30米。 机载脉冲式激光雷达的发展简史 激光雷达的研发早在上个世纪的七十年代就开始了(Jennifer and Jeff   1999)。最初，是由美国的航天航空总署NASA研究出了一种非常笨重的基于激光测量的设备。尽管它非常昂贵，也只能测量放在地面上的飞机的精确的高度。在八十年代后期，随着GPS民用技术的提高，使得GPS对位置定位的精度达到了厘米的量级。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（Inertial Measurement Units，IMU）的相继问世，为激光雷达的商业化打下了基础。 在上个世纪的八十年代末，德国的Peter Frieβ和Joachim Lindenberger在Deutsche Forschungsgemeinschaft攻读博士学位时开始了有关激光雷达技术的研究课题。在1989年，他们与Fritz Ackermann教授一起在Univ. of Stuttgart (斯图加特大学遥感学院)进行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发展远景。 1992年，在获得了博士学位后，Peter Frieβ和Joachim Lindenberger成立了TopScan GmbH公司，开始了商业化机载激光雷达的尝试。很快，TopScan开始了与位于加拿大多伦多市的Optech公司的合作，并且在1993年联合进行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年对其性能进行了全面的提高，激光发生的频率由200赫兹提高到5000赫兹，飞行高度也达到了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，Falcon I。从1995年到2003年的八年间，Optech共销售了15台ALTM1020和 ALTM 1225 激光雷达(Christian Weaver, and Joachim Lindenberger)。而TopSys除了自己使用外，一共向外卖出了两台Falcon I 和 Falcon II。期间，TopScan也转向了向用户提供激光雷达服务的主业。Optech公司在2004年和2006年又分别推出了能够发射在1000米的高度发射100,000赫兹的ALTM3100 和具备在接近2000米的高度时发射100,000赫兹的ALTMGemini。 在1997年的时候，针对已有激光雷达的不足之处，成立于1956年的专门从事制图和GIS服务的Azimuth也进入了这个新兴的行业，并且在技术方面进行了一些提高，于1999年向市场推出了AeroSensor激光雷达(Kevin P. Corbley)。Azimuth公司位于美国马萨诸塞州，由于公司规模小，她采取了积极开放的态度，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Robert Kletzli的带领下，首先研发出了配备数码相机的RAMS激光雷达，并且用于2000年的悉尼奥运会。2001年的5月，莱卡公司通过收购Azimuth公司，开始进入此领域，并将AeroSensor改名为ALS40。当时，莱卡公司已经向市场引进了推进扫描式的数码相机ADS40，藉希望于把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，一共只卖了若干台，其中还包括RAMS系统。莱卡公司在2003年推出了ALS50，2006年初升级为ALS50-II。为了提高激光点的密度，莱卡公司在2006年十月的INTERGEO大会上，又推出了一项新技术: Multiple Pulses in Air (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新信号，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情况下，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代初，一个瑞典的公司Saab接收了瑞典国防部的，研究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管理局两套HAWK Eye激光雷达系统。HAWK Eye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2002年，Saab公司把生产HAWK Eye激光雷达系统的技术转让给由三个前雇员成立的AHAB公司。2005年6月，Blom公司收购了AHAB。在2005年，AHAB公司向市场推出了HAWK Eye II系统，客户包括挪威的Blom公司和皇家海岸线测绘公司。HAWK Eye II系统采用了两个激光器，一个是用于水下探测的采用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发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，起初专门生产固体二极管激光器及激光测距仪。从1996年开始，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-2000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采用了大功率的对于人和动物眼睛会有伤害的激光器。当在中低空飞行时，为了减少伤害，采用了降低功率输出、增大光斑尺寸等措施，因而直接造成了空间分辨率的下降。 这里我们要指出的是，所有的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2000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。我们高兴的看到，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，随着激光器研究的进一步发展，全面采用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，在欧洲和北美的许多地方得到了广泛的应用，尤其是电力、公路，铁路、林业、矿山、城市规划、海岸线、考古等领域。许多公司、大学和研究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2004年推出的LMS-Q560是世界上第一款商业化的能够进行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，放弃了许许多多的细节。能够进行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表面的细节、粗糙度和变化。诸如房顶和房沿，江河岸边等断点线，茂密植被覆盖下的地区的地形地貌在过去一直是令人头痛的事情，因为采用时间-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行分类时，也经常出错。然而，采用数字化记录全波形的方法已经证明，即使茂密植被漏出百分之几的空隙，通过所获取的全波形反射波，我们也能够得到在激光脚印的区域内垂直方向结构和地面形貌的详细细节。它是机载激光雷达发展史上的一个里程碑。 Riegl公司最新推出的CP560激光雷达，不仅能够飞超低空（30米），而且能够飞2000米的高度，激光的最大发射频率为240,000赫兹，可接收到的激光点达到了160,000/秒。配备双激光器的BP560激光.雷达，激光的最大发射频率达到了400,000赫兹。另外，基于Riegl的激光扫描仪和自己的飞行管理和导航系统，德国的IGI开发出了LiteMapper 2800 和 LiteMapper 5600激光雷达，德国的iMAR研发并向智利出口了AIRSURV-LS1000(Riegl LMS-Q560)。TopSys研发了基于美国天宝公司的导航系统的Harrrier 24 (基于Riegl LMS-Q240)和Harrier 56 (基于Riegl LMS-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： 1.      振荡（或叫钟摆）式（Oscillating Mirror）。 2.      旋转棱镜式(Rotating Polygon)。 3.      章动（或Palmer）式(Nutating Mirror,or Palmer Scan)。 4.      光纤扫描式(Fiber Switch)。 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、循环地从一端开始进行启动，加速、达到钟摆的最低点后，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）,扫描速度有许多种选择，使得地面的覆盖宽度和激光点密度的选择有较多的机会。 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，不断地经历了加速、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，因为过程短，并不显著；当扫描角逐渐增大＞±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，镜面的摆动速度较低或停止，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行“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表面上，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：                     1.      需要的功率小。 2.      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相同。 缺点： l        因为使用了对眼睛安全的长的波长，为了减少色散度，选择了较小的光窗数值孔径，一般为5厘米。 l        因为在光通过每一个多棱镜的表面时，都会经历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，最后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。 如果激光器的最大发射频率相同的情况下，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，如果最大发射频率不同，如Riegl的LMS-Q560的最大发射频率是240,000赫兹，而莱卡和Optech的最大发射频率约为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部分。 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（continuous wave, 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-doped yttrium aluminium garnet, Nd:Y3Al5O12)激光器。他们的特点是输出的功率大，峰值功率可达到几MW。Optech和莱卡公司使用的是Nd-YAG激光器，波长为1064 nm，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伤害。 脉冲式激光雷达的测距分辨率⊿H由公式 ⊿H=C·tP/2     给出。C是光速，tP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。 如果tP=1ns, Lp=300mm; 如果tP=1ns, Lp=3m。 脉冲宽度越短，测距的分辨率越高 一般：trise=1ns。 激光器的峰值输出功率Ep一般是2000W,那么每发射一个脉冲光所需要的能量E为 E=Ep·tP=2000W·10ns=20μj 因而，如果激光器的发射频率f为10,000赫兹，所需要的激光器的发射功率为 P=E·f=0.2W。如果f为100,000赫兹，所需要的激光器的发射功率为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。我们平时经常会看到，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。 激光是目前所有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。如果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，光斑会出现模糊。因而， γ≧ 2.44λ/D 也就是说，如果激光器的发射光窗不变，光的色散随着光的波长的增加而增大；如果光的波长不变，光的色散随着光窗的增加而减小。 例如：如果光的波长为1060nm, 光窗的直径为100mm,那么，光的色散为0.26mrad。 如果光的波长为1550nm, 光窗的直径为100mm,那么，光的色散为0.38mrad。 通常，激光器的发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DL由上图推出    DL=D+2h(tanγ/2)= 2h(tanγ/2)= 2hγ/2= hγ 我们以0.3mrad来举例说明它的意义。  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，激光的空间分辨率越小。 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发射频率。 目前市场上的激光雷达的激光发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发射频率分别是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2008 ISPRS 会议上，徕卡公司推出了新的ALS60系统，其激光器的最大发射频率为200,000赫兹。另外，根据内部消息，Riegl公司也将在9月底的2008 INTERGEO会议上推出新的激光雷达系统。 莱卡和Optech公司采用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级以上越来越不安全）的Nd-YAG激光器。当低空飞行时，就必须增大激光的光斑，并且采用强度衰减器来降低输出激光的强度。 而Riegl公司和TopSys公司采用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：空间分辨率高，水平X-Y测量精度高，容易穿透植被。 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一定的损害，因此采用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，从而减少激光对人和动物可能造成的伤害程度。由此带来的负面影响是所获取的结果的空间分辨率降低，测量精度下降。  最大发射频率与高度的关系 机载激光雷达并不是在所有的高度都能够以它的最大的频率来发射激光。 根据时间-飞行差原理，激光由飞机上的激光器发射打到地面上被发射回到机载雷达的接收器上所经历的时间t=2H/C。这里C是光在真空中运行的速度，这里更准确话，我们应该用V(光在空气中运行的速度)来代替C.当飞行高度为1000米时，所需时间为6.7微秒。 那么激光发射频率f=1/t。于是， 最大发射频率PRF(Pulse Repetition Frequency)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/?, C 为光速，?为空气的介电常数，一般在1—1.2之间。由于空气受到了严重的污染，其中含有大量的灰尘颗粒和水-粉尘-有机物胶体，我们可取?值在1.0—1.8之间。Hmax代表在此频率下激光所能够达到的最远距离。 如果我们取?=1.1，那么V=C/1.1=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) 激光发射最大频率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 2000 75,000 3000 50,000 4000 37,500 6000 25,000     因此我们明白了不论是那家的产品，它所标定的最大发射频率都是在一定的高度以下才能达到的。