激光雷达的工作原理

激光雷达是怎样工作的？它有哪些特点？其应用领域和前景如何~

激光雷达的原理是基于大气对激光的散射、吸收、消光和闪烁等物理过程，通过接收后向散射信号来反演大气参数，如气溶胶光学参数、大气温度、风场廓线，以及水汽和大气痕量气体的时空分布等。激光雷达是传统雷达技术和现代激光技术相结合的产物。其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。与普通雷达不同的是，激光雷达的发射信号是激光，与普通雷达发射的无线电波乃至毫米波、微波相比，波长要短得多，这就使得激光雷达对微小的气溶胶粒子和大气分子更敏感，适用于大气探测。此外，普通雷达接收的大多为硬目标的反射信号，而用于大气探测的激光雷达所接收的信号随着激光技术、光学加工工艺、光电探测技术和数据采集技术的发展，激光雷达在探测距离、探测精度、时空分辨率、自动连续观测等方面显示出卓越的探测能力。激光雷达的发展趋势：
(1) 功能多样化
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[31]。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[32]。
(2) 平台多样化
地基单点固定式激光雷达的长期观测十分必要，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。但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，具有高度的机动性，转移观测场地更加便捷[33]，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[34]。船载式激光雷达可以在海洋上空观测，它们在一些地区性乃至全球性大气辐射和大气环境研究，以及多种仪器的对比实验中发挥了重要作用[35]。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[36]。
(3) 组网观测
随着大气辐射和环境科学研究国际间合作的需要，建立激光雷达观测网十分必要。通过统一测量和数据处理的方法和标准，进行长期观测。研究气溶胶的长期变化特征和不同类型的气溶胶在某区域内的分布情况，以及气溶胶的输送路径和机制，及其物理、化学特性在输送过程中的变化。一些国际合作研究计划，如全球平流层变化观测网(NDSC)[37]、气溶胶特征实验(ACE-I、II)[38, 39]等均使用多个激光雷达布网，对一些重要的大气成分的空间分布进行观测。欧洲激光雷达观测网(EARLINET)[40]包括了欧洲不同国家21个地面激光雷达观测站；亚洲激光雷达观测网(AD-Net)[41]对亚洲大陆沙尘气溶胶的光学特性及其远距离输送过程进行联合观测；拉丁美洲激光雷达观测网[42]则开展了对热带和南半球低纬度地区重要大气成份的合作观测。
(4) 商品化
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。例如，美国SESI公司研制的微脉冲激光雷达系列，德国ELIGHT公司开发的车载式测污激光雷达，法国LEOSPHERE公司推出的Windcube测风激光雷达，以及美国ORCA和加拿大OPTECH公司开发的激光雷达系列产品。在国内，近年来中科院安徽光机所研制的车载式测污激光雷达AML-1、微脉冲激光雷达MPL-A1和便携式偏振-米散射激光雷达PML等，都已经开始从实验室研究阶段向商业化产品研制开发进行转变。

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激光雷达工作原理如下：

向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

激光雷达应用分类可以分为：

1、避障雷达

2、化学试剂探测激光雷达

3、机载海洋激光雷达

4、无人驾驶激光雷

LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。
激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。
LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的坐标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。
激光雷达的特点
与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有：
（1）分辨率高
激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离——多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。
（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强
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；另外，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,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。
（3）低空探测性能好
微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。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了许多。
（4）体积小、质量轻
通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达就要轻便、灵巧得多,发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单，维修方便，操纵容易，价格也较低。
激光雷达的缺点
首先，工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。如工作波长为10.6μm的co2激光，是所有激光中大气传输性能较好的,在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷达的作用距离,晴天为10—20km,而坏天气则降至1 km以内。而且,大气环流还会使激光光束发生畸变、抖动，直接影响激光雷达的测量精度。
其次，由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率,只能在较小的范围内搜索、捕获目标，因而激光雷达较少单独直接应用于战场进行目标探测和搜索。

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姚安县15361903090： 激光雷达(一种机械设施) - 搜狗百科？
杭秀可氟： 三维旋转扫描激光雷达一般安装在车辆顶部,可对道路、桥梁、护栏、立交桥、隧道、交叉口等基础设施、道路车辆、自行车、行人、道路障碍物等目标进行三维逐点扫描,目标的轮廓和位置信息形成三维激光雷达扫描点云地图. 机械激光雷达依靠旋转部件来控制激光发射的角度,而固态激光雷达则依靠电子元件来控制激光发射的角度. 由于内部结构的原因,两种激光雷达的尺寸不同.机械激光雷达体积大,价格昂贵,测量精度高,通常放置在车外.

姚安县15361903090： 激光雷达(关于激光雷达的基本详情介绍) ？
杭秀可氟： 1、激光雷达(英文Laser Radar),是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统.2、工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别.3、它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成,激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去,光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲,送到显示器.4、主要优点有分辨率高,隐蔽性好、抗有源干扰能力强,低空探测性能好,体积小、质量轻等.

姚安县15361903090： 激光雷达是什么,有什么特点,有什么军事应用 - ？
杭秀可氟：[答案] 激光雷达工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达.它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成,激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去,光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲,送到显示器. 激光扫描方法不仅是军内...

姚安县15361903090： 激光雷达 - ？
杭秀可氟：[答案] 激光雷达用激光器作为发射光源,采用光电探测技术手段的主动遥感设备.激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式.由发射系统 、接收系统 、信息处理等部分组成.发射系统是各种形式的激光器,如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴...

姚安县15361903090： 什么是激光雷达 - ？
杭秀可氟： 激光雷达指利用激光器作为辐射源的新型雷达.主要用于导弹和火箭初始段的跟踪、测量、卫星精密定轨、飞机和巡航导弹低仰量角跟踪测量,以及大气的温度、湿度、风速、能见度等气象参数的测量等.激光雷达的主要特点是:方向性好,测角、测距精度高,不受地面杂波干扰,体积小,重量轻,多普勒测速灵敏度高,对等离子体的穿透能力强.蓝绿激光雷达还可用于探测水下目标等.由于激光雷达所辐射的激光在大气中衰减比较大,所以常用来制成监测大气特性的气象雷达.军用激光雷达与红外、电视等光电装备结合,组成地面、舰载和机载的火力控制系统,亦可用于导弹的制导装置.

姚安县15361903090： 雷达的工作原理和功能是什么?目前有那些种类 - ？
杭秀可氟： 雷达的工作原理是通过发射和接受无线电波来实现对目标的探测,现代雷达可以同时探测目标的距离、方位、高度、速度、形状和目标类型等等. 雷达的种类繁多,分类的方法也非常复杂.一般为军用雷达.通常可以按照雷达的用途分类,如预...

姚安县15361903090： 有人科谱一下光学雷达吗?什么原理? - ？
杭秀可氟： 光学雷达是一种光学遥感技术,它通过向目标照射一束光,通常是一束脉冲激光来测量目标的距离等参数.激光雷达在测绘学、考古学、地理学、地貌、地震、林业、遥感以及大气物理等领域都有应用,此外,这项技术还用于机载激光地图测绘、激光测高、激光雷达等高线绘制等等具体应用中.激光雷达对物体距离的测量与通常所说的雷达类似,都是通过测量发送和接受到的脉冲信号的时间间隔来计算物体的距离.因此,由于原理上的相似性,尽管雷达的准确定义是使用的是微波或无线电波等波长较长的电磁波进行检测测距的设备,激光雷达这一术语仍然被广泛使用.这是的资料,仅供参考

姚安县15361903090： 什么是激光?？
杭秀可氟： 激光雷达技术的技术原理来自于雷达,并借助了激光和类似望远镜的检测器.其工作方法是,将紫外线脉冲发射到大气层,沿着它的轨迹,光被小颗粒散射开.空气中颗粒物越多,所反射的光越多.而反射到激光雷达系统的光被望远镜和敏感的检测器接收.

姚安县15361903090： 激光雷达在无人驾驶中的关键作用 - ？
杭秀可氟： 激光雷达描绘周围环境几个主要参数,包括线数、点密度、水平垂直视角、检测距离、扫描频率、精度等.除了位置和距离信息,激光雷达还提供返回所扫描物体的密度信息,后续算法据此可以判断扫描物体的反射率再进行下步处理.通过检测...