激光雷達(dá)測(cè)繪技術(shù)與應(yīng)用

謝宏全， 男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，1964年5月出生于遼寧省葫蘆島。1986年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院礦山測(cè)量專業(yè)，1994年在阜新礦業(yè)學(xué)院獲碩士學(xué)位，2005年在中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）獲博士學(xué)位。先后在阜新煤炭工業(yè)學(xué)校、華北理工大學(xué)、淮海工學(xué)院從事教學(xué)工作。2012年以來(lái)開始從事地面三維激光掃描技術(shù)與應(yīng)用方面的教學(xué)與研究工作，曾主持市級(jí)與省級(jí)研究項(xiàng)目4項(xiàng)，公開發(fā)表論文90多篇，出版專著3部，主編教材2部。 2100433B

本書共12章，全面系統(tǒng)地介紹了激光雷達(dá)技術(shù)與應(yīng)用方面的內(nèi)容。第1章簡(jiǎn)要介紹基本概念與原理、發(fā)展概述、存在問題與發(fā)展趨勢(shì)；第2章介紹國(guó)內(nèi)外多類型的地面三維激光掃描設(shè)備；第3章介紹地面激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的方法，點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式與缺失成因分析；第4章介紹地面激光掃描儀精度檢測(cè)的概念、研究概述、性能參數(shù)定義等；第5、6章介紹點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的主要流程和三維建模方法；第7、8、9章介紹地面三維激光掃描技術(shù)在傳統(tǒng)測(cè)繪、文物保護(hù)、水利工程等方面的應(yīng)用；第10章介紹車載激光測(cè)量系統(tǒng)的概念、特點(diǎn)、系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理，國(guó)內(nèi)外車載激光測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備等；第11章簡(jiǎn)要介紹機(jī)載激光測(cè)量系統(tǒng)的概念、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品，內(nèi)外業(yè)技術(shù)流程與應(yīng)用領(lǐng)域。第12章介紹激光雷達(dá)技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域中的應(yīng)用。

固體激光雷達(dá)半導(dǎo)體二極管激光成像雷達(dá)

半導(dǎo)體二極管激光器以其體積小, 質(zhì)量輕, 堅(jiān)固可靠, 高效率(可達(dá)30 %), 高重復(fù)頻率和潛在的低成本, 以及可采用非制冷高靈敏度APD 探測(cè)器的特點(diǎn), 成為小型激光雷達(dá)的優(yōu)選光源。80 年代中期以后, 隨著二極管激光器在提高輸出功率, 改進(jìn)光束質(zhì)量和方向性以及降低探測(cè)器閾值等方面取得的重大進(jìn)展, 國(guó)際上開始發(fā)展二極管激光雷達(dá)。其應(yīng)用背景主要是巡航導(dǎo)彈下視雷達(dá)和武裝直升機(jī)前視電線防撞, 近距戰(zhàn)術(shù)武器精確制導(dǎo)等。

1985 年年底, 美國(guó)空軍懷特(Wright)實(shí)驗(yàn)室開始了一項(xiàng)研究計(jì)劃, 以確定二極管激光雷達(dá)作為制導(dǎo)傳感器的可行性。Schw artz 光電公司研制了獨(dú)有的目標(biāo)識(shí)別和分類算法的實(shí)時(shí)二極管成像激光雷達(dá)系統(tǒng)。1989 年在塔上試驗(yàn)獲得成功。1990 年作飛行試驗(yàn), 試驗(yàn)中激光發(fā)射器采用二極管陣列, 其發(fā)射功率為120W , 作用距離為500m , 視場(chǎng)為4°×10°, 圖像幀頻30Hz , 試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示一個(gè)三維距離彩色圖像和一個(gè)灰度級(jí)反射率圖像, 顯示中還包括目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置, 目標(biāo)分類和目標(biāo)距離。機(jī)載二極管激光成像避障雷達(dá)的研制也取得了很大進(jìn)展。法國(guó)Thomson-TRT 公司研制了HOWARD 激光雷達(dá)系統(tǒng), 用于直升機(jī)障礙物告警。采用二極管激光器作發(fā)射源, 發(fā)射脈沖峰值功率為100W , 重復(fù)頻率為20kHz , 采用雙光楔玫瑰線掃描, 掃描視場(chǎng)為30°×30°, 探測(cè)距離為200 ～400m 。美國(guó)Northrop 公司研制的直升機(jī)防撞告警系統(tǒng)(OASYS)二極管激光成像雷達(dá)系統(tǒng) , 采用圓周平移掃描, 發(fā)射脈沖能量為8μJ , 重復(fù)頻率為64kHz , 視場(chǎng)為25°×50°, 對(duì)2 .5cm 電力線的成像距離大于400m 。

80 年代, 半導(dǎo)體激光雷達(dá)原理實(shí)用化研究取得較大進(jìn)展。1990 年美國(guó)公布了巡航導(dǎo)彈的調(diào)幅連續(xù)波相位測(cè)距紅外激光測(cè)高儀的專利(465.764),以下視測(cè)高為主, 可兼前視測(cè)距。1987年德國(guó)專利(3606337)和1989 年德國(guó)專利(3901040)都介紹了連續(xù)波激光測(cè)高儀。1991 年和1992 年美國(guó)國(guó)防部明確提出了近程(3～10km)半導(dǎo)體相干激光成像雷達(dá)的發(fā)展計(jì)劃。1991 年進(jìn)行了前視和下視的掛飛試驗(yàn), 驗(yàn)證了直升機(jī)測(cè)障回避, 1994 年和1995 年驗(yàn)證了機(jī)載下視測(cè)高。目前, 美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室、休斯公司等機(jī)構(gòu)也都在發(fā)展二極管激光主動(dòng)成像雷達(dá)。二極管激光成像雷達(dá)的最大缺點(diǎn)是輸出功率低(約幾百瓦量級(jí)), 作用距離近, 束散寬,故要求用大尺寸光學(xué)系統(tǒng)來(lái)減小束散。這對(duì)要求遠(yuǎn)距離成像的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用帶來(lái)困難, 因此, 在一個(gè)時(shí)期內(nèi)還需作許多工作才能滿足要求。

固體激光雷達(dá)二極管泵浦固體激光成像雷達(dá)

80 年代后期, 隨著二極管泵浦固體激光器(DPL)的發(fā)展, 固體激光器大大提高了效率和重復(fù)頻率, 克服了熱效應(yīng)等缺點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)單模穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn), 高穩(wěn)頻, 高功率, 高效率和高光束質(zhì)量, 并使器件向小型化發(fā)展。正是由于固體激光器本身的優(yōu)點(diǎn)和近幾年來(lái)固體激光技術(shù)的重大突破, 固體激光雷達(dá)在成像, 遠(yuǎn)程目標(biāo)跟蹤和識(shí)別等領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。美?guó)率先進(jìn)行了二極管泵浦固體激光制導(dǎo)技術(shù)的研究。90 年代初期, 美國(guó)Hercules 防御中心成功研制一臺(tái)用于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視的1.32μm 固體激光成像雷達(dá), 采用光柵掃描成距離像。該發(fā)射系統(tǒng)采用了連續(xù)波激光二極管泵浦Q 開關(guān)Nd :YLF激光器, 輸出峰值功率為2kW , 發(fā)散角為0 .5mrad ,光束直徑為5mm 。接收機(jī)天線直徑為48mm ,焦距為2 .5mm ,光斑尺寸為0 .25mrad 。激光雷達(dá)使用InGaAs 雪崩二極管探測(cè)器, 噪聲等效功率NEP =0 .8 ×10-8W , 最小可探測(cè)信號(hào)功率MDP =1 .5 ×10-7W , 完成了距離成像的實(shí)驗(yàn), 距離分辨率為0 .25m , 最大距離為2km 。與此同時(shí), 美國(guó)Fibertek公司研制用于直升機(jī)防撞的樣機(jī), 激光波長(zhǎng)為1.54μm , 脈沖重復(fù)頻率為15kHz , 脈沖能量為100μJ , 脈沖寬度為5ns , 掃描方式采用圓周平移掃描, 已在直升機(jī)上進(jìn)行了兩次試驗(yàn)。對(duì)要求中等以上功率的應(yīng)用而言, 二極管激光泵浦固體激光主動(dòng)成像雷達(dá)有很大的應(yīng)用前景 。這種固體激光主動(dòng)成像雷達(dá)有輸出功率高、脈沖重復(fù)頻率高、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。另外應(yīng)用可調(diào)諧固體激光器和倍頻固體激光的波長(zhǎng)可調(diào), 又開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。雖然DPL 激光成像雷達(dá)的發(fā)展歷史還很短, 但其發(fā)展?jié)摿κ遣蝗葜靡傻?