激光雷达(光探测和测距)-类型，结构，如何工作

光探测和测距(LiDAR)是一种主动传感器，它使用光学和红外波长的电磁波。这篇文章将讨论什么是光探测和测距(LiDAR)，它的类型，架构，如何工作，应用，优缺点。

什么是激光雷达(光探测和测距)

光探测与测距(称为激光雷达简而言之)被用作使用激光形式的光线的测距仪或跟踪设备。它由一个激光源，传感器和全球定位系统(GPS)接收器。激光脉冲指向地球表面，光脉冲被反射回传感器。

图1 -光探测和测距(Li-DAR)简介

光探测和测距工作在地面平台和空中平台。然而，这篇文章强调的是在空中平台上操作，即使用卫星等航天器或直升机、飞机、无人机等飞机。它有助于制作目标区域的三维表示。

图2 -使用光探测和测距(Li-DAR)的三维图像

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类型的激光雷达(光探测及测距)

Li-DAR有两种类型，分别是:

• 机载光探测和测距
• 地面光探测和测距

机载激光雷达

顾名思义，机载激光雷达从飞机、航天器、直升机或无人机上进行激光扫描。

它分为两类:

• 地形光探测与测距
• 测深光探测和测距

地形激光雷达

它使用近红外光生成扫描区域的地形图。

水深激光雷达

它对水体进行扫描，主要用于收集水文数据信息。用于沿海和内陆水利工程。

地面激光雷达

它用于对地球表面进行扫描，并进行高清晰度测量。它也被用于数字地形模型。

它分为两类:

• 移动激光雷达
• 静态激光雷达

移动激光雷达

该系统安装在陆地上的移动车辆上，如汽车和火车。

静态激光雷达

这种类型的系统固定在一个不可移动的三脚架上。

激光雷达架构(光探测及测距)

这些组成部分包括:

• 发射机
• 接收机
• 光学系统
• 控制及处理单元

图3 -激光雷达结构示意图

上图3显示了光探测和测距(LiDAR)系统的体系结构。该系统多采用二极管激光器或二极管泵浦固体激光器来传输光脉冲。二极管激光器光束宽，价格便宜。发射器光学帮助系统将光聚焦到目标区域。有些光反射到建筑物、树木等物体上。

反射光或背散射光被聚焦到光探测器上。光探测和测距(LiDAR)接收器可以是一个探测器或一个探测器阵列。光探测器连接到控制和数据采集单元，该单元测量背向散射光的量作为距离的函数。

发射机

它有助于以脉冲的形式传输激光。

接收机

它接收反射光或背散射光。

光学系统

发射器中的光学系统有助于将光聚焦在目标区域上，接收器光学系统有助于将反射光聚焦到光电探测器中。

控制及处理单元

该装置接收反射光，并使用专门的软件处理数据。本单元有:

• GPS接收器
• 惯性测量单元

GPS接收器

飞机的机载GPS接收器在传感器的帮助下确定飞机在纬度、经度和高度方面的位置。

惯性测量单元

惯性测量单元(IMU)负责飞机或航天飞行器相对于惯性参考系(如天球)的方向。当传感器连续测量时，它有助于确定飞机的姿态。飞机的水平和垂直位置有助于系统有效地发射激光脉冲。

激光雷达(光探测和测距)是如何工作的

光探测和测距(LiDAR)设备安装在飞机或航天器上，当它飞过地面时，激光脉冲被指向地球表面。光快速传播到地球表面，反射来自建筑物、山脉、树木等障碍物的光子。反射光(光子)到达激光雷达传感器和接收器记录光脉冲发射和检测到反射信号之间的时间延迟，也称为“回声”。接收机记录反射信号的重复测量。

从地球表面反射的光是以波的形式出现的。这种波形的峰值检测是进一步处理的先决条件。地球上反射更多光子的区域被称为“峰点”或“峰”。

图4 - (a)脉冲测量原理表示(b)激光雷达系统框图

在GPS接收机和IMU(惯性测量单元)的帮助下，传感器相对于目标区域的角度方向被测量，传感器和目标区域之间的“距离”由接收机计算，并记录每个脉冲的x, y, z坐标，这有助于系统纠正飞机的位置，这有助于准确地产生输出。

系统生成了数百万个记录数据点。系统控制与数据采集单元借助计算机接口对x、y、z数据坐标的“点云”进行处理。对数据进行分析和处理，得到目标区域的数字表面模型。

很少有系统使用迭代算法，扫描匹配算法进行“点云”匹配。有些系统使用“激光雷达测程与测绘方法(LOAM)，提供实时精确的地图。

脉冲激光测量原理说明如下:

激光雷达的应用

光探测与测距(Li-DAR)的应用包括:

• 先进的测量，如大坝和水库的测量，土地地形测量变得更加容易。
• 这项技术被军方广泛用于生成3d地图。
• 也用于考古、地质、农业、采矿等领域。
• 它也用于等高线制图，有助于估计地表海拔，显示陡峭的山谷和丘陵。
• 它被广泛应用于太空探索计划。
• 有了这项技术，大气研究变得很容易。
• 虚拟现实扫描已经帮助海军工程师创建了用于训练和测试目的的虚拟舰船环境。
• 该技术用于野生动物栖息地分析。

激光雷达的优势

光探测和测距(Li-DAR)的优点包括:

• 它提供了广泛的检测范围。
• 数据采集准确、精确。
• 系统温度稳定性高。
• 它可以在白天和晚上操作。
• 数据是无错误和精确的。
• 高速运转。
• 数据密度高，即每秒使用167000个脉冲。

激光雷达的缺点

光探测和测距(Li-DAR)的缺点是:

• 运营成本高。
• 激光雷达脉冲在植被密集地区的穿透能力不足。
• 激光雷达数据的处理需要专门的软件。

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