探测技术▏激光雷达技术及其应用
组稿/溪流
激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近60年的历史，目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、军事等领域。其中，传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、全球气候预测、海洋环境监测等。随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。尤其在大气探测方面取得显著发展，对各种参数的测量空间覆盖高度已经可以实现从地面到120km的高度，其应用前景得到普遍的关注。相对于微波、电磁波雷达，激光雷达采用的光波波长较短，与大气中存在的分子和气溶胶及浮尘的相互作用所产生的散射效果复杂、散射形式多样，适用于陆地、大气及海洋环境监测，大气光学及物理特性、气象/气候参数的高时空分辨率的精细探测。激光雷达可以实现地基、车载、机载及星载探测，也是现代雷达探测技术从厘米波、毫米波向光波探测技术的延伸，实现了遥感探测技术向高时空分辨率、高精度领域的发展。
一、激光雷达探测技术与优势
⒈ 激光雷达探测原理
光波的物理量可由强度、波长（频率）、相位、偏振态及指向性等来表示。光与物质相互作用主要表现为吸收及散射现象，按作用机理可以分为气溶胶等颗粒物引起的米氏散射，大气分子及原子等引起的瑞利散射、拉曼散射、荧光及共振散射和吸收等现象。通过对各种散射机理及效果进行分析，可以探测物质的物理及化学信息。
大气探测激光雷达工作原理与微波雷达相似，其基本系统构成如图1所示。一般采用脉冲激光器作为发射源，向大气中发射一束具有高指向性、高能量的窄脉冲宽度的激光束，通过望远镜收集大气中物质产生的后向散射光，并对散射光进行光谱分析，剔除杂散光信号，经光电转换后获得电信号，由计算机进行数据采集、信号分析及数据反演即可得到所需大气参数或信息。通过测量反射、散射回波信号的时间间隔、频率变化、波束所指方向等就可以确定目标的距离、方位和速度等信息，然后结合激光器本身的位置信息和姿态角度信息，准确计算出目标表面回波点的三维坐标。
图1 激光雷达系统基本构成
⒉ 激光波长及对眼安全特性
随着近年激光技术的快速发展，高效大功率脉冲激光器已经实现商品化生产，并广泛应用于激光雷达及各种光加工领域。因此，激光的安全性问题得到越来越多的关注。激光安全性一般用肉眼及皮肤对激光能量密度的最大允许曝光量（Maximum Permissible Exposure，MPE）来定义，而MPE值取决于激光波长，选用合适的激光波长对激光雷达的设计可以取得事半功倍的效果。国际上较为常用的MPE值与激光波长的关系包括日本工业标准（JISC6802- 1991）、美国国家标准研究院ANSI 的Z136 系列激光标准（ANSI Z136）、国际电工协会IEC 60825 系列标准等。图2为根据日本工业标准得到MPE值与激光波长的关系。可以看出，在相同激光能量密度下，紫外及中红外波长的安全性能是可见波长的几千倍，因此这类波长常被称作对眼睛安全激光波长。
图2 眼睛的最大允许曝光量与激光波长关系
⒊ 激光雷达的技术优势
激光雷达在一些关键技术指标上远远超越了其他遥感探测技术，使其在很多领域得以广泛应用。具体包括:
⑴数据密度大：激光波束窄，探测次数多，因而采集数据量更大。每秒可测量数十万个点，对真实物体表面(如地面)的还原和建模带来极大方便。同时，可调节点采集间隔，大大提高了适用性和工作效率。
⑵数据精度高：由于激光波长短、频率高，可以使激光雷达达到极高的测量精度。高精度测量激光雷达测量精度可达毫米以下，机载激光雷达测量精度也可达厘米级。
⑶植被穿透能力强：如图3所示，激光在植被中传播时，可以在树冠、树枝、地面等多个高程发生反射，从而得到多次回波数，这是其他雷达所不具备的优势。特别是得到的地面回波数据，有效克服了植被影响，使精确探测地面真实地形成为可能。
图3 激光雷达多次回波示图
⑷不受太阳高度角和阴影影响：激光雷达为主动测量式雷达，不依赖自然光，因而与传统方式相比，其获取数据的精度不受时间、太阳高度角和地物阴影的限制和影响，可以24 h全地形作业。
⑸隐蔽性好、抗干扰能力强：激光传播方向性好、波束窄，只在传播路径上存在，难以发现和截获。同时，激光雷达口径小，且定向接收，只接收指向区域回波，接收干扰信号的概率极低。
⑹体积小、重量轻、作业效率高：激光雷达发射口径只有几厘米，重量小的可以单人手持使用，相较其他雷达设备要轻便、灵巧得多，不但可以大量节约人力、物力资源，而且可以使工作变得更加简单快捷，可应用的领域也更广。
二、激光雷达探测的技术分类
⒈ 大气温湿度探测
激光雷达探测大气温度分布的主要方法有瑞利散射法密度法，高光谱分辨率瑞利散射法，转动拉曼散射法和差分吸收法等。瑞利散射法密度法主要利用激光雷达探测大气分子密度变化，利用大气方程反演温度，所以主要用于气溶胶影响较小的对流层顶部及平流层的大气温度探测。而底层对流层范围内的大气温度探测，由于受温度的遥感灵敏度较低及易受地表产生的高密度气溶胶和白天太阳背景光的影响，底层大气高精度测温技术的研究一直是国际上激光雷达研究的前沿课题。目前对流层内的大气温度探测主要是高光谱分辨率瑞利散射法和转动拉曼散射法。
激光雷达探测水汽的主要方法有振动拉曼散射激光雷达，即利用水汽分子和氮气分子所产生的振动拉曼散射谱线的强度进行水汽密度探测。差分吸收激光雷达，即通过发射2个激光波长，其中一个波长与水汽分子的某一吸收谱线重叠，利用2个波长的回波信号的强度差进行水汽密度探测。相对湿度需要利用温度，所以温湿度是一对相关性很强的大气参数。
⑴高光谱分辨率瑞利-拉曼散射激光雷达：高光谱分辨率瑞利散射激光雷达是一种利用大气中的原子和分子的瑞利散射机制而工作的激光雷达，通过高光谱分辨率滤光器，对大气分子瑞利散射的光谱宽度进行分析而实现温度测量。由于瑞利谱宽较窄，在常温及355nm激光波长激励下，其宽度一般为3 GHz，要在如此窄带光谱内，除去中心谱重叠的米散射信号，用于分光的滤光器需要具有MHz的光谱分辨率。
⑵回转拉曼散射激光雷达：回转拉曼散射激光雷达是利用大气分子引起的非弹性散射（拉曼散射）的转动拉曼谱线的强度随温度变化的特性来探测大气温度廓线。相对与瑞利散射信号，拉曼散射信号强度要弱4～5个数量级，主要关键技术是强背景噪音下的微弱信号提取技术。目前普遍采用高光谱分辨率光栅及窄带通滤波器分离2 个具有反向温度灵敏度系数的回转拉曼波长，结合光子计数技术来实现强背景噪音下的微弱信号提取。虽然该技术已经实现夜间低层对流层到平流层内30 km高度范围内的大气温度探测，但白天高精度温度探测还需要进一步的研究。
⒉ 大气风廓线测量
测风激光雷达通过测量大气中自然出现的气溶胶颗粒或分子运动（风速引起）产生的具有多普勒频移的后向散射信号，利用对回波信号频率进行鉴频或相干，测量出后向散射信号的多普勒频移Δν，利用Δν与风速的关系就可反演得到径向风速数值，通过扫描激光光束得到不同方向上径向速度，矢量合成即可得到风速、风向，实现检测风速、探测紊流、实时测量风廓线风场等。
目前，激光雷达探测风速风向的主要技术有相干激光雷达技术及非相干技术。相干激光雷达主要适用于气溶胶密度较大的对流层，探测范围最大可达10km左右，精度可达0.1m/s。而非相干激光雷达主要利用气溶胶及大气分子测速，属于能量检测，其适用范围较广，适合对流层到平流层的风廓线探测,测速精度可到1m/s以内。
非相干激光雷达主要有采用4个不同方向设置的接收望远镜探测4个不同径向风速，反演风速风向的法国CNRS的地基系统及美国NASA 的车载系统。图4为美国NASA研发的车载测风激光雷达系统及其风廓线探测结果，该系统可以探测平流层内的风速风向。
图4 美国NASA 研发的车载多普勒激光雷达系统
⒊ 大气污染及生态环境探测技术
大气污染物主要指大气中存在的微量污染气体，如NOx, SO2, O3, CO, CH4等，利用污染气体的吸收谱线特性而构成的差分吸收激光雷达可以有效地对这些微量污染物进行实时高精度探测及监测，研发波长可调谐的脉冲激光器是差分吸收激光雷达的关键技术。近年随着LD泵浦固体激光技术及光参量振荡技术（OPO技术）的发展，波长2～10μm的红外波段可调谐激光器技术得到很快的进步，为激光雷达大气污染监测的应用提供了光源保障。
生态环境中存在的有机物质（植物及有机颗粒物），一般都含有叶绿素及蛋白质等有机物质，脉冲激光束照射这些物质时诱发荧光谱，有机物浓度含量（主要是叶绿素）与荧光谱强度成线性关系，荧光激光雷达主要是通过对特定波长的荧光光谱进行分光检测，可以用于判断植物、水体藻类等的生长情况及监测水体有机污染物及气体中的花粉等有机颗粒物。
⒋ 星载激光雷达
将激光雷达安装于卫星上进行遥感探测的优越性已经得到世界各国专家的肯定，美国NASA、欧空局ESA、日本NASDA等航天部门都在积极发展星载遥感设备。
原有正在运行的地球卫星观测系统没能提供的一种重要的参数就是气溶胶的剖面信息，针对这一问题美国NASA 于1994年9月成功地发射了载有激光雷达的航天飞机，进行了空间激光雷达探测全球云和气溶胶的首次实验(Lidar In-space Technology Experiment，LITE)，取得了令人鼓舞的探测结果，证明了空间激光雷达在测量大气气溶胶和云方面的潜力。此后，美国于2003年1月发射了地学激光高度计系统（GLAS）、于2006年4月发射了气溶胶云激光雷达红外卫星观测系统CALIPSO等，用于提供云和气溶胶的垂直分布信息，云的水/冰相态，气溶胶粒径的定性分类等，图5为卫星观测系统CALIPSO的示意图。为获得对流层的高精度风场数据、提高目前天气预报水平，欧洲发射了星载测风激光雷达系统ADM-Aeolus，获取全球范围的视线风速。
图5 NASA 星载气溶胶（卷云）探测激光雷达（CALIPSO）
三、激光雷达的 39 38522 39 15288 0 0 2040 0 0:00:18 0:00:07 0:00:11 2992应用现状
目前，激光雷达以其无可比拟的优越性能，已经发展成既可“上九天”拍摄月球三维图像，又可“下五洋”进行水下探测和建模的探测雷达。激光雷达典型应用包括:
⒈ 调查监测方面的应用
⑴林业调查：环境监控、森林土地管理、生物研究都需要及时准确地掌握森林植被信息。传统技术无法获取树高与森林密度值，激光雷达可以通过记录完整回波波形(大光斑:10m到100m) 反演出森林的垂直结构与生物量；或是记录少量的离散回波(小光斑:0.1m到1m)，利用高密度的激光点云数据，进行精确的单木高度估测。图6给出了利用点云数据进行地面及树冠高程识别图示，从而计算每株树木的高度值。
图6 激光雷达测量林中单株树木树高
⑵水域监测：激光雷达已被用于海水深度测量和海浪波高观测，以及对水中所含浮游生物、透明度、盐度、水温和油污染等数据进行精确测量。同时，激光雷达对于河流、湖泊的水量监控和水患治理也有极其重要的作用，利用激光雷达产生的三角网高程三维模型，可直观显示洪水的覆盖范围，测算出水位淹没区域面积和水体体积，预测危害程度，采取有效措施进行救援。通过对比激光点云数据还可以监测海岸侵蚀情况。
⑶大气检测：激光雷达作为一种先进的大气和气象环境监测仪器，已经在大气探测和气象监测中广泛应用于大气温度、湿度、风速、能见度、云层高度、城市上空污染物浓度等测量。激光雷达具有更高的时空分辨率，激光波长为微米量级时，可以实现对微粒目标探测，能够对大气的垂直结构和成分构成进行有效分析。通过对相应波段激光在大气气溶胶粒子、分子和原子中发生米氏散射、瑞利散射、拉曼散射、荧光散射以及共振色散等效应的数据进行反演，可以对大气污染、大气边界层、空气分子分析等方面的深入研究提供可靠的数据依据。此外，激光雷达利用激光的多普勒效应，可以测量激光在大气传播中产生的多普勒频移，能够反演和预测空间风速分布信息。
⒉ 建模与测绘方面的应用
⑴地质测绘：激光雷达测量精度要优于传统测量方法，所提供的地面点云数据，可详细反映出所测地物的立体形态，实现三维建模，满足高精度影像微分纠正的需要。图7分别为2006年和2009年张家湾滑坡群的点云建模图，通过对比可以发现山体出现了细微的滑坡。同时，激光雷达真正实现了非接触式测量，减少了野外作业量，摆脱了数字摄影测量平台的限制，降低了地质测绘成本。
图7 2006年和2009年激光雷达监测山体滑坡对照图
⑵数字城市建模：激光雷达在城市场景中更能体现其数据采集密度大、分辨率高、不受阴影遮挡限制的优势。激光雷达数字地面模型DEM与GIS系统结合起来，可以将2D的数字城市“升级”为3D数字城市，更直观和真实地还原城市场景。因此，激光雷达被广泛应用于数字城市的三维建模、大型建筑物采样等大比例尺地物数据获取。利用点云数据对城市三维建模，可以进一步应用于道路、水电管网的立体化规划，以及通过专业软件对城市噪音分布、风场流向、热岛效应进行详细分析，以及城市灾害分析和抢险救灾指挥。
⑶水下探测及三维成像：水下激光雷达是激光雷达的一种，它主要利用蓝、绿激光在海水中衰减小、穿透性好的特性，利用激光对淹没在水中的目标进行搜索、跟踪、控制、通信、定位、识别和分类。与陆地应用相同，将水下激光雷达与全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)综合运用，可以测量水下目标的三维信息，构建目标的三维模型。激光雷达不仅可以对海底地貌、岛礁周边海域测绘建模，在水下工程设计、施工、维护中也发挥着十分重要的作用。
⑷文物古迹数字化：目前，国内外部分文物保护单位为完善文物古迹的研究、修缮、传播手段，开始应用激光雷达采集文物古迹的三维数据，建立相关数据库，辅以计算机技术，实现珍贵文物的三维虚拟再现。图8为使用高精度测量激光雷达虚拟还原的恐龙骨骼化石三维模型。与实物文物的不可再生性不同，数字文物可以无限共享，更具传播意义。高精度的文物三维信息也使文物的修复和仿制工作变得更加容易。
图8 利用激光雷达对文物3D建模
⒊ 探测与测量方面的应用
⑴带状工程探测：将激光雷达技术已经越来越广泛地应用于电力、石油管网、公路、铁路等大型工程测量中。工程初期，通过激光雷达对整个施工带域内的地势走向和植被分布进行探测，得到精确的三维数据。不但便于宏观立体式的规划设计，还可以对施工土方的面积、体积和砍伐树木的木材量准确估算，合理制定施工计划、调配施工资源。尤其，在地形繁杂、地域跨度大，施工地区生活保障条件差、危险程度高等不适宜人工作业的情况下，更适宜使用激光雷达进行精确测量和分析。例如: 尼日尔某原油管道施工工作中，沿线城镇少，可用交通资源不足，工程地域疾病频发，常有反政府武装袭击，为解决工程前期勘测难题，就采用了机载激光雷达进行勘测。
激光雷达可以实时、准确地掌握目标地域的宏观场景和细节变化，也被应用在线路和管网巡检和维护中，利用高精度三维点云数据，分析查找细微变化，预先找到潜在事故点，极大地方便了维护管理和应急抢修。如图9为某野外高压输电线的点云数据，从清晰图像中可以对电线进行识别和监测。在工程抢修中应用激光雷达对施工精度进行监测，能够实时、准确、直观地反映现场情况，提高了施工安全性和工程作业效率。
图9 激光雷达对野外悬链线和高压线塔扫描建模
⑵航天工程中的应用：激光雷达以其质量轻、体积小、精度高的特点，为各国航天部门所关注，大力进行研发，在人类探索地外空间的进程中发挥了巨大作用。中国的嫦娥探月工程中就使用激光雷达对月球表面进行三维“扫描”，得到了月面的三维立体信息，为进一步探索月球做好了前期数据准备工作。图10为星载激光雷达环绕月球飞行时所得到的月球表面高程图。
图10 利用星载激光雷达测量月球高程
“天宫”在与其他航天器空间交会对接过程中，使用激光雷达引导，调整速度、角度等方位参数完成对接；NASA应用激光雷达研究的自动着陆障碍避免技术，用于降低月球车的着陆风险；Sandia国家实验室研制的无扫描成像激光雷达，能够快速检测航天器隔热层的受损程度；加拿大Optech公司利用激光雷达，对空间目标进行探测、定位、测距并获得目标三维信息，实现了对空间目标的有效监视。
⑶自动导航、障碍规避：激光雷达可以快速精确地获取环境的深度信息，抗干扰能力强，而且受环境变化的影响小，通过激光定向或全向扫描，能够采集大量的精确有效信息。基于激光雷达探测数据，应用聚类－拟合等相关算法识别目标特征，完成对道路的提取、障碍感知和临近目标的检测。激光雷达因分辨率高、成本低的优点，近年来在障碍物判断、路面识别、定位及导航等诸多方面得到广泛应用。2010年，谷歌推出无人驾驶系统，在公路实测的22.5万公里中，从未有过失控或造成人畜伤害的事故发生。
⒋医学方面的应用
激光雷达以其精确的三维测量定位和生物特性识别能力，已经在部分医学领域得到应用。美国橡树岭国家实验室( 简称ORNL)为减轻烧伤病人治疗中的痛苦，将激光治疗技术与激光雷达相结合，利用激光雷达进行三维定位探测，分析烧伤组织的损害程度，从而引导激光自动消除坏死的人体组织，利于新生细胞组织生长。同时，激光雷达也在五官整形、假肢设计以及人体生物特征监测等方面得到应用和研究。
⒌军事方面的应用
激光雷达具有无可替代的显著优点，其在民用领域的实际应用，很多都可以直接或间接用于军事用途。例如，激光雷达可以用于靶场测量、战场侦察、军用目标识别、火力控制、水下探测、局部风场测量等。而当基础材料、辐射材料、快速跟踪定位和成像技术等方面研究取得重大突破后，也必将首先应用于军事。目前，军事上较常见的激光雷达有以下几种:
⑴激光雷达制导技术：激光雷达分辨率高，可利用高精度三维影像数据实现对目标的准确识别。同时，激光雷达受假目标的热能辐射干扰小，大大提高了战术导弹的命中准确率。激光雷达制导技术早在1991年海湾战争中就得到应用。激光雷达可代替地形匹配中的微波雷达高度表，多普勒速度传感技术能够在低速测量时得到高精度数据，因此巡航导弹单次打击精度得以大大提高。美军还进一步应用激光雷达技术实现自动目标识别，利用激光雷达的特性在快速响应的同时降低了虚警率，从而能够在导弹发射后自动捕获目标，当目标丢失后能够自动捕获，并能计算出弹头最佳打击点，成为一种直接打击，且发射后不用管的智能武器。
⑵超低空目标探测、跟踪：基于激光雷达低空探测性能好、不受阴影和太阳段提高数据采集精度，减少实验次数、缩短研发周期、节约研发成本。
⑶侦察激光雷达：激光雷达的波长比常用的毫米波雷达小2到3个量级，而光学设备的波长越短分辨率越高，所以通过激光雷达获得的目标图像较微波雷达可识别程度要高的多。激光雷达波长极短且多普勒频移灵敏度高，能够达到极高的距离辨析和角度辨析，甚至可以作为每秒毫米级的距离测量设备。而激光雷达回波数据所特有的三维特性和植物穿透特征，实现了对隐蔽目标立体感知，战争中能够对目标更好地进行搜索、跟踪和识别。美国机载侦察激光雷达在目标上空飞行时，可将获得的数据影像在飞机显示器上实时显示，并将数据发至地面指挥系统和作战单元。
⑷弹道导弹防御激光雷达：随着世界军事强国对弹道导弹的大力研发，特别是洲际弹道导弹的成功试射，各个国家都感到本土安全受到巨大威胁。弹道导弹的特点是飞行速度快、射程距离远、突防能力强。如果进行防御必须在导弹发射早期，完成对其的探测识别和跟踪定位，通过数据分析找到导弹起始发射点、目标命中点和最佳拦截点。将新兴的激光雷达技术与业已成熟的被动红外探测技术相结合，综合利用红外技术优秀的目标方位、俯仰参数测量能力以及激光雷达精确的距离测量能力，可以更加准确测量可疑飞行器的飞行方向、距离和速度参数，大大缩短了识别和锁定的时间，可以使导弹弹道的计算精度成数量级的上升，使后半程实施有效拦截成为可能。
⑸化学/生物战剂探测激光雷达：生化武器是一种大规模、非人道的毁伤武器。即使在和平时期也被一些恐怖分子和极端主义者所利用，世界人民都面临着生化武器的威胁。各国都在采取相应措施，以加强对生化武器的有效探测与早期防范。传统生化探测，必须人工携带探测设备，在污染区进行大面积数据采集，不但速度慢、耗时长，而且人员易感染和中毒。因而研发一种能够对生化物质反应灵敏、响应快速的技术势在必行。当空气中含有特定的生化物质时，会改变空气的特性，使之对不同波段激光的吸收或反射特性增强。因而可以利用不同生化物质对应特定波长激光的这一特性，利用激光雷达差分吸收和散射、感应荧光、弹性后向散射等技术，对该毒剂气溶胶云进行探测。可以确定毒剂云的中心厚度、斜距、高度和中心坐标等参数，实现对生化武器的探测、识别和分析，减少报警响应时间，提早完成诊断和防治工作，将灾难和损失降到最低。
⑹电子对抗激光雷达：电子设备在战争中发挥的作用已经越来越大，现代化战争的核心是设备性能间的战争。如何对己方的指挥、通信设备实施保护，如何对敌方的设备进行干扰和欺骗，成为关乎成败的重要因素。而随着战争中电子设备的大量应用，各种设备的工作频率有时相当接近，只有辐射波段足够小，才能收到较好的干扰和抗干扰效果。激光波长是微波的千分之一、甚至是万分之一，使用激光雷达可以得到极窄的带宽和极高的角度辨析。因而，将激光雷达应用于电子对抗具有极其诱人的应用前景。
四、结语
激光雷达技术发展至今，已有半个多世纪的经历，随着现代激光技术，光电检测技术及半导体集成技术的飞速发展，激光雷达技术日趋成熟，已在大气环境监测，气象观测及军事领域得到广泛的应用。目前地球大气环境恶化，如全球变暖，气候异常，大型自然灾害多发，全球性的高时空分辨率，高精度的大气环境监测，气象灾害的早期预警预测等技术的研究已经成为当前热门话题，也为激光雷达技术的应用及发展提供了机遇。
激光雷达作为一种新兴技术，目前被公认为复杂背景下最有潜力的目标探测技术。我们有理由相信，随着基础物理学、制造加工工艺的不断提高和新材料、新理论的不断创新，激光雷达性能必将得到进一步提升，其应用领域也将越来越广泛，发挥的作用必将越来越大。
引用文献
⒈华灯鑫,宋小全,先进激光雷达探测技术研究进展,红外与激光工程,2008,37(9),21-26.
⒉刘斌,张军,鲁敏,等,激光雷达应用技术研究进展,激光与红外,2015(2),117-121.
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