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1、三维激光雷达发展现状,郑秋贞,结构组成,激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等天线是光学望远镜接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。,激光雷达的作用,激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。,激光雷达测量技术的优点,与立体摄影测量技术相比，激光雷达技术避免了投影(二维到二维)带来的信息损失，增强
2、了表现不连续变化信息的能力等。此外，该技术受成像条件影响小，反应时间短，能部分穿透水体、反应对象细节信息等，这些特点为它的应用开辟了广阔的前景。,半导体激光雷达,半导体激光主动成像雷达应运而生，是当前国际上研究和应用的新兴领域之一。半导体激光成像雷达不但能提供目标的灰度信息和二维距离信息，而且具有成像速度高，测距精度高、成本低、抗干扰能力强、可靠性好和使用寿命长等优点。,测距方法,测距方法分直接探测与外差探测（相干探测）。直接探测方式的测距体制主要包括：脉冲激光测距和连续波激光测距。相干探测方法的测距体制主要包括：相位法，FMCW（调频连续波法）。,直接探测成像方法,1)采用单元探测器，每次只
3、探测一个像素。大部分成像激光雷达的研究都是采用这种技术，原因是探测器技术和激光器技术都比较成熟。2)采用面阵探测器，每次探测所有像素。成像分辨率高，成像速率不高。这种方法一般需要对发射光进行调制，对接收信号进行解调，才能测量到距离信息。这种技术的优点是不需要扫描器，缺点是要求激光器的发射功率要足够大，而且无法采用高灵敏度的APD探测器。3)采用阵列探测器，每次探测多个像素。将发射激光分为n束，同时照射目标上n个点。从各点反射回的激光信号通过接收光学系统接收到对应的n个探测器上，通过处理可得到n个像素数的距离信息和强度信息。发展潜力大，难度也较大。,相干探测成像方法,1）、扫描成像方法2）、非扫
4、描成像方法相位法测量，优点：可以获得较高的测距精度（mm量级）。缺点：测距时间长、作用距离近等缺点，不太适合高速成像激光雷达。FMCW,优点：测距精度高（微米级）。缺点：成像速度慢，结构复杂，对光源的性能、系统的抗震性能要求高。,点扫描三维激光雷达发展现状,国外：2002年，美国林肯实验室的Marius等人开发出了一种基于4 X 4APD阵列的二维扫描三维激光雷达。测量距离为60米，能够以0.6Hz帧率成128 X 128分辨率，采样率为9.8KHz，测距精度为3厘米。2002年，美国陆军通讯和电子研究工程中心的Bradley W.Shilling等人研究了一种采用1.06um Nd:YAG微
5、芯片激光器，APD为接收器，扫描率3kHz的三维激光雷达。这种激光雷达可以透过伪装成像，其图像分辨率为256 X 256一帧成像时间为40秒，作用距离约50米。国内：2005年，国防科技大学的胡春生博士和秦石乔教授在，研制成功了一种单点二维扫描方式的三维激光雷达，该系统采用了半导体激光器为光源，APD为接收器，作用距离为24米，能够以30Hz帧率成16x 101分辨率图像，采样率约为48.5kz，测距精度为9.2厘米。浙江大学项志宇等人用已有的单点激光雷达改装制作了200 x 361像素，0.8Hz帧率，采样率约57.8KHz，目标距离8米时测距精度为3厘米。,主动成像的连续光源三维激光雷达发
6、展现状,国外：2006年，Sandia实验室Robert等人开发成功了一种无扫描三维激光雷达(SRI)，并成功应用于航天飞机表面检测。该系统基于余弦-余弦相关鉴相法，采用连续输出功率为12W的半导体激光器为光源，能够以30Hz的帧率成720 X 466分辨率的图像，1.5米到3米间测距精度为6.4毫米，3.1米到4.5米间精度为25.4毫米，最小可分辨0.5毫米宽的细缝。2004年，日本广播公司，利用距离映射原理研制成功了三维相机。这种相机采用三角波调制的连续光源，接收端采用CCD相机接收。通过对像增强器分别采用普通工作方式和两种不同固定延迟相位门选通工作方式来获得目标距离信息。像素为1280
7、 X 720，帧率30Hz，测量精度为在5米处3厘米，10米处4.9厘米。优点：是采样率高。缺点：光能利用率低，测量距离和测量精度不易同时提高。该方法比较适用实验室内的物体三维建模三维识别等应用。国内：浙江大学，采用余弦调制的连续光源的余弦一方波相关鉴相法，研制成功了无扫描三维激光雷达，并对15米处的目标进行了探测，测距精度为28厘米。,主动成像的脉冲光源三维激光雷达发展现状,2004年，丹麦国防研究组织电光部的Jens Busck等人研制成功一种基于门选通时间扫描的高精度三维激光雷达。这种雷达采用约200ps的532nm脉冲激光器为光源，门选通时间约为500ps，扫描时间步进100ps，得到
8、的三维图像像素为582 X 752，成像时间小于1秒。在13米处测距精度为2毫米，在100米处测距测距精度为1厘米，景深约15厘米。在2005年，Jens Busck进行了水下目标的三维成像实验。到2006年，他们又将扫描时间步进减小到20ps，从而将系统的精度提高到7米处0.2毫米，100米处2毫米，500米处5毫米，景深约7-8厘米。,从国内外三维激光雷达成像现状来看。总的来说，还存在分辨率与成像速度之间的矛盾。,目前投入商业运行的激光雷达系统主要有：TopScan、Optech、TopSys，以及Leica公司的Leica ALS50等。,国内有多家单位和公司分别购买了国外不同厂商的数套
9、商用激光雷达设备，生产了大量的原始点云和影像数据，但是，这些数据一直没有有效的处理，造成了巨大的浪费。目前只有山西亚太公司和广西的桂能信息公司使用自购的RIEGL的激光雷达产品进行了电力选线、地形图绘制等少量工程。,国内研制的成像激光雷达的激光器主要采用半导体泵浦的YAG激光器，扫描方式主要采用双谐振镜扫描或卵形螺旋扫描，成像速率在10帧/秒以下，每帧分辨率为1000像素点左右，回波强度为16级灰度左右。这个水平与国外相差很远。,中国三维激光雷达发展的局限,数据处理方面：没有形成一套有效且高速的数据处理系统。桂能信息公司也是通过购买RIEGL 的系统，然后进行了改进而已。成像速度：没有高精度的INS（惯性导航系统）系统高速实时成像。光源方面：目前运用于激光雷达的激光光源器件最好的是半导体激光器。但是国内的激光器件水平与国外相差很远。激光器平均输出功率比国外低一个数量级以上。,光电探测器的灵敏度比国外要差一个数量级左右。传感器方面：国产的像增强器品质与国外有一定差距，CCD的品质也较低。,
