激光雷達與應用

輸入輸出接口

Input：

（1）圖像視頻分辨率（整型int）

（2）圖像視頻格式（RGB，YUV，MP4等）

（3）攝像頭標定參數（中心位置（x,y）和5個畸變

系數（2徑向，2切向，1棱向），浮點型float）

（4）攝像頭初始化參數（攝像頭初始位置和三個坐標方向

的旋轉角度，車輛寬度高度車速等等，浮點型float）

（5）激光雷達點云信息（點云坐標位置x,y，浮點型float）

Output：

（1）融合后的圖像視頻分辨率（整型int）

（2）融合后的圖像視頻格式? （RGB，YUV，MP4等）

（3）目標物與車輛的距離（浮點型float）

（4）目標物的識別（整型int）

1.? 功能定義

1）點云目標物檢測

2）點云目標物識別

3）三維點云圖像重建

4）點云目標物測距

2.? 技術路線方案

激光雷達，是以發射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統。其工作原理是向目標發射探測信號(激光束),然后將接收到的從目標反射回來的信號(目標回波)與發射信號進行比較,作適當處理后,就可獲得目標的有關信息,如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數,從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別。它由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

定義

LiDAR(Light
Detection and Ranging)，是激光探測及測距系統的簡稱，另外也稱Laser
Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging) 。

用激光器作為發射光源，采用光電探測技術手段的主動遙感設備。激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。由發射系統、接收系統
、信息處理等部分組成。發射系統是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調諧的固體激光器以及光學擴束單元等組成；接收系統采用望遠鏡和各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等組合。激光雷達采用脈沖或連續波2種工作方式，探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達。

構成與原理

LIDAR是一種集激光，全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)三種技術與一身的系統，用于獲得數據并生成精確的DEM。這三種技術的結合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用于獲得地面數字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統和已經成熟應用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統，這兩種系統的共同特點都是利用激光進行探測和測量，這也正是LIDAR一詞的英文原譯，即：LIght Detection And Ranging -
LIDAR。

激光本身具有非常精確的測距能力，其測距精度可達幾個厘米，而LIDAR系統的精確度除了激光本身因素，還取決于激光、GPS及慣性測量單元(IMU)三者同步等內在因素。隨著商用GPS及IMU的發展，通過LIDAR從移動平臺上（如在飛機上）獲得高精度的數據已經成為可能并被廣泛應用。

LIDAR系統包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統。激光器產生并發射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈沖從發射到被反射回的傳播時間。因為光脈沖以光速傳播，所以接收器總會在下一個脈沖發出之前收到前一個被反射回的脈沖。鑒于光速是已知的，傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度，激光掃描角度，從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發射方向，就可以準確地計算出每一個地面光斑的坐標X，Y，Z。激光束發射的頻率可以從每秒幾個脈沖到每秒幾萬個脈沖。舉例而言，一個頻率為每秒一萬次脈沖的系統，接收器將會在一分鐘內記錄六十萬個點。一般而言，LIDAR系統的地面光斑間距在2-4m不等。

激光雷達的工作原理與雷達非常相近，以激光作為信號源，由激光器發射出的脈沖激光，打到地面的樹木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據激光測距原理計算，就得到從激光雷達到目標點的距離，脈沖激光不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數據，用此數據進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。

激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區別，即由雷達發射系統發送一個信號，經目標反射后被接收系統收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這是、也是直接探測型雷達的基本工作原理。

優缺點

激光雷達的優點

與普通微波雷達相比,激光雷達由于使用的是激光束,工作頻率較微波高了許多,因此帶來了很多優點,主要有：

（1）分辨率高

激光雷達可以獲得極高的角度、距離和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個目標(這是微波雷達無論如何也辦不到的),并可同時跟蹤多個目標；距離分辨率可達0.lm；速度分辨率能達到10m/s以內。距離和速度分辨率高,意味著可以利用距離——多譜勒成像技術來獲得目標的清晰圖像。分辨率高,是激光雷達的最顯著的優點,其多數應用都是基于此。

（2）隱蔽性好、抗有源干擾能力強

激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,只有在其傳播路徑上才能接收到，因此敵方截獲非常困難，且激光雷達的發射系統(發射望遠鏡)口徑很小,可接收區域窄，有意發射的激光干擾信號進入接收機的概率極低；另外，與微波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同，自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多，因此激光雷達抗有源干擾的能力很強,適于工作在日益復雜和激烈的信息戰環境中。

（3）低空探測性能好

微波雷達由于存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區域的盲區(無法探測的區域)。而對于激光雷達來說,只有被照射的目標才會產生反射,完全不存在地物回波的影響，因此可以"零高度"工作，低空探測性能較微波雷達強了許多。

（4）體積小、質量輕

通常普通微波雷達的體積龐大，整套系統質量數以噸記，光天線口徑就達幾米甚至幾十米。而激光雷達就要輕便、靈巧得多,發射望遠鏡的口徑一般只有厘米級,整套系統的質量最小的只有幾十公斤，架設、拆收都很簡便。而且激光雷達的結構相對簡單，維修方便，操縱容易，價格也較低。

激光雷達的缺點

首先，工作時受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小，傳播距離較遠。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里，衰減急劇加大，傳播距離大受影響。如工作波長為10.6μm的co2激光，是所有激光中大氣傳輸性能較好的,在壞天氣的衰減是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷達的作用距離,晴天為10—20km,而壞天氣則降至1 km以內。而且,大氣環流還會使激光光束發生畸變、抖動，直接影響激光雷達的測量精度。

其次，由于激光雷達的波束極窄,在空間搜索目標非常困難，直接影響對非合作目標的截獲概率和探測效率,只能在較小的范圍內搜索、捕獲目標，因而激光雷達較少單獨直接應用于戰場進行目標探測和搜索。

用途

激光掃描方法不僅是軍內獲取三維地理信息的主要途徑，而且通過該途徑獲取的數據成果也被廣泛應用于資源勘探、城市規劃、農業開發、水利工程、土地利用、環境監測、交通通訊、防震減災及國家重點建設項目等方面，為國民經濟、社會發展和科學研究提供了極為重要的原始資料，并取得了顯著的經濟效益，展示出良好的應用前景。低機載LIDAR地面三維數據獲取方法與傳統的測量方法相比，具有生產數據外業成本低及后處理成本的優點。目前，廣大用戶急需低成本、高密集、快速度、高精度的數字高程數據或數字表面數據，機載LIDAR技術正好滿足這個需求，因而它成為各種測量應用中深受歡迎的一個高新技術。

快速獲取高精度的數字高程數據或數字表面數據是機載LIDAR技術在許多領域的廣泛應用的前提，因此，開展機載LIDAR數據精度的研究具有非常重要的理論價值和現實意義。在這一背景下，國內外學者對提高機載LIDAR數據精度做了大量研究。

激光雷達是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達系統，其原理和構造與激光測距儀極為相似。科學家把利用激光脈沖進行探測的稱為脈沖激光雷達，把利用連續波激光束進行探測的稱為連續波激光雷達。激光雷達的作用是能精確測量目標位置（距離和角度）、運動狀態（速度、振動和姿態）和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標。經過多年努力，科學家們已研制出火控激光雷達、偵測激光雷達、導彈制導激光雷達、靶場測量激光雷達、導航激光雷達等。

由于飛行作業是激光雷達航測成圖的第一道工序，它為后續內業數據處理提供直接起算數據。按照測量誤差原理和制定“規范”的基本原則，都要求前一工序的成果所包含的誤差，對后一工序的影響應為最小。因此，通過研究機載激光雷達作業流程，優化設計作業方案來提高數據質量，是非常有意義的。

3.? 關鍵技術參數和性能指標

1）點云目標物檢測率

2）點云目標物識別率

3）三維點云圖像重建

4）點云目標物測距精度

總結

以上是生活随笔為你收集整理的激光雷达与应用的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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