激光雷达测绘技术与应用

谢宏全， 男，教授，博士，硕士生导师，1964年5月出生于辽宁省葫芦岛。1986年毕业于阜新矿业学院矿山测量专业，1994年在阜新矿业学院获硕士学位，2005年在中国矿业大学（北京）获博士学位。先后在阜新煤炭工业学校、华北理工大学、淮海工学院从事教学工作。2012年以来开始从事地面三维激光扫描技术与应用方面的教学与研究工作，曾主持市级与省级研究项目4项，公开发表论文90多篇，出版专著3部，主编教材2部。 2100433B

本书共12章，全面系统地介绍了激光雷达技术与应用方面的内容。第1章简要介绍基本概念与原理、发展概述、存在问题与发展趋势；第2章介绍国内外多类型的地面三维激光扫描设备；第3章介绍地面激光扫描点云数据采集的方法，点云数据格式与缺失成因分析；第4章介绍地面激光扫描仪精度检测的概念、研究概述、性能参数定义等；第5、6章介绍点云数据处理的主要流程和三维建模方法；第7、8、9章介绍地面三维激光扫描技术在传统测绘、文物保护、水利工程等方面的应用；第10章介绍车载激光测量系统的概念、特点、系统构成与工作原理，国内外车载激光测量系统设备等；第11章简要介绍机载激光测量系统的概念、结构、数据产品，内外业技术流程与应用领域。第12章介绍激光雷达技术在海洋工程领域中的应用。

固体激光雷达半导体二极管激光成像雷达

半导体二极管激光器以其体积小, 质量轻, 坚固可靠, 高效率(可达30 %), 高重复频率和潜在的低成本, 以及可采用非制冷高灵敏度APD 探测器的特点, 成为小型激光雷达的优选光源。80 年代中期以后, 随着二极管激光器在提高输出功率, 改进光束质量和方向性以及降低探测器阈值等方面取得的重大进展, 国际上开始发展二极管激光雷达。其应用背景主要是巡航导弹下视雷达和武装直升机前视电线防撞, 近距战术武器精确制导等。

1985 年年底, 美国空军怀特(Wright)实验室开始了一项研究计划, 以确定二极管激光雷达作为制导传感器的可行性。Schw artz 光电公司研制了独有的目标识别和分类算法的实时二极管成像激光雷达系统。1989 年在塔上试验获得成功。1990 年作飞行试验, 试验中激光发射器采用二极管阵列, 其发射功率为120W , 作用距离为500m , 视场为4°×10°, 图像帧频30Hz , 试验结果实时显示一个三维距离彩色图像和一个灰度级反射率图像, 显示中还包括目标瞄准点的位置, 目标分类和目标距离。机载二极管激光成像避障雷达的研制也取得了很大进展。法国Thomson-TRT 公司研制了HOWARD 激光雷达系统, 用于直升机障碍物告警。采用二极管激光器作发射源, 发射脉冲峰值功率为100W , 重复频率为20kHz , 采用双光楔玫瑰线扫描, 扫描视场为30°×30°, 探测距离为200 ～400m 。美国Northrop 公司研制的直升机防撞告警系统(OASYS)二极管激光成像雷达系统 , 采用圆周平移扫描, 发射脉冲能量为8μJ , 重复频率为64kHz , 视场为25°×50°, 对2 .5cm 电力线的成像距离大于400m 。

80 年代, 半导体激光雷达原理实用化研究取得较大进展。1990 年美国公布了巡航导弹的调幅连续波相位测距红外激光测高仪的专利(465.764),以下视测高为主, 可兼前视测距。1987年德国专利(3606337)和1989 年德国专利(3901040)都介绍了连续波激光测高仪。1991 年和1992 年美国国防部明确提出了近程(3～10km)半导体相干激光成像雷达的发展计划。1991 年进行了前视和下视的挂飞试验, 验证了直升机测障回避, 1994 年和1995 年验证了机载下视测高。目前, 美国林肯实验室、休斯公司等机构也都在发展二极管激光主动成像雷达。二极管激光成像雷达的最大缺点是输出功率低(约几百瓦量级), 作用距离近, 束散宽,故要求用大尺寸光学系统来减小束散。这对要求远距离成像的战术应用带来困难, 因此, 在一个时期内还需作许多工作才能满足要求。

固体激光雷达二极管泵浦固体激光成像雷达

80 年代后期, 随着二极管泵浦固体激光器(DPL)的发展, 固体激光器大大提高了效率和重复频率, 克服了热效应等缺点, 实现单模稳定运转, 高稳频, 高功率, 高效率和高光束质量, 并使器件向小型化发展。正是由于固体激光器本身的优点和近几年来固体激光技术的重大突破, 固体激光雷达在成像, 远程目标跟踪和识别等领域呈现出巨大的发展潜力。美国率先进行了二极管泵浦固体激光制导技术的研究。90 年代初期, 美国Hercules 防御中心成功研制一台用于战场监视的1.32μm 固体激光成像雷达, 采用光栅扫描成距离像。该发射系统采用了连续波激光二极管泵浦Q 开关Nd :YLF激光器, 输出峰值功率为2kW , 发散角为0 .5mrad ,光束直径为5mm 。接收机天线直径为48mm ,焦距为2 .5mm ,光斑尺寸为0 .25mrad 。激光雷达使用InGaAs 雪崩二极管探测器, 噪声等效功率NEP =0 .8 ×10-8W , 最小可探测信号功率MDP =1 .5 ×10-7W , 完成了距离成像的实验, 距离分辨率为0 .25m , 最大距离为2km 。与此同时, 美国Fibertek公司研制用于直升机防撞的样机, 激光波长为1.54μm , 脉冲重复频率为15kHz , 脉冲能量为100μJ , 脉冲宽度为5ns , 扫描方式采用圆周平移扫描, 已在直升机上进行了两次试验。对要求中等以上功率的应用而言, 二极管激光泵浦固体激光主动成像雷达有很大的应用前景 。这种固体激光主动成像雷达有输出功率高、脉冲重复频率高、体积小、质量轻、可靠性高等优点。另外应用可调谐固体激光器和倍频固体激光的波长可调, 又开辟了许多新的应用领域。虽然DPL 激光成像雷达的发展历史还很短, 但其发展潜力是不容置疑的.