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激光技術(shù)

激光雷達(dá):東西方的歷史回顧與展望

rongpuiwing 來源:中科院長(zhǎng)春光機(jī)所2018-04-02 我要評(píng)論(0 )   

自上世紀(jì)60年代激光被發(fā)明不久,激光雷達(dá)就大規(guī)模發(fā)展起來。激光成為真正的推動(dòng)者,使得激光雷達(dá)變得既便宜又可靠,使得與其他傳感器技術(shù)相比更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

     自上世紀(jì)60年代激光被發(fā)明不久,激光雷達(dá)就大規(guī)模發(fā)展起來。激光成為真正的推動(dòng)者,使得激光雷達(dá)變得既便宜又可靠,使得與其他傳感器技術(shù)相比更具有競(jìng)爭(zhēng)力。激光雷達(dá)開始在可見光區(qū)域工作(紅寶石激光器),而后是近紅外區(qū)(Nd:YAG激光器),最后是在紅外區(qū)域(CO2激光器)。目前,很多激光雷達(dá)工作在對(duì)人眼無害的近紅外區(qū)域(?1.5 μm)?;诩す饫走_(dá)原理,OCT和數(shù)字全息等許多新的技術(shù)逐漸受到重視。

激光雷達(dá)應(yīng)用于測(cè)繪主要有測(cè)距、定位以及地球及地外物體的圖形繪制;相干激光雷達(dá)在環(huán)境應(yīng)用有重要應(yīng)用,例如風(fēng)力傳感以及合成孔徑激光雷達(dá)的開發(fā);門控成像主要應(yīng)用于軍事、醫(yī)療以及安全方面;激光微雷達(dá)在血管研究以及眼科視力矯正方面得到了應(yīng)用。鬼激光雷達(dá)已經(jīng)以新技術(shù)的形式應(yīng)用在理論和模擬方面。激光雷達(dá)作為一種重要的技術(shù),應(yīng)用在自動(dòng)駕駛汽車和無人飛行器方面,它也被警方用來測(cè)量速度,以及游戲中,比如微軟的Kinect體感游戲。

圖9. 早期激光測(cè)距儀的發(fā)展示例
(a)第一臺(tái)愛立信LRF試驗(yàn)設(shè)備(1965年)
(b)瑞典海軍用LRF(1968年)
(c)西姆拉德手持LP-7
(d)LRF KTD 2-2(極地, USSR)
(e)LRF BD-1 (801研究所, USSR)
(f)費(fèi)朗蒂CO2 TEA LRF

縱觀激光雷達(dá)在歐洲、美國(guó)、前蘇聯(lián)、日本和中國(guó)的發(fā)展歷史, 激光雷達(dá)經(jīng)歷了許多發(fā)展階段,從最早的激光測(cè)距,使得其在軍事方面的測(cè)距和武器制導(dǎo)上有廣泛的應(yīng)用,尤其是激光定位(雙基地雷達(dá))。進(jìn)一步的研究導(dǎo)致了基于二維門控監(jiān)測(cè)的激光成像系統(tǒng)以及正在裝備過程中的三維成像技術(shù)的發(fā)展。成像系統(tǒng)的發(fā)展主要包括:更大范圍以及跨距離的分辨率、單光子敏感陣列以及具有多種功能的多頻率或?qū)捁庾V發(fā)射激光,更好的穿透能力、穿越植物、穿越密集的介質(zhì)而進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用。

在民用以及軍民兩用方面,在大氣和海洋遙感研究方面環(huán)境激光雷達(dá)已經(jīng)技術(shù)成熟,而在很多國(guó)家三維測(cè)繪激光雷達(dá)已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。隨著激光的效率越來越高,而且也更小巧、更便宜,這為汽車以及無人機(jī)提供了潛在應(yīng)用,在自動(dòng)駕駛汽車方面的應(yīng)用可能是激光雷達(dá)最為廣泛的商業(yè)應(yīng)用,這極大的減小了激光雷達(dá)的尺寸、重量以及造價(jià)。

激光雷達(dá)技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面有很多應(yīng)用,其中一個(gè)例子是光學(xué)低相干斷層掃描,這個(gè)技術(shù)起源于激光反射儀在眼科中研究眼睛結(jié)構(gòu)的三維復(fù)原方面的廣泛應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對(duì)血管的三維內(nèi)窺鏡研究,擴(kuò)展到多普勒三維測(cè)速儀,另一個(gè)重要的例子是人類眼睛屈光度的折射成像研究。

在激光雷達(dá)系統(tǒng)研究中,伴隨出現(xiàn)了許多新興的技術(shù)和方法,包括:多孔徑以及合成孔徑、雙向操作、多波長(zhǎng)或?qū)掝l發(fā)射激光、光子計(jì)數(shù)和先進(jìn)的量子技術(shù)、組合被動(dòng)和主動(dòng)系統(tǒng),以及組合微波及激光雷達(dá)等。同時(shí),也期待使用相干激光雷達(dá)使得人們的增加獲得全場(chǎng)數(shù)據(jù)的方法。在組件方面,有效的多功能激光源、緊湊的固態(tài)激光掃描儀、針對(duì)非機(jī)械光束控制和整形、敏感的以及更大的焦平面陣列、有效的硬件以及處理激光雷達(dá)信息和高數(shù)據(jù)速率的算法等,來實(shí)現(xiàn)直接以及相干檢測(cè)。

圖10. 帶激光雷達(dá)的FSU電光系統(tǒng)
(a)海軍激光雷達(dá)系統(tǒng)(基輔)的兩個(gè)甲板裝置之一
(b)具有激光雷達(dá)監(jiān)視和消防控制系統(tǒng)(基輔)的多通道CM
(c)精密測(cè)距和角度測(cè)量 系統(tǒng)(阿爾泰光學(xué)激光中心)

通過對(duì)比激光雷達(dá)技術(shù)50年來在各國(guó)的發(fā)展所取得的成就,結(jié)果顯示激光雷達(dá)技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用仍具有廣泛的應(yīng)用前景。

 

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激光雷達(dá)激光應(yīng)用前景
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