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激光雷达:东西方的历史回顾与展望

发布时间: 2017-06-10 08:50:08   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  自上世纪60年代激光被发明不久,激光雷达就大规模发展起来。激光成为真正的推动者,使得激光雷达变得既便宜又可靠,使得与其他传感器技术相比更具有竞争力。激光雷达开始在可见光区域工作(红宝石激光器),而后是近红外区(Nd:YAG激光器),最后是在红外区域(CO2激光器)。目前,很多激光雷达工作在对人眼无害的近红外区域(∼1.5 μm)。基于激光雷达原理,OCT和数字全息等许多新的技术逐渐受到重视。 

  激光雷达应用于测绘主要有测距、定位以及地球及地外物体的图形绘制;相干激光雷达在环境应用有重要应用,例如风力传感以及合成孔径激光雷达的开发;门控成像主要应用于军事、医疗以及安全方面;激光微雷达在血管研究以及眼科视力矫正方面得到了应用。鬼激光雷达已经以新技术的形式应用在理论和模拟方面。激光雷达作为一种重要的技术,应用在自动驾驶汽车和无人飞行器方面,它也被警方用来测量速度,以及游戏中,比如微软的Kinect体感游戏。 

  

  图9. 早期激光测距仪的发展示例.(a)第一台爱立信LRF试验设备(1965年);(b)瑞典海军用LRF(1968年);(c)西姆拉德手持LP-7;(d) LRF KTD 2-2(极地, USSR);(e) LRF BD-1 (801研究所, USSR);(f)费朗蒂CO2 TEA LRF.

  纵观激光雷达在欧洲、美国、前苏联、日本和中国的发展历史, 激光雷达经历了许多发展阶段,从最早的激光测距,使得其在军事方面的测距和武器制导上有广泛的应用,尤其是激光定位(双基地雷达)。进一步的研究导致了基于二维门控监测的激光成像系统以及正在装备过程中的三维成像技术的发展。成像系统的发展主要包括:更大范围以及跨距离的分辨率、单光子敏感阵列以及具有多种功能的多频率或宽光谱发射激光,更好的穿透能力、穿越植物、穿越密集的介质而进行目标识别等应用。 

  在民用以及军民两用方面,在大气和海洋遥感研究方面环境激光雷达已经技术成熟,而在很多国家三维测绘激光雷达已经进入运行状态。随着激光的效率越来越高,而且也更小巧、更便宜,这为汽车以及无人机提供了潜在应用,在自动驾驶汽车方面的应用可能是激光雷达最为广泛的商业应用,这极大的减小了激光雷达的尺寸、重量以及造价。 

  激光雷达技术在医学方面有很多应用,其中一个例子是光学低相干断层扫描,这个技术起源于激光反射仪在眼科中研究眼睛结构的三维复原方面的广泛应用,实现对血管的三维内窥镜研究,扩展到多普勒三维测速仪,另一个重要的例子是人类眼睛屈光度的折射成像研究。 

  在激光雷达系统研究中,伴随出现了许多新兴的技术和方法,包括:多孔径以及合成孔径、双向操作、多波长或宽频发射激光、光子计数和先进的量子技术、组合被动和主动系统,以及组合微波及激光雷达等。同时,也期待使用相干激光雷达使得人们的增加获得全场数据的方法。在组件方面,有效的多功能激光源、紧凑的固态激光扫描仪、针对非机械光束控制和整形、敏感的以及更大的焦平面阵列、有效的硬件以及处理激光雷达信息和高数据速率的算法等,来实现直接以及相干检测。 

  

  图10. 带激光雷达的FSU电光系统。 (a)海军激光雷达系统(基辅)的两个甲板装置之一,(b)具有激光雷达监视和消防控制系统(基辅)的多通道CM,(c)精密测距和角度测量 系统(阿尔泰光学激光中心)。

  通过对比激光雷达技术50年来在各国的发展所取得的成就,结果显示激光雷达技术及相关应用仍具有广泛的应用前景。 

  大为编译自: Vasyl Molebny, Paul McManamon, Ove Steinvall, Takao Kobayashi, Weibiao Chen, “Laser radar: historical prospective—from the East to the West,” Opt. Eng. 56(3), 031220 (2016), 

   

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