激光測(cè)距傳感器在宇宙空間探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

前面我們了解了幾種主要的測(cè)距/距離傳感器的原理及特點(diǎn)，其中，激光測(cè)距傳感器因其抗干擾能力強(qiáng)，精度高的優(yōu)勢(shì)，自誕生以來，得到了極大的發(fā)展，在各行各業(yè)都發(fā)揮著巨大的作用。

1960年世界上第一臺(tái)紅寶石激光器問世不久，以精密測(cè)距為主要功能的激光測(cè)距技術(shù)便隨之誕生了。

第一臺(tái)紅寶石激光器

經(jīng)過了50多年的發(fā)展，其發(fā)展大致表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先是應(yīng)用各種新技術(shù)和設(shè)備提高測(cè)距精度和觀測(cè)數(shù)據(jù)量；其次是提高測(cè)距系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，減小人力和物力的消耗。具體為：

1、在測(cè)距精度上，從最初的米級(jí)逐步提高到分米級(jí)、厘米級(jí)，目前國際上最先進(jìn)的臺(tái)站其測(cè)距精度已能達(dá)到毫米級(jí)。

2、在測(cè)距能力上，從最初的最遠(yuǎn)1000～2000km提高到2萬km，乃至3.6萬km。激光測(cè)月的實(shí)現(xiàn)使測(cè)距能力達(dá)到了38萬km。

3、在測(cè)距頻率上，從最初的每秒一次發(fā)展到目前每秒1000～2000次，更高頻率的激光測(cè)距（如10kHz測(cè)距）也在試驗(yàn)中。

4、在測(cè)距波長上，目前普遍采用的仍是單色測(cè)距系統(tǒng)，一些臺(tái)站也在使用雙色／多色激光測(cè)距系統(tǒng)。雙波長激光測(cè)距系統(tǒng)不再需要大氣物理參數(shù)和大氣模型的修正，只需測(cè)量結(jié)果本身即可修正大氣延遲，就能達(dá)到更好的數(shù)據(jù)精度。

5、在自動(dòng)化程度上，從初期的人工目視跟蹤，發(fā)展到今天計(jì)算機(jī)控制、自動(dòng)跟蹤。

激光測(cè)距傳感器在宇宙空間探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

空間激光測(cè)距技術(shù)在監(jiān)測(cè)大陸板塊運(yùn)動(dòng)、地殼形變、地球自轉(zhuǎn)，改進(jìn)地球重力場(chǎng)和地心引力常數(shù)，確定地球和海洋潮汐變化的規(guī)律，監(jiān)測(cè)空間碎片等方面具有重要作用。它也是當(dāng)前高精度衛(wèi)星精密定位觀測(cè)的主要手段之一，是現(xiàn)代各種定位觀測(cè)手段中單點(diǎn)采樣精度最高的一種，是支持國際地球自轉(zhuǎn)與參考系服務(wù)（IERS）的技術(shù)手段之一。衛(wèi)星激光測(cè)距技術(shù)在如下應(yīng)用方面已經(jīng)取得了顯著的成就，具有廣闊的應(yīng)用前景。

精密測(cè)定激光衛(wèi)星的軌道

利用衛(wèi)星的激光觀測(cè)數(shù)據(jù)所確定的軌道精度，3天弧段可達(dá)1cm；對(duì)于徑向定軌精度可達(dá)到2～2.5cm。

精確測(cè)定地球引力場(chǎng)模型及其時(shí)變性

在研究地球質(zhì)心的位置變化過程中，激光技術(shù)測(cè)定了目前最準(zhǔn)確的地球引力常數(shù)GM，其測(cè)定值為：GM＝398600.4415km3／s2；利用不同軌道傾角和高度的激光衛(wèi)星，精確測(cè)定了地球引力場(chǎng)模型，并且測(cè)定了地球引力場(chǎng)低階球諧系數(shù)的季節(jié)性變化；同時(shí)還得出了地球質(zhì)心位置的周期性變化，包括季節(jié)性和年際變化，最新的測(cè)定值為：J2＝-2.6*10-11／年（歷元1986.0）；地球引力場(chǎng)的變化反映了地球內(nèi)部及各圈層（包括海洋、大氣、地下水、冰層等）的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和相互作用過程，具有重要研究?jī)r(jià)值。

精確測(cè)定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)

地球自轉(zhuǎn)參數(shù)（ERP）定義了地球旋轉(zhuǎn)軸和隨時(shí)間序列的定向運(yùn)動(dòng)以及在天球參考框架中的旋轉(zhuǎn)速度。地球自轉(zhuǎn)參數(shù)包括極移和日長（LOD）變化。利用激光測(cè)虎技術(shù)測(cè)定的地球極移分量（XP，YP）精度目前已達(dá)到0.1～0.2mas；日長（LOD）的測(cè)定精度目前已達(dá)到0.1ms。

監(jiān)測(cè)全球地殼板塊運(yùn)動(dòng)

利用激光長期觀測(cè)數(shù)據(jù)可以精確地測(cè)定地面測(cè)站的地心坐標(biāo)，高精度測(cè)站坐標(biāo)的解算使得人們監(jiān)測(cè)板塊運(yùn)動(dòng)的愿望成為可能。利用激光測(cè)距技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)，已經(jīng)估計(jì)了40多個(gè)測(cè)站的站速度和站間基線的變化率。如果測(cè)站位于板塊的剛性部分，則其站速度就代表了板塊運(yùn)動(dòng)。利用測(cè)站基線的變化率和站速度可以解算板塊間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

高精度海平面和冰蓋地形的測(cè)量

激光測(cè)距技術(shù)與其他空間技術(shù)（如GNSS、雷達(dá)高度計(jì)、SAR等）聯(lián)合應(yīng)用，將可能實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度的海平面和冰蓋地形的測(cè)量。

空間碎片軌道確定和監(jiān)測(cè)

利用激光測(cè)距技術(shù)可以精確測(cè)定空間碎片，確定碎片軌道位置，為空間碎片監(jiān)測(cè)和空間碰撞預(yù)警系統(tǒng)提供精密軌道信息。

激光測(cè)距傳感器在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

輕型便攜式脈沖激光測(cè)距儀

輕型便攜式脈沖激光測(cè)距儀包括步兵和炮兵偵察用的手持式以及前沿偵察和前沿對(duì)空控制(FAC)雙用途的激光測(cè)距儀—目標(biāo)指示器。對(duì)上述用途的系統(tǒng)，要求機(jī)動(dòng)靈活、重復(fù)輕、體積小、用電池組作電源、可靠性和維修性高以及單一產(chǎn)品的成本低等。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，由以前單一的步兵、炮兵獨(dú)立作戰(zhàn)發(fā)展到有步兵、炮兵和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)組成的特種部隊(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)，武器系統(tǒng)也由單一的地炮、高炮逐漸采用多功能綜合高技術(shù)。因此激光測(cè)距儀也由單一測(cè)距功能的便攜式、手持式發(fā)展到激光測(cè)距、紅外瞄準(zhǔn)的晝夜觀測(cè)儀以及激光測(cè)距、目標(biāo)指示、紅外瞄準(zhǔn)的激光紅外目標(biāo)指示器等。

地面車載脈沖激光測(cè)距儀

地面車載脈沖激光測(cè)距儀包括坦克、步兵戰(zhàn)車(IFV)、火控、對(duì)空防御、火炮或?qū)椫茖?dǎo)火控以及目前發(fā)展的地面車載激光測(cè)距儀—目標(biāo)指示器等。其主要技術(shù)性能：最大測(cè)程4~10km，測(cè)距精度±5~10m，目標(biāo)分辨約20m，重復(fù)頻率0.1~1Hz，束散角0.4~1mrad。

激光測(cè)距儀在坦克火控系統(tǒng)中的應(yīng)用是提供彈道軌跡的超仰角修正信息和因逆風(fēng)或目標(biāo)移動(dòng)引起的方位角校正信息以及距離信息。步兵戰(zhàn)車主要是使用激光測(cè)距儀去測(cè)量目標(biāo)是否在反坦克導(dǎo)彈的距離內(nèi)，其次用于槍炮火控和對(duì)目標(biāo)的分選。

對(duì)空火炮和導(dǎo)彈防御脈沖激光測(cè)距儀

對(duì)空防御的脈沖激光測(cè)距儀以及采用了自保護(hù)措施的步兵戰(zhàn)車對(duì)空防御脈沖激光測(cè)距儀均應(yīng)按火控系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)的要求工作，在距離和距離速率以內(nèi)對(duì)空中高速機(jī)動(dòng)目標(biāo)提供穩(wěn)定的跟蹤信息和距離信息，以對(duì)抗武裝直升機(jī)、隱身飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈的威脅。

這要求激光測(cè)距儀提供比較高的數(shù)據(jù)率(高的激光脈沖速率)和相當(dāng)高的距離精度，如最大測(cè)程為4~20km，測(cè)距精度為±2.5~5m，重復(fù)頻率為6~20Hz，束散角為0.5~2.5mrad等。

機(jī)載脈沖激光測(cè)距儀

機(jī)載脈沖激光測(cè)距儀可以用來裝備武裝直升機(jī)的導(dǎo)彈指令制導(dǎo)和裝備固定翼飛機(jī)，用于封鎖支援的光電飛行器等目標(biāo)以及攔截飛機(jī)和導(dǎo)彈的攻擊。

機(jī)載脈沖激光測(cè)距儀的主要技術(shù)性能：測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)距精度高、重復(fù)頻率高、束散角小，同時(shí)機(jī)載設(shè)備應(yīng)體積小、重量輕并要與航空指示器共用。

因此，激光器必須使用高效循環(huán)液體作冷卻器，以適應(yīng)高的運(yùn)轉(zhuǎn)速率要求，否則要采用氣體或混合氣體升壓冷卻。

艦載脈沖激光測(cè)距儀

艦載脈沖激光測(cè)距儀的發(fā)展在輕型便攜式、車載和對(duì)空防御激光測(cè)距儀之后，它包括水面艦載和潛艇潛望兩大類。

水面艦載脈沖激光測(cè)距儀在技術(shù)性能指標(biāo)方面與車載火控和對(duì)空防御激光測(cè)距儀相同，在環(huán)境使用方面要適應(yīng)艦載?？铡⒑Ｃ嬉约昂Ｉ消}霧的荷刻要求，而在體積、重量、電效率、維護(hù)保養(yǎng)能力和成本等方面的要求又不苛刻。

因此，目前大量用來裝備常規(guī)火控和對(duì)空防御的海軍艦只，如掩護(hù)(無聲雷達(dá))艦載飛機(jī)回收和與紅外熱成像、電視等組成跟蹤系統(tǒng)，全天候監(jiān)視和跟蹤空中目標(biāo)等獨(dú)特的艦上應(yīng)用正在出現(xiàn)，其應(yīng)用前景相當(dāng)廣泛。

潛艇潛望脈沖激光測(cè)距儀目前采用兩種組合方式，第一種將激光測(cè)距儀、圖像增強(qiáng)器和熱成像儀裝于其潛望鏡中，而距離顯示器、觸發(fā)按鈕等分別裝于操作手上方或附近。

其優(yōu)點(diǎn)是傳輸光路中激光損耗小，但光束飄移，不易捕獲目標(biāo)；第二種將上面三部分均裝在潛望鏡底部，整個(gè)系統(tǒng)的安裝，調(diào)試、拆卸均很方便，但采用這種方法的激光束要通過12m長的潛望鏡管和15~20塊透鏡，能量損耗較大。

云高脈沖激光測(cè)距儀

利用脈沖激光測(cè)距儀來測(cè)量云層垂直高度的儀器稱為云高激光測(cè)距儀。這類激光測(cè)距儀主要用來測(cè)量機(jī)場(chǎng)的云層高度，也可用來測(cè)量衛(wèi)星發(fā)射點(diǎn)的云層高度，為飛機(jī)的起降或衛(wèi)星發(fā)射提供安全的氣象數(shù)據(jù)。

這類脈沖激光測(cè)距儀可以為前沿軍事基地、機(jī)場(chǎng)或軍用衛(wèi)星發(fā)射點(diǎn)(近距離)的安全提供可靠的氣象數(shù)據(jù)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)不可缺少的儀器；若使用它為大型國際機(jī)場(chǎng)、小型商業(yè)民用機(jī)場(chǎng)和民用通信衛(wèi)星發(fā)射點(diǎn)(近距離)提供飛機(jī)起降或衛(wèi)星發(fā)射的安全氣象數(shù)據(jù)，將對(duì)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和提高國際信譽(yù)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

激光測(cè)距傳感器在智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用

激光測(cè)距技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)智能交通中的一些可能應(yīng)用方向，主要包括：激光測(cè)速傳感器、汽車防撞系統(tǒng)、車流量監(jiān)控、車型描畫、車輛行人違法監(jiān)測(cè)以及其他一些精密監(jiān)控測(cè)量中的應(yīng)用等。

汽車防撞探測(cè)器

一般來說，大多數(shù)現(xiàn)有汽車碰撞預(yù)防系統(tǒng)的激光測(cè)距傳感器使用激光光束以不接觸方式用于識(shí)別汽車在前或者在后形勢(shì)的目標(biāo)汽車之間的距離，當(dāng)汽車間距小于預(yù)定安全距離時(shí)，汽車防碰撞系統(tǒng)對(duì)汽車進(jìn)行緊急剎車，或者對(duì)司機(jī)發(fā)出報(bào)警，或者綜合目標(biāo)汽車速度、車距、汽車制動(dòng)距離、響應(yīng)時(shí)間等對(duì)汽車行駛進(jìn)行即時(shí)的判斷和響應(yīng)，可以大量的減少行車事故。在高速公路上使用，其優(yōu)點(diǎn)更加明顯。

車流量監(jiān)控及車輪廓描畫

這種使用方式一般固定到高速或者重要路口的龍門架上，激光發(fā)射和接收垂直地面向下，對(duì)準(zhǔn)一條車道的中間位置，當(dāng)有車輛通行時(shí)，激光測(cè)距傳感器能實(shí)時(shí)輸出所測(cè)得的距離值的相對(duì)改變值，進(jìn)而描繪出所測(cè)車的輪廓。

這種測(cè)量方式一般使用測(cè)距范圍小于30米即可，且要求激光測(cè)距速率比較高，一般要求能達(dá)到100赫茲就可以了。

這對(duì)于在重要路段監(jiān)控可以達(dá)到很好的效果，能夠區(qū)分各種車型，對(duì)車身高度掃描的采樣率可以達(dá)到10厘米一個(gè)點(diǎn)。對(duì)車流限高，限長，車輛分型等都能實(shí)時(shí)分辨，并能快速輸出結(jié)果。

在沒有車輛到來時(shí)，激光測(cè)距傳感器測(cè)出的是一個(gè)距離常量，也就是激光測(cè)距傳感器到地的距離，當(dāng)有車輛從激光測(cè)距傳感器下面經(jīng)過時(shí)，距離值改變，當(dāng)距離值再次回到常量就認(rèn)為有一輛車通過，根據(jù)這種方式我們可以對(duì)通過一些路段的車流量進(jìn)行監(jiān)控。

現(xiàn)在常用的方法是對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的車流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均的方法，帶有很大的估計(jì)成分，而視頻統(tǒng)計(jì)的方法還有很多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的困難，因此，激光測(cè)距統(tǒng)計(jì)方法為車流量統(tǒng)計(jì)提供了一種可行的方案。

車輛行人違法監(jiān)測(cè)

由于激光測(cè)距傳感器的光束不是實(shí)質(zhì)性的障礙，在利用激光測(cè)距傳感器對(duì)路面進(jìn)行監(jiān)控的時(shí)候，并不會(huì)阻礙交通的正常運(yùn)行。

因此，在一些禁停或者禁止行人車輛通行的路段，用激光束平行路面以一定高度進(jìn)行固定發(fā)射或者以一定角度進(jìn)行掃描，當(dāng)遇到有車輛違法停車闖紅燈或者行人違法跨越護(hù)欄等，激光測(cè)距距離值改變，可以進(jìn)行報(bào)警或者警示。

這種應(yīng)用光束不必要太寬，但一般要求測(cè)距距離比較長，以確保一定路段長度的防護(hù)距離。這種方式構(gòu)成的智能交通違法監(jiān)控系統(tǒng)將在交通物聯(lián)網(wǎng)中得到很大的應(yīng)用。

激光測(cè)速傳感器

激光測(cè)距傳感器是激光測(cè)距技術(shù)在交通管理領(lǐng)域最早的一種形式，因?yàn)槠渥吭降男阅?，在?shí)際應(yīng)用中逐漸得到普及。激光測(cè)距傳感器是采用激光測(cè)距的原理，是對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測(cè)距，取得在此時(shí)間間隔內(nèi)被測(cè)物體的距離變化，從而得到該被測(cè)物體的移動(dòng)速度。

激光測(cè)速儀分為固定式的和移動(dòng)式兩種，固定式的一般固定在路邊或者龍門架上，以一個(gè)比較小的角度迎向來車，一般通過車牌反射進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度比較高，可以達(dá)到±1公里/小時(shí)，測(cè)速范圍可達(dá)250公里/小時(shí)，測(cè)距范圍在此應(yīng)用中不用太大，一般80到100米即可。

移動(dòng)式激光測(cè)速儀對(duì)操作要求比較高，一般光束發(fā)散角度要大于3 mrad，鑒于激光測(cè)速的原理，激光光束必須要瞄準(zhǔn)垂直與激光光束的平面反射點(diǎn)，又由于車輛處于移動(dòng)狀態(tài)，車體平面不大，且測(cè)速需要一定時(shí)間，只能作為臨時(shí)測(cè)速，取證應(yīng)用。

激光測(cè)距傳感器由于光束發(fā)散角度較小，便于測(cè)速取證，不像雷達(dá)多普勒測(cè)速儀，在多車道測(cè)量時(shí)不能確知超速的具體車輛，且由于激光測(cè)速傳感器發(fā)射的是近紅外的光波，不能被雷達(dá)探測(cè)器、電子狗等探側(cè)，且不易受市區(qū)雷達(dá)雜波干擾。

在當(dāng)下最火熱的無人駕駛領(lǐng)域，也是激光測(cè)距傳感器大顯身手的地方

谷歌的無人駕駛汽車一個(gè)“突出”的特點(diǎn)就是其車頂上方的旋轉(zhuǎn)式激光測(cè)距儀，該測(cè)距儀能發(fā)出 64 道激光光束，幫助汽車識(shí)別道路上潛在的危險(xiǎn)。該激光的強(qiáng)度比較高，能計(jì)算出 200 米范圍內(nèi)物體的距離，并借此創(chuàng)建出環(huán)境模型。

谷歌無人汽車

據(jù)負(fù)責(zé)無人駕駛汽車項(xiàng)目的總工程師Sebatian Thrun介紹，整個(gè)系統(tǒng)的核心是車頂上的激光測(cè)距儀(Velodyne 64-beam)。該設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)向周圍發(fā)射64束激光，激光碰到周圍的物體并返回，便可計(jì)算出車體與周邊物體的距離。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)再根據(jù)這些距離數(shù)據(jù)描繪出精細(xì)的 3D 地形圖，然后跟高分辨率地圖相結(jié)合，生成不同的數(shù)據(jù)模型供車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)使用。

汽車頂部的激光測(cè)距儀是整套系統(tǒng)的核心

無人駕駛系統(tǒng)描繪出的3D地形圖

總結(jié)

實(shí)際上，激光測(cè)距傳感器的運(yùn)用范圍遠(yuǎn)不至上述這些，它還被廣泛應(yīng)用于：電力，水利，通訊，環(huán)境，建筑，地質(zhì)，警務(wù)，消防，爆破，航海，鐵路，反恐/軍事，農(nóng)業(yè)，林業(yè)，房地產(chǎn)，休閑/戶外運(yùn)動(dòng)等各個(gè)領(lǐng)域。

目前激光測(cè)距技術(shù)越來越朝著小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高精度、高適用范圍的方向發(fā)展，特別是隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)距技術(shù)將變的更加完善。如先進(jìn)的背景抑噪技術(shù)和三角測(cè)量技術(shù)的引入，可以使激光測(cè)距傳感器在更加復(fù)雜的情況下更好地工作。我們相信，隨著技術(shù)的發(fā)展，激光測(cè)距傳感器及激光測(cè)距技術(shù)一定會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。