单点激光雷达成像技术的演进历程

激光雷达是雷达技术和激光技术相结合的产物，它起源于20 世纪60 年代，发展于20 世纪70 年代，实用化研究开始于20 世纪90 年代，到目前已有五十多年的发展历程(孙莉丹，2015)。

激光雷达从一开始就和航天技术紧密结合在一起，最早公开报道的星载激光雷达由美国国际电话和电报公司研制，用于航天飞行器交会对接，并于1967 年研制了激光雷达样机。通过空间飞行试验证明了星载激光雷达的可行性。1978 年美国国家航天局的马歇尔航天中心研制了用于航天飞行器交会对接的CO2相干激光雷达，并于1984 年取得阶段性成果(贺嘉，2008)。

最早对成像激光雷达展开研究的是美国的林肯实验室，他们于20 世纪70 年代末首先研制成功了CO2成像激光雷达，主要用于导弹制导、地形侦察等领域(韩绍坤，2006)。到20 世纪80 年代末，以机载激光雷达测高技术为代表的空间对地观测技术在多等级三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破，激光雷达探测得到了迅速发展。德国斯图加特大学于1988—1993 年将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成机载激光扫描仪(Ackermann，1999；曾齐红，2009)。(www.xing528.com)

随着技术的不断发展和成熟，成像激光雷达已从单纯的航空航天或者军事领域走向商业化。20 世纪90 年代末该技术在国际上已发展得较为成熟，商业化的LiDAR 系统研制出了一百多种，并成功应用到各个领域(孙莉丹，2015)。典型的有加拿大Optech 公司、瑞士Leica 公司、奥地利Riegl 公司、德国IGI 公司和Topo Sys 公司、瑞典Top Eye 公司等，这些公司各自的产品在激光安全等级、激光波长、脉冲宽度、测量精度、测程范围、扫描视场等指标性能上有所不同，客户根据应用需求可以有多种不同的选择(徐祖舰等，2009；Baltsavias，1999)。能够提供机载激光雷达测量设备的厂商主要有加拿大的Optech公司、瑞士的Leica 公司、奥地利的Rigel 公司等。随着世界各国对海洋资源开发和对领海主权的重视，一种可以实现浅海测量的机载海陆双频激光雷达系统受到各国的欢迎，这主要得益于双频激光对于海水的穿透性差异(1064nm 红外激光和532nm 蓝绿激光)，从而使得该系统可以同时对海底地形和海面进行同步测量。通常采用532nm 蓝绿激光进行海洋浅水海底地形测深，同时采用无法穿透海水的1064nm 红外激光实现海面高度测量。双频机载激光扫描系统通过一次扫描即可完成海面、海底、海水高度数据的获取，目前国外的双频测深激光雷达系统一般采用双频点激光同步扫描，一次获取海面和海底测距数据，譬如加拿大Optech 公司研发的SHOALS-1000T 高精度机载激光雷达，就是采用这种扫描方式以实现海洋测深模式(双频同步测量海底地形和海水表面距离)和地形测绘模式(常规陆域地形测绘)测量(黎明焱，2016)。

国内方面，从事激光雷达测量技术研究的单位主要有：中国科学院遥感应用研究所、浙江大学、华中科技大学、电子部27 所、电子科技大学、哈尔滨工业大学等单位。1996年，李树楷教授等人成功试验了扫描式激光雷达测距原理样机，但由于国内目前还无法生产高精度的IMU 姿态测量传感器以及高精度的扫描装置，导致该测量系统的激光脚点密度低，高程和平面精度都没法达到人们满意的结果(李树楷等，2000)。武汉大学李清泉教授等人研制了一套地面激光扫描测量系统，但只有测距功能，还没有将GPS 定位以及IMU 姿态传感器定向等集成到一起，目前主要用来进行堆积测量(李清泉等，2000)。在“八五”期间，华中科技大学成功研制出我国第一套机载激光雷达海洋测量试验系统(昌彦君等，2001)。中国科学院上海光机所研制了我国新一代机载激光雷达测深系统，最大测深能力达到50m(陈卫标，2004)。2007 年，我国的嫦娥一号卫星也搭载了由自主研制的激光高度计，获得了精确的月球表面三维数字高程信息，得到了清晰的月球立体图像和月球两极地区的表面特征(叶培建等，2007)。2011 年12 月，中国电子科技集团27 研究所研制的激光雷达探测系统用于神舟八号与天宫一号交会对接，并取得完满成功，这表明了我国在激光雷达方面的技术取得了长足的进步。但从整体上来看，我国机载激光雷达扫描测量系统还不够成熟。