LiDAR 雷达

LiDAR 是光探测和测距的首字母缩略词，它是一种使用脉冲激光来测量距离（可变距离）并生成精确 3D 数据的遥感方法。高质量 LIDAR 系统的关键组件是传输光束的激光源。

LiDAR 提供的高精度和高分辨率使其成为许多应用的主要部件，在他们的职责区域内帮助地方当局和其他土地管理组织。以下是使用 MKS Spectra-Physics 激光器的 LiDAR 应用实例。

01

广域，通道和城市测绘，以及城市规划

精确的地形测绘对于公路通道规划和设计、环境影响评估和基础设施资产管理是非常重要的。LiDAR 数据可被用于创建高度详细的数字城市模型以及识别诸如以前在基础地图上没有捕获的新建筑物和扩建物之类的区域。这对于需要访问可获得的最新信息的应急服务和建筑检查员来说是至关重要的。图 1 是机载激光雷达探测到的广域地形和城市测绘的示例。

图1. 使用 Spectra-Physics 激光器的 LiDAR 城市测绘。图片是由 Leica Geosystems（上图）和Teledyne Optech（下图）提供的。

02

植被测绘

精确的植被测绘对于自然资源管理、森林调查、生态分析、消防管理规划和保护规划是至关重要的。LiDAR 在测量林冠和个体树冠的垂直结构方面具有独特的能力。图 2 显示了机载 LiDAR 探测到的植被测绘。数据是通过一个同时使用 1064 nm 和 532 nm 激光器的双通道仪器获得的。通过组合来自各自通道的校准反射率值，支持诸如树种或者自然与人造对象之类的附加属性的测定。

图 2. 使用 Spectra-Physics 激光器的 LiDAR 植被测绘。图片由 Riegl Laser Measurement Systems GmbH 提供。

03

电力线路

机载 LiDAR 是一种被证明的可为输电线路提供精确高程模型的技术，允许公用事业设备测量输电线路下方的地面形状、塔和电线杆的位置、电线上的下凹以及任何植被或者其他类型入侵的生长。图 3 显示了机载 LiDAR 探测到的电力线路的示例。

图 3.使用 Spectra-Physics 激光器的 LiDAR 电力线路测绘。图片由 Teledyne Optech 提供。

04

海岸测绘

机载 LiDAR 测深法已被证明是一种监测海岸环境的有效工具。这个技术的重要优点是越过陆海边界进行无缝勘测以及绘制具有复杂和不规则地形的极浅区域的能力。机载 LiDAR 探测到的海岸测绘的一个例子如图 4 所示。

图 4.使用 Spectra-Physics 激光器的 LiDAR 海岸测绘。图片是由 Leica Geosystems 提供的。

05

考古和历史调查

最近，使用 LiDAR 已经发现了几个古代文明的结构，显示了新的 LiDAR 测绘技术在历史、考古和人类学研究中的附加价值。这些发现包括位于英格兰北部的古罗马道路和隐藏在危地马拉北部茂密丛林下的巨大玛雅城市。

通过新型 LiDAR 3D 地形测绘工具实现的中美洲丛林中的发现，揭露了大量深埋在危地马拉贝登省地区丛林之下的玛雅建筑物。除了数百个以前未知的建筑物外，LiDAR 图像还显示了连接城市中心和采石场的凸起的公路。复杂的灌溉和梯田系统支持精细农耕，能够供养大量显著改造地形的工人。

06

LiDAR 应用的未来方向

LiDAR 是一个快速发展的技术，MKS Spectra-Physics 激光器在功率、精度和速度方面持续更新改进。这些进展为 LiDAR 技术带来新的应用空间。例如，通过更高的有效脉冲率降低每点成本是未来处理大面积、高点密度项目的最佳方法。LiDAR 技术的最新进展是针对为单个扫描仪或者通过同时操作两个扫描仪提高脉冲重复频率。MKS Spectra-Physics 激光器目前具有高达 2 MHz 脉冲重复频率，提供最先进的性能，而下一代 LiDAR 则需要更高的重复频率能力。

除了更高的重复频率之外，LiDAR 应用还将需要具有更高功率同时保持近衍射极限光束质量的激光器，以实现更高的高度和采集速率。此外，为了实现更高的精度，需要更短的脉冲持续时间（~1 ns）。随着脉冲光纤激光器的改进，机载 LIDAR 将继续展示出显著的进步，从而为各个行业带来积极改变，比如提高资源管理效率、更有效的基础设施规划以及更好的自然灾害准备。

07

LiDAR 应用中的 MKS 激光源

MKS Spectra-Physics VGEN-SP-NL 激光器结合最先进的光纤激光技术来提供多样的性能规格，以满足 LiDAR  对波长、工作高度、目标光斑尺寸、扫描速率和测距精度等极为苛刻的要求。关键激光参数和相应的 LiDAR 属性见下表 1。

表1. 用于激光雷达应用的Spectra-Physics 激光器规格表。

 VGEN-SP-NL 激光器是高重复频率内高平均功率和峰值功率的组合（见图 5），再加上短脉冲宽度、小光束发散角以及窄线宽能力，为 LiDAR 系统提供了充分的灵活性。对于各种机载 LiDAR 应用，这种激光器在数据采集速率随飞行高度的变化、精度和明显地物点密度方面具有最先进的性能。大多数 LiDAR 应用以固定的脉冲宽度工作，因此较高的峰值功率可转换为较大的脉冲能量。通过将这些大脉冲能量扩展到更高的脉冲重复频率，脉冲光纤激光器功率的提升增强了 LiDAR 的工作能力。

图 5. 工作波长为 1064 nm 的各种 Spectra-Physics 激光器的典型峰值功率与重复频率对应关系。图例为每个激光系统的最大峰值功率和平均功率。

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