Lidar技术—A

Lidar技术—A

(2009-07-18 22:49:47)

标签： it

分类： 工作篇

[定义]
　　激光雷达是"光探测和测距"(Light detection and ranging)的简称。早先称为光雷达，因为那时使用的光源均非激光。自激光器出现以来，激光作为高亮度、低发散的相干光特别适合作光雷达的光源，所以现在的光雷达均使用激光器作光源，名称也就统称为激光雷达了。
[工作原理]
　　激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。
　　因为光速是已知的，所以根据发射光的发出时间和后向散射光的接收时间的时间差就可计算出激光器与污染剂的距离。这就是激光雷达能测距的原理。
　　激光雷达测污的基本作用过程是，作为光源的激光器发出特定波长的光束，射向污染剂(或毒剂云团)，该波长的光同污染剂相互作用后，有一部分光以与发射光束相反的方向反射回接收装置，经探测后便可获知有关污染剂的信息。
　　激光雷达探测大气污染剂在遥感中属主动式方法。还有被动式方法。被动法本身没有人工光源，本身不发射光束，只接收来自目标云团自身的热辐射或天然光源(太阳)的辐射，然后进行分析测定而得出结论。
[分类]
　　激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。目前激光雷达中使用的激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移Nd：YAG激光器、GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。
　　根据光与污染剂分子作用原理不同，激光雷达可分为如下几种。
　　1.基于吸收原理的激光雷达。几乎所有的由多种原子组成的污染剂(包括化学战剂)都能吸收特定波长的光，不同的化合物吸收的光波长也不一样。要测哪种污染剂，就让激光器发出该污染剂最强烈吸收的那个波长的光。发射光被吸收掉一部分后，总有一少部分反射回探测器，分析接收到的光强度的变化就能察知污染剂的浓度大小。如将激光器发出的光束波长调谐到与待测污染剂的吸收波长相重合并使其频宽小于该污染剂的吸收线宽，这时，就将产生最强烈的吸收效应。这叫共振吸收，基于测量共振吸收的激光雷达叫共振吸收激光雷达。共振吸收时，除产生热能外，还产生荧光。基于测量共振吸收时所产生的荧光强度的激光雷达叫共振荧光激光雷达。
　　如果使激光器发出两束波长不同的光，其波长分别位于待测污染剂吸收峰和吸收谷的位置，测量两束光通过污染剂后各自的强度，从而计算污染剂浓度，这种方法叫作差分吸收法，用此原理工作的雷达叫差分吸收激光雷达。
　　2.米氏散射激光雷达。光波与污染剂分子相互作用除了上述的吸收效应外，还有散射效应。所谓散射是指光在不均匀介质中传播时偏离原来的方向而向各个方向散开的现象。这一现象的产生是因为介质中混杂有折射率各不相同的微小粒子(原子、分子、微粒)之故。如果粒子的径度与光束波长大小相等或稍大于波长，则引起的散射叫米氏散射。米氏散射中入射光波长与反射光波长相等。利用米氏散射原理的激光雷达叫米氏散射激光雷达。
　　3.喇曼散射激光雷达。如果用一束频率为υ0的单色光照射污染剂，则在散射光中除了频率为u0的成分之外，还有频率为υ0+Δυ和频率为υ0-Δυ的成分，使入射光频率发生位移的这种散射叫喇曼散射。分子种类不同，其喇曼散射光的频率位移值Δυ也不同，与入射光频率υ0无关。可见，探测后向散射光中的Δυ就可推断是哪种污染剂分子存在。利用这个原理的雷达叫喇曼散射激光雷达。
　　根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。其中直接探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（AM），且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可用外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率调制（FM）或混合调制。按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，运动目标指示雷达，流速测量雷达，风剪切探测雷达，目标识别雷达，成像雷达及振动传感雷达。
　　相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共同在所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收（T/R）开头隔离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最后高频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含两套望远镜和光学扫描部件，T/R开关自然不再需要，其余部分与单稳系统的相同。
　　[概况] 美国陆军1958年就宣告研制成功第一台主动式毒剂遥测仪〔１〕，名叫LOPAIR，是一种基于含磷毒剂对9,8μm波长红外线差分吸收原理的光雷达，但光源不是激光器(世界第一台激光器1960年研制成功)，LOPAIR总重54磅，探测距离400米，对0.01μg/l浓度的神经毒剂有响应。但由于性能不佳，未装备部队。70年代，美国陆军曾探索性地研制过同位素CO2激光雷达〔２〕。作用原理同LOPAIR。为它规定的主要性能要求是：探测距离1km，可探测神经毒剂和模拟剂，灵敏度CL=500mg/m2。但至今未见这种激光雷达研制情况的进一步报道。差不多与此同时，美国陆军当局又同布鲁克工程公司签订合同，研制喇曼散射激光雷达〔３〕，使用一台宇宙线2-J红宝石激光器，全套设备装在一辆拖车上，可在野外不同气候条件下进行污染剂遥感测量，探测距离400米，距离分辨率10米，对SO2的灵敏度300ppm米。后来经改进后，化学兵当局已能用它测量G类和V类神经毒剂，且作用距离增加到2km。还曾计划用它来探测生物战剂。可是，该激光雷达最终也未能装备部队.美国空军80年代研制成功一种差分吸收激光雷达DIAL〔４〕，光源为一只频率可调CO2激光器，该激光器能发出波长位于9~10μm波段(含磷神经毒剂峰值吸收线波长为9.8μm)的60条谱线，以供选择用于照射毒剂。DIAL的作用距离2km，对神经毒剂的灵敏度为0.01mg/m3，对芥子气为0.1mg/m3。计划服役后，每个空军基地机场塔台下的工事中安装2台DIAL，就足以对整个机场实施毒剂监测。1986年，DIAL系统的体积和重量都有所减小，探测距离也增加到了7公里，这更有利于野外使用。还计划将此激光雷达安装在直升机和远程有人驾驶飞机中使用〔５〕。
　　眼下，美国休斯飞机公司正在为美国陆军发展一种基于吸收原理的CO2调频激光雷达〔６〕。该光雷达的CO2激光器可调出4种激光束用以照射毒剂，对蒸气态毒剂的作用距离5km，对气溶胶毒剂是1km，对地面液态毒剂是500m〔7〕。服役后将安装在防化侦察车和直升机上。
　　如今，激光雷达在美国陆军的远景规划中已被确定为要重点加以发展的技术之一。
　　前苏联1987年试验、1990年批量生产的KDKhR-1N型探测化学战剂的激光雷达是以ACRV炮兵指挥车外壳和底盘为工作平台改装而成的，其激光传感器可在360°范围内通过光谱吸收分析来扫描并探测距离1～3公里(一说3~5公里)处的毒剂云团，车内携带的一台计算机控制系统能让操作者测出毒剂云团的距离、大小和形状，以及在地面上空的运动速度和方向。对神经毒剂的灵敏度达每立方米空气零点零几毫克〔８〕。
　　法国研制的主动式激光雷达名叫DETADIS，是一种差分吸收激光雷达〔９〕。该系统应用2台TEA CO2激光器作光源，这个光源可在9～11μm之间调谐，而且效率高。该系统其他基本性能参数如下：激光脉冲能量30mJ，重现率10Hz，接收望远镜口径160mm，光探测器为冷却状态下的HgCdTe，观测方位角120°，竖直观测角30°，对气态毒剂的作用距离3km，灵敏度值低于毒剂的阈值。
　　日本环境厅国立公害研究所1981年就建成当时的世界最大激光雷达〔１０〕，该雷达能在瞬间测出60公里范围内的大气污染物分布状况。激光器发出的激光束被大气污染物散射，散射光被1.5米口径的反射望远镜接收。由此可以推断，这是一台米氏散射式激光雷达。米氏散射激光雷达只能测出污染剂的距离、分布状况、运动速度和方向，而分辨不出污染剂到底为何物及浓度是多少。
　　英国早在1970年就制成了一台激光雷达〔１１〕，使用红宝石激光器为光源，用来探测飞机布洒物。飞机尾部的布洒物把激光束反射回来，由地面牛顿望远镜收集并聚焦于一个光电池上，光电池把光能变成电信号，电信号进入示波器。如果示波器上的波形轨迹明显"摆动"，那就证明飞机在布洒某种物质，基在战时，当然首先想到的是化学生物战剂。这是一台比较原始的米氏散射激光雷达。
　　匈牙利目前正在发展一种供野外用的差分吸收激光雷达VTB-1〔１２〕，VTB-1具有两个连续波射频激励CO2波导激光器作为光源。该激光器在9～11μm波段可调谐出40条谱线。因此，使用时可以很容易地选出两条谱线使其位于待测物的吸收峰和吸收谷的位置，从而得以用差分吸收法鉴别大气污染剂(或毒剂)的种类。VTB-1是两端式装置，即将激光器置于一辆卡车上，而将一台人工反射器--1m2喷砂铝反射器安装于几千米之外的一个三脚架上(上述其他各国的激光雷达都为单端式的，即它们不用人工反射器，而是接收污染剂的后向散射光)。使用时，将装有激光器的卡车置于某大型设施中(如某个工业区)，然后在该设施周期布放几个反射器，就可实施对此设施的监测。激光器可旋转360°，竖直活动范围为15～20°。VTB-1最小可测光密度10～20W，频宽只有1Hz。其光学系统主要有迈克尔逊干涉仪，卡塞格伦望远镜用作发射和接收装置。数据处理部分有低噪声前置放大器和带通滤光器。VTB-1可探测出所有G类和V类神经毒剂气体，灵敏度在130mg/m2～250mg/m2之间，作用距离5公里。
[发展]
　　美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似，即侧重于对目标的监视、捕获、跟踪、毁伤评（SATKA）和导航。然而，由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导航任务，因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上，例如高精度毁伤评估，极精确的导航修正及高分辨率成像。较早出现的一种激光雷达称为“火池”，它是由美国麻省理工学院的林肯实验室投资，于60年代末研制的。70年代初，林肯实验室演示了火池雷达精确跟踪卫星，获得多普勒影像的能力。80年代进行的实验证明，这种CO2激光雷达可以穿透某些烟雾，识破伪装，远距离捕获空中目标和探测化学战剂。发展到80年代末的火池激光雷达，采用一台高稳定CO2激光振荡器作为信号源，经一台窄带CO2激光放大器放大，其频率则由单边带调制器调制。另有工作于蓝-绿波段的中功率氩离子激光与上述雷达波束复合，用于对目标进行角度跟踪，而雷达波束的功能则是收集距离――多普勒影像，实时处理并加以显示。两束波均由一个孔径为1.2M的望远镜发射并接收。据报道，美国战略防御局和麻省理工学院的研究人员于1990年3月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西洋海岸发射的探空火箭进行了跟踪实验。在二级点火后6分钟，火箭进入亚轨道，即爬升阶段，并抛出其有效负载，即一个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞行器的可充气气球。该气球有气体推进器以提供与再入飞行器和诱饵的物理结构相一致的动力学特性。目标最初由L波段跟踪雷达和X波段成像雷达进行跟踪。并将这些雷达传感器取得的数据交给火池激光雷达，后者成功地获得了距离约800千米处目标的像。
　　据1991年5月的《防卫电子学》报导，美国空军和海军当时正在研制“先进技术激光雷达系统（ATLAS）”。该系统拟装在巡航导弹上，用CO2激光和新型红外雷达将巡航导弹引向目标。此项计划由设在佛罗里达州伊格林空军基地的莱特研究所先进制导部主管，主承包商麦道公司和通用动力公司康威尔分部各自按照1500万美元的合同研制AGM-130或巡航导弹型武器。海军发言人雷上尉当时称计划在1992年财政年度对ATLAS以吊舱结构进行飞行试验；1992年，位于加利福尼亚州的休斯公司光电与数据系统研究组已研制成功一种先进的CO2激光雷达，并将其作为ATLAS计划的一部分，交付主承包商通用动力公司康威尔分部。1992年6月的《光子学》和7月的《防卫电子学》对此相继作了报导。为了演示激光雷达的功能，康威尔分部将其与有关的信号处理电子设备以及制导系统的其他部件。即处理机，导航传感器和测试仪器等一起装入吊舱，吊挂在康威尔分部的试验喷气飞机上，在伊格林试验场针对目标进行飞行，激光雷达提供了目标区域的高分辨率三维图像。此后，又进行了多种空对地武器的导航，末端瞄准和精密寻的导引试验，充分显示出该激光雷达用于导弹制导的很多独特的优点。
[影响]
　　在世界范围内，大气污染问题日益严重。要治理这种环境污染，首先就要探测污染源头。激光雷达是探测污染源头在哪里的最有威力的手段。使用它可以随时监测某个地域上空的空气污染情况，甚至探测出某个烟囱都排放出哪些污染物，从而为迅速采取对策提供依据。这是说的民用方面。
　　在军事上，对付敌化学生物袭击的最重要措施之一是迅速发现化生战剂的存在，以便及时地采取各种相应的防护，而用激光雷达技术进行探测，由于其探测距离远、获得结果快速和手续简便，使它远远胜过其他任何一种常规的生化战剂的检测方法。
　　[特点]激光雷达测污(或探测化生战剂)具有下列几大优点。第一，它无需兴师动众去收集样品，也就省去了样品预处理方面的繁琐手续，因而方法简便，分析速度快；第二，检测人员不同污染物接触，因而可避开诸如有毒、肮脏、高温、险峻等等恶劣环境；第三，因激光雷达具有测距功能，故用它可以实时测出污染剂的三维空间(立体)分布状况，根据不同时间的三维分布又可勾画出污染剂的移动速度、路线和浓度变化图，有利于预报。在防化领域意义更重大，它能提供更多预警时间，让部队较从容而充分地采取防护措施，减少伤亡，也就等于削弱了敌化生袭击的效果。
　　军事上常常希望飞机低空飞行，但飞机飞行的最低高度受到机上传感器探测小型障碍物能力的限制。且不说阻塞气球线这样的对抗设施，在60米以下，各种动力线，高压线铁塔，桅杆、天线拉线这样的小障碍物也有明显的危险性。现有的飞机传感器，从人眼到雷达，均难以事先发现这些危险物，这种情况，在夜间和恶劣天气条件下尤其突出。而扫描型激光雷达因其具有高的角分辨率，故能实时形成这些障碍物有效的影像，提供适当的预警。据1993年5月出版的《军事技术》报导，在法国政府和英国政府的倡议下，由法国达索电子公司和英国GEC-马可尼航空电子学公司雷达系统分部组成的联合体研制出一种紧凑的激光雷达（CLARA）。其主要功能即是发现飞机航线上有危险的障碍物。并显示给驾驶员，且不论白天、黑夜及天气的好坏，均能对前面所提到的各种障碍物进行实时探测、分类和显示。选用的工作波长不受阳光的影响，有良好的穿透烟、雾的特性。为了保证飞机转弯时始终提供适当的警戒，传感器采用了大视场。
　　紧凑激光雷达的另一功能是进行地形跟踪和目标确定，这要求系统能实现处理飞机前方地形的回波，以产生飞行控制指令。紧凑激光雷达由三部分组成，即传感器头，扫描器及信号与数据处理器。传感器头的核心是激光器组件与探测器组件，前者包括两台CO2激光器，一台提供脉冲或连续波发射光束；另一台是小功率本机振荡器，用于与回波进行外差相干。而探测器组件则为宽波段红外探测器上光学元件的组合，并采用超低温冷却，以减小量子噪声，提高探测灵敏度。探测器将光信号转换为电信号，送往信号处理器进行处理，扫描器的核心是陀螺稳定的双反射镜及其他可旋转光学部件，要求能适应不同的工作模式。在障碍物告警模式下，首先要找到目标的大致方位，因而无需很多的分辨率，但必须有较大的扫描视场；与此相反，在瞄准模式下，目标的大致位置已知，因此无需很大的扫描视场，但要求有很高的距离和视角分辨率，并能以高精度跟踪所选目标。
[技术难点]
　　激光雷达技术复杂、研制周期长，设备昂贵，因此要发展它不仅需要有关的高级专门人才，还要有雄厚的经济基础。它就使它普及起来很困难，目前它主要应用于科学研究方面。
　　激光雷达发出的激光束具有较高能量，对人的防护是道难题。
　　激光雷达技术发展还不充分，某些问题还未完全解决，使其应用受到了限制。例如喇曼激光雷达在鉴定污染剂方面在理论上有巨大的优越性，但由于目前技术不过关，使目前世界上为数不多的喇曼激光雷达散射截面很小，信号接收很困难，作用距离一般只有几百米，不能发挥其应有的作用。
　　激光雷达通常体积庞大而笨重，使用中需要经常调试。解决这一问题也非轻而易举之事。

3S技术的的发展，使得空间数据的需求日益增长，但常规的数据获取方式远远不能满足信息可视化的需要。三维激光扫描系统作为一种国际领先的数据获取系统，将使客观目标得到活化并可操作，其经济效益及社会影响极为深远。
    三维激光扫描系统采用高精度逆向三维建模及重构技术，以同步获取目标范围的三维坐标数据和数码照片的方式快速获取大型实体或实景等目标的三维立体信息，通过计算机重构其3D数据模型，再现客观事物的实时的、变化的、真实的形态特性，为快速获取空间数据的提供了有效手段。
激光三维扫描是继GPS以来在测绘领域的又一个技术革命。
    根据载体的不同，激光三维扫描分地面三维激光扫描仪系统和机载激光雷达系统两种模式。
（1）地面三维激光扫描仪系统
    地面三维激光扫描仪系统是利用激光扫描仪直接与数码相机及GPS相结合，在软件的支持下，不仅能进行快速精确、高效稳定的扫描，同时可以对三维数字模型进行纹理的精确贴加。经过改装，该系统可装载在汽车上，进行连续的三维城市数据采集。
    三维激光扫描仪可以进行水平360度，垂直90度～270度的快速扫描，其分辨率可高达毫米量级。利用三维激光扫描仪能够让你在几分钟内对你感兴趣的区域，如场地、楼房，桥梁，室内等获取详尽的、高精度的三维立体影像图数据，用其采集的数据可与全球标准的坐标系融合，进行各种坐标系的转换，并可以多种不同的数据格式输出。
激光扫描仪的电子扫描探测器（图上结构1），是专门为进行最佳高速扫描而设计的。（快速激光采样速度、快速信号处理和高速数据界面建立）
    激光束的垂直偏转角（“线扫描”）（图上结构2），是通过一个包含几个反射表面的多面体来控制的（图上结构3）。通过不断改变和调整多棱镜的旋转速度，可以得到不同的高速扫描速度，并可按不同的垂直扫描角进行扫描。如果想获取慢的扫描速度或以小的扫描角进行扫描，将多棱镜进行上下线性振荡就行。而通过将光学面进行360°圆周旋转，可实现水平面内的全方位扫描。
    通过平行数据输出接口，所获取的长度，角度，和信号强度大小直接与装有配套软件的手提电脑的接口连接，操作者可以用配套软件，对大量的数据进行不同的处理，如：传感器参数、数据获取、数据显示、数据处理和数据存档。
（2）机载激光雷达系统
    机载激光雷达系统是一款高速度、高性能、长距离的航空测量设备，该系统由激光测高计、GPS定位装置、惯性测量器和采集分辨率优于15厘米的高分辨率数码照相机组成完美结合在一起进行同步测量，它独有的特性可以在数据采集的同时进行在线波形数字化，大大提高了效率及精度，并且利用其极高的测量速度以及高速率的线性扫描线阵，可获取极高的数据采集密度和均匀分布的地面覆盖数据。
    该设备坚固、轻便，因此完全可安装在在单引擎飞机、直升机或超轻型飞机上进行测量。

激光雷达系统
　　LiDAR(LightLaser Deteetion and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。
　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。
　　激光雷达的历史
　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。
　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足“数字地球”对测绘的要求。
　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（Global PositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigation System、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multiple echoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。
　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。
　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。
　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定“规范”的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。
　　LiDAR的基本原理
　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。
　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。
　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。
　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。
　　直升机障碍物规避激光雷达
　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。
　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。
　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。
　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度×32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。
　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。
　　化学战剂探测激光雷达
　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。
　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。
　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9― 11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。
　　机载海洋激光雷达
　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。
　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。
　　成像激光雷达可水下探物
　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。
　　美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。