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激光器的演变

经过罗恩·罗斯，Marcos Sirota. • 2017年5月1日

本文最初发表在地理学世界．

徕卡地理系统公司的罗恩·罗斯和西格玛空间公司的马科斯·西罗塔解释了这项技术将如何通过更快的脉冲率和更密集的点云带来好处。

目前的机载激光雷达系统，如徕卡ALS系列，每秒捕获100万点。增加脉冲重复频率是以较低成本实现稠密点云的最佳方法，因为可以提高飞行速度。然而，脉冲频率受到能量消耗和眼睛安全等参数的限制。单光子激光雷达能够实现更高的脉冲速率，因为每一个脉冲需要更少的能量。

激光雷达系统通常由多个组件组成:一个测距系统、扫描光学系统来引导激光脉冲，以及一个位置和定位系统来记录激光脉冲的起始点。对于机载激光雷达，这种系统有时也被称为“线性模式激光雷达”。

线性模式LIDAR系统在每个发射的激光脉冲中使用相对高的能量。每个脉冲从飞行器行进到地面，从它反射回扫描仪的位置。通过每个脉冲使用更多的能量，可以记录更强的反射，因为更多的光子被飞机下方的地形反射。这些系统的输出令人印象深刻，提供具有高空间和辐射精度的数据。但是，该技术确实对可以实现的最大有效脉冲速率施加限制。

更高的脉搏率

脉冲重复率是在数据采集期间定义可接受的飞行高度和飞行速度的最重要参数。更高的脉冲重复率允许在保持类似点密度的同时更快地飞行。随着线性模式激光雷达系统的脉冲速率增加，电力消耗也是如此。此外，激光器会产生更多的热量。能够产生越来越高的平均光输出，需要更高的脉冲率，是工程挑战。除精度和脉冲重复率外，传感器设计应考虑总电力消耗，系统冷却，尺寸，重量和眼睛安全。这导致对最大平均光输出的限制，从而限制了最大有效脉冲速率。

为了采取空中激光雷达系统开发的下一步，必须减少每个脉冲所需的能量。这可以通过改变测距系统的性质和技术来实现。下一代激光雷达技术，包括单光子激光雷达（SPL），依靠新的测距系统来实现较低的能耗和更高的脉搏率。

光子计数

SPL最初是为地球到卫星的测距而开发的，并且已经证明可以在每个脉冲中使用最小的激光能量产生精确的距离测量。与目前可用的线性模式激光雷达系统相比，SPL可以通过从飞机下方地面反射的单个光子进行距离测量。这种水平的灵敏度允许给定数量的激光输出被分配到更高的脉冲率和更低的能量在每个脉冲。

SPL系统包含一个激光分配器，它将每个激光脉冲分割成10 × 10个小激光束的阵列(图1)。对于这100个光束，光子到达地面和返回的旅行时间是单独测量的。与传统的激光雷达相比，每个光束中的能量要小得多，但由于灵敏度更高，一个返回的光子就足以测量一个范围。SPL系统每秒可以产生60000个脉冲。由于每个脉冲被分割成100束，这导致有效脉冲率为6.0MHz -显著高于线性模式激光雷达可以实现的。

多的回报

线性模式的激光雷达系统允许注册的全波形，这可以处理检索多个返回。由于SPL系统不捕捉连续波，而是计数单个光子，这样一个完整的波形是不可用的。然而，由于信道恢复时间非常短(1.6纳秒)，仍然可以检索多个返回值。这意味着光子计数器每1.6纳秒重置一次，以计数是否有新的光子从光束返回。这些都被认为是新的回归。结果是一个真正的多回波激光雷达系统与短回波间隔。

因此，SPL可以获得每平方米12至30点的高密度点云，在檐篷下方有许多返回。点密度与飞行高度成反比。如果飞行高度加倍，则覆盖的条子将加倍，但点密度将切成两半。在接地上4000米的4000米处飞行的SPL仪器将产生每平方米大约20分的点密度。图2显示了结果点云的示例。随着激光使用绿光，返回也可以在半多孔晦涩的下面的诸如白天和夜间操作期间的植被，地面雾和薄云下方。

应用领域

线性模式激光雷达仍然是行业标准，但SPL正在获得大型测绘项目的接受。例如，美国地质服务3D高程项目(US Geological Service 3D Elevation Program)就采用了SPL，该项目旨在系统地收集高质量激光雷达数据形式的增强高程数据。其他应用，如走廊映射、资源分类和水深测量，需要从每个数据点获得更多的数据，如健壮的强度值或完整的波形。这些都不能通过SPL实现，使得线性模式的激光雷达更合适。

一般来说，每个数据点的成本越低，使用任何类型数据的应用程序的数量就越多。因此，SPL特别适用于需要获取大量数据点的大面积应用。

外表

在精度和辐射测量能力方面，SPL的性能预计将随着时间的推移而增加。随着时间的推移，这将导致SPL适用的应用领域发生转变。我们还预计，SPL系统的有效脉冲频率将继续提高，就像线性模式系统的有效脉冲频率在过去20年里稳步提高一样。这可以在图3中看到。以目前每秒600万个点的性能水平，SPL可能在不到十年的时间内每秒捕获10亿个点。