摘要：激光雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术，在目标的识别、分类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优势，应用范围和发展前景十分广阔。本文详细阐述了激光雷达探测以及三维成像系统的各种体制、探测原理等；总结和梳理了国内外单点扫描、线阵推扫以及面阵三维成像激光雷达系统的发展现状；同时对比分析了它们在星载、机载、车载等不同平台和应用领域的技术特点及优劣势等。近年来，三维成像激光雷达逐渐从单点扫描向小面阵扫描和线阵推扫式及面阵闪光成像发展，成像速度越来越快；同时单光子探测技术逐渐成熟，探测灵敏度越来越高。随着现代探测技术越来越趋向于多种传感器的融合探测发展，三维成像的发展也趋向于主、被动成像相结合，以获取更丰富的目标信息。?

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关键词：激光测距；激光雷达三维成像；扫描激光三维成像；面阵激光三维成像

1.引言?

激光雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空 间信息的主动探测技术。三维成像激光雷达作为一 种主动成像系统，与被动成像系统相比具有可获得高 精度距离信息以及不受光照条件限制的优势；与微波 成像系统相比，具有角分辨力高、测量精度高、抗干 扰能力强以及系统易小型化的优点；在目标识别、分 类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优 势，因而被广泛应用于军事、航空航天以及民用三维 传感等领域。自上世纪六七十年代起，随着激光技术 和探测器件的发展，发达国家率先在激光雷达三维成 像领域进行了研究，各种距离测量技术和三维成像体 制蓬勃发展。激光雷达三维成像系统按照成像体制可 以分为扫描式成像系统和面阵成像系统两种，按激光 距离测量体制可以分为直接脉冲测距、相位式测距以 及线性调频测距等类型。不同体制的激光雷达三维成 像系统具有不同的优缺点，本文就这些成像体制的原 理、特点以及国内外发展现状进行了总结和梳理。激光三维成像本质上是通过测量光脉冲或调制信 号往返于雷达和目标之间的飞行时间来获得距离信息 (Z轴)，同时通过扫描或者多点对应测量获得垂直于光 束方向平面内的方位信息(X、Y轴)，因此，在对激光 成像体制探讨之前，有必要对激光测距的基本原理进 行了解。?

2.测距原理?

激光雷达要实现目标距离测量，必须确保能够接 收到足够的回波信号，而计算激光回波信号的依据则 是激光雷达方程，通用的激光雷达方程：

，（1）

其中：PR是接收回波功率，PT是发射激光功率，Pb是背景辐射和噪声功率；R是目标与雷达之间距离，θT是发射天线视场角/光束发散角；ρ是目标表面对激光的反射率，dA是目标表面面元，Ω是目标光散射立体角；D是接收天线孔径/直径，ηAtm是传输介质的双程透过率，ηSys是光学系统透过率。

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2.1 直接脉冲飞行时间探测

直接脉冲飞行时间探测顾名思义就是直接测量激光脉冲从发射到经目标散射后返回雷达的往返时间t，已知激光在大气中的传输速度c，得到被测目标的距离r=ct/2，如图 1所示。根据雷达系统选择线性探测器或者单光子探测器，又可以将直接脉冲测距技术细分为线性探测和光子计数探测。线性探测模式下，探测器的电脉冲响应与入射光强呈线性关系，可以采用恒比定时、阈值鉴别法等高精度时间测量技术获得激光脉冲的往返飞行时间。而在光子计数探测模式下，探测器工作在盖革模式，具有单光子级灵敏度，一个信号光子即能触发一次电脉冲响应，但此时探测器只能响应回波信号的有无，不能提供信号的强度信息。光子计数模式一般用于远距离探测，回波信号弱，光子数很少，此时探测器对回波信号的响应可以认为服从泊松分布，当入射到探测器的信号和噪声的总光电子数为m时，理论上产生k次光子事件的概率密度为

图1.激光雷达探测示意图?

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3.激光雷达三维成像?

激光三维成像可以理解为是对每个二维像素点的激光测距，在单点激光测距的基础上，对每个测距点 的方位信息同步进行测量，即可实现三维成像。而方 位信息的获取可以通过单点扫描和面阵器件成像两种方式。?