激光雷达的发展

目前的机载线性模式激光雷达系统，如徕卡地球系统ALS系列，每秒捕获100万个点。提高脉冲重复频率是以较低成本实现密集点云的最佳方法，因为飞行速度可以提高。然而，脉冲频率受能源消耗和眼睛安全等参数的限制。单光子激光雷达（SPL）技术可以实现更高的脉冲率，因为每个脉冲所需的能量要少得多。

激光雷达系统通常由多个组件构成：

• 测距系统
• 扫描光学元件来引导激光脉冲
• 记录激光脉冲起始点的位置和定向系统。

这些系统在每个发射的激光脉冲中使用相对较高的能量。每一个脉冲从飞机传播到地面，然后在地面反射回扫描仪。

通过每脉冲使用更多的能量，可以记录更强的反射，因为飞机下方的地形反射更多的光子。线性模式系统的输出令人印象深刻，这些系统提供的数据具有较高的空间和辐射精度。然而，该技术确实对可以达到的最大有效脉冲率施加了一些限制。

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高脉冲率

脉冲重复频率是确定数据采集过程中可接受飞行高度和飞行速度的重要参数。更高的脉冲重复率允许更快的飞行，同时保持相似的点密度。

随着线性模式激光雷达系统脉冲速率的增加，电力消耗也随之增加。此外，使用的激光将产生更大的热量。

产生越来越高的平均光输出的能力是一项工程挑战，这是越来越高的脉冲率所需要的。除了精度和脉冲重复率外，传感器的设计不仅要考虑总的电能消耗和系统冷却，还要考虑尺寸、重量和眼睛安全性。

为了在机载激光雷达系统开发中迈出下一步，必须降低每脉冲所需的能量。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SPL系统，依靠新的测距技术来实现更低的能耗和更高的脉冲率。

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从太空到地球

SPL技术最初是为地球卫星测距而开发的，并已被证明可以使用每个脉冲中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系统包含一个激光分束器，它将每个激光脉冲分成一个10 × 10小激光束阵列。对于这100束光来说，光子到地面和返回地面的旅行时间是单独测量的。在SPL系统中增加了高灵敏度的光子探测器，可以用更少的能量探测单个返回的光子。

SPL系统每秒可产生60000个脉冲。由于每个脉冲被分割成100个小波束，因此有效脉冲率为6.0 MHz，大大高于线性模式激光雷达的有效脉冲率。

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具有单个点的多重返回

线性模式激光雷达系统允许在全回波波形中记录各种目标反射的峰值，可对其进行处理以检索多个回波。由于SPL系统不捕获连续波，而是计算单个光子，因此无法获得完整的波形。但是，由于通道恢复时间非常短，仅为1.6纳秒，因此仍然可以检索多个返回。

这意味着光子计数器每1.6纳秒重置一次，以计数从光束中返回的新光子。这些都被视为一种新的回报。其结果是一个真正的多回波激光雷达系统，具有24厘米短的回波间隔。因此，SPL系统可以获得每平方米12至30点的高密度点云，并在雨棚下有许多回返。

点密度与飞行高度成反比。如果飞行高度加倍，覆盖的线束将加倍，但点密度将减半。在地面以上4000米处以200节的速度飞行的SPL仪器将产生大约每平方米20个点的点密度。

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徕卡SPL100

线性模式激光雷达仍然是机载测绘的行业标准，但SPL技术正在为大型项目获得认可。例如，美国地质调查局(USGS)的3D高程计划(3DEP)旨在以高质量激光雷达数据的形式系统地收集增强的高程数据，已经探索了SPL技术。该系统已证明能够满足USGS QL1数据的精度标准，非植被区域的高度精度优于10厘米。

考虑到这一点，徕卡地理系统公司今年早些时候在徕卡SPL100上推出了其首个商用SPL机载系统。该公司机载产品组合中的最新传感器是自2016年被Hexagon收购以来首次使用Sigma空间技术发布的传感器。bob体育报道

新的SPL100是新现实捕捉解决方案Real-Terrain的一半。bob综合app赌博该解决方案结合可扩展后处理工作流软件HxMap，实现了大面积激光雷达数据集的高效采集和快速处理。SPL100采集和HxMap数据处理的效率使激光雷达数据采集更大、更频繁，用于高密度植被制图和变化检测等应用。

Leica Geosystems Content and Engineering Services和Geospatial Solutions Division总裁：“徕卡RealTerrain是提供高质量航空信息的下一个发展方向；它既推动了该领域的发展，也塑造了数字现实的未来。”

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激光雷达的未来

SPL技术在精度和辐射测量能力方面不断进步。这将导致SPL技术适用的应用领域的扩展。

预计SPL系统的有效脉冲率将继续提高，就像线性模式系统的有效脉冲率在过去20年稳步提高一样。根据目前每秒600万个点的性能水平，SPL系统可能在不到十年的时间内捕获每秒10亿个点。

通过更高的有效脉冲率降低每点成本是未来解决大面积、高点密度项目的最佳方式。随着SPL技术在越来越多的应用中的应用，我们将看到整个行业的积极变化，例如提高资源管理效率、更有效的基础设施规划和更好地应对自然灾害。

这个故事的一个版本首先出现在GIM国际上。