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Geosystems ALS系列，每秒捕获100万个点。增加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，脉冲频率受到诸如能量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速率，因为每个脉冲所需的能量要少得多。

激光雷达系统通常由以下几个组成部分构成:

• 测距系统
• 引导激光脉冲的扫描光学
• 一种位置和定位系统，用来记录激光脉冲的起始点。

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

通过使用每个脉冲更多的能量，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。线性模式系统的输出令人印象深刻，这些系统提供高空间和辐射精度的数据。然而，这项技术对所能达到的最大有效脉冲速率施加了一些限制。

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更高的心率

在数据采集过程中，脉冲重复率是确定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，需要越来越高的脉冲速率，是一个工程上的挑战。除了精度和脉冲重复率，传感器设计不仅需要考虑总电耗和系统冷却，还需要考虑尺寸、重量和眼睛安全。

为了进一步发展机载激光雷达系统，必须降低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SPL系统，依赖于新的测距技术，以实现更低的能量消耗和更高的脉冲速率。

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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，并已被证明可以在每个脉冲中使用最少的激光能量来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离器，将每个激光脉冲分割成10x10个小激光束（小光束）阵列。对于这100个小束，分别测量光子到地面和背面的传播时间。SPL系统中部署的高灵敏度光子探测器的添加使得能够用更少的能量检测单个返回光子。

SPL系统每秒可产生60,000次脉冲。由于每个脉冲被分割成100个波束，因此有效的脉冲率为6.0 MHz -明显高于线性模式激光雷达所能达到的。

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多个返回与个别点

线性模式激光雷达系统允许在全回波波形内对来自不同目标反射的峰值进行配准，可以对其进行处理以检索多个回波。由于SPL系统不捕获连续的波，而是计算单个光子，这样一个完整的波形是不可用的。然而，由于通道恢复时间非常短，只有1.6纳秒，因此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，以计数是否有新光子从小束返回。这些被视为新的回报。其结果是一个真正的多回程激光雷达系统，具有24厘米的短回程间隔。因此，SPL系统可以获得每平方米12到30个点的高密度点云，并在檐篷下获得许多回报。

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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介绍徕卡SPL100

线性模式激光雷达仍然是航空测绘的行业标准，但SPL技术正在获得大型项目的认可。例如，美国地质服务局（USGS）的三维高程计划（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，并探索了SPL技术。该系统已被证明符合美国地质勘探局QL1数据的精度标准，对应于非植被区域优于10 cm的高度精度。

考虑到这一点，徕卡Geosystems今年早些时候在徕卡SPL100上推出了其首个商用SPL机载系统。自2016年被Hexagon收购以来，该公司最新的机载传感器是第一个使用Sigma Space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。

“SPL技术为我们的飞行合作伙伴和客户带来了高达10倍的效率。现在可以在大范围内提供极高的点密度，实现我们周围世界的详细数字化，这在以前是不可能的，”徕卡地质系统内容和工程服务及地理空间解决方案部门总裁John Welter说。“徕卡RealTerrain是提供高质量机载信息的下一个进化;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。这将扩大SPL技术适用的应用领域。

还预计SPL系统的有效脉冲率将继续提高，正如线性模式系统的有效脉冲率在过去二十年中稳步提高一样。目前的性能水平为每秒600万点，SPL系统可能在不到十年的时间内每秒捕获10亿点。

通过提高有效脉冲速率来降低每点成本是解决未来大面积、高点密度项目的最佳方法。随着SPL技术在越来越多的应用中得到应用，我们将在整个行业看到积极的变化，如资源管理效率的提高，更有效的基础设施规划和更好的自然灾害准备。

这个故事的一个版本最早出现在《GIM国际》杂志上。