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雷達技術范文1

關鍵詞：激光雷達技術、發展、技術應用

1、前言

激光雷達技術是一門新興技術，在地球科學領域及行星科學領域有著廣泛應用。隨著這一技術在相關行業的深入開展，它越來越被世界各國的人們所熟知，并被大力推廣、研發和應用，成為當今較為熱門的現代量測技術。

激光雷達技術按不同的載體可分為星載、機載、車載及固定式激光雷達系統。其中星載及機載激光雷達系統結合衛星定位、慣性導航、攝影及遙感技術，可進行大范圍數字地表模型數據的獲取；車載系統可用于道路，橋梁，隧道及大型建筑物表面三維數據的獲取；固定式激光雷達系統常用于小范圍區域精確掃描測量及三維模型數據的獲取。總之，激光雷達技術的出現，為空間信息的獲取提供了全新的技術手段，使得空間信息獲取的自動化程度更高，效率更明顯。這一技術的發展也給傳統測量技術帶來革命性的挑戰。

2、激光雷達技術的發展歷程

國外激光雷達技術的研發起步較早，早在20世紀60年代年代，人們就開始進行激光測距試驗；70年代美國的阿波羅登月計劃中就應用了激光測高技術； 80年代，激光雷達技術得到了迅速發展，研制出了精度可靠的激光雷達測量傳感器，利用它可獲取星球表面高分辨率的地理信息。到了21世紀，針對激光雷達技術的研究及科研成果層出不窮，極大地推動了激光雷達技術的發展，隨著掃描，攝影、衛星定位及慣性導航系統的集成，利用不同的載體及多傳感器的融合，直接獲取星球表面三維點云數據，從而獲得數字表面模型DSM，數字高程模型DEM，數字正射影像DOM及數字線畫圖DLG等，實現了激光雷達三維影像數據獲得技術的突破。使得雷達技術得到了空前發展。如今機光雷達技術已廣泛應用于社會發展及科學研究的各個領域，成為社會發展服務中不可或缺的高技術手段。

3、激光雷達技術的工作原理及流程

激光雷達系統是一種集激光雷達掃描探測，衛星定位和慣性導航系統于一身的多功能三維影像獲取系統。通常由三部分組成，分別為POS系統，傳感器系統以及存儲與控制系統。其中POS系統由衛星定位系統和慣性導航系統組成，衛星定位系統通過差分實時測定傳感器的空間位置，慣性導航系統精確記錄傳感器的空間姿態，存儲與控制系統將傳感器測算的空間信息存儲起來，通過后處理軟件計算出準確的空間點云數據。并生成各種數字產品如：DSM、DEM、DOM、DLG等，其工作流程如下：

激光雷達技術工作流程（東方道爾）

確定激光雷達技術方案

根據所需要成果的用途及精度，確定采用激光雷達技術的工作方式。對于小比例尺基礎測繪和大范圍的規劃及考察研究，可采用星載激光雷達技術進行數據采集；對于高精度大面積基礎測繪及區域性詳細規劃，可采用機載激光雷達技術進行數據獲取；對于交通及觀測條件允許的帶狀區域的基礎測繪及高精度信息獲取，可采用車載激光雷達技術采集數據；對于小范圍、小區域的高精度三維數據獲取及建模研究等可采用固定式激光掃描技術采集數據。

數據采集

根據選定的激光雷達技術方法，利用GPS系統獲得傳感器的空間位置數據，利用慣性導航系統獲取傳感器空間姿態數據；利用攝影及掃描系統獲取空間三維坐標及影像數據；利用存儲及控制系統記錄所有獲取數據，并對定位數據、測姿數據、掃描及影像數據進行歸類存儲。

數據處理

外業數據采集完成后，利用相關軟件，對衛星定位軌跡數據、傳感器姿態數據、激光掃描數據進行聯合處理，得到大量測點的(X，Y，Z)三維點云數據及影像數據。其中包括影像數據的定向、鑲嵌及空三結算；激光數據拼接、濾波及異常值剔除；坐標及高程系統轉換等。

數據應用：通過內業聯合處理后，生成滿足用戶需求的數字表面模型DSM、數字高程模型DEM、正射影像圖DOM及數字線劃圖DLG及各類專業地圖。

4、激光雷達技術的主要應用領域

隨著國際社會對激光雷達技術的深入研究，這一新興技術的優越性越來越明顯，在各個行業均有其獨特的優勢。激光雷達傳感器發射的激光脈沖能部分穿透樹林遮擋，直接獲取真實地面的高精度三維地形信息。且激光雷達測量不受日照和天氣條件的限制，能全天候地對地觀測，這些特點使它在災害監測、環境監測、資源勘查、森林調查、地形測繪等方面的應用更具優勢，能有效地彌補常規傳感器的缺陷，是對現有航空、遙感技術的一種有效補充。

況且激光雷達測量技術又可以同其他技術手段集成使用，如將激光雷達測量技術同傳統的航空相機、CCD相機以及紅外遙感器等進行結合，可組成一套新的功能更強的遙感系統，為地球空間信息智能化處理提供新的融合數據源，在各行各業的應用都有較大優勢， 具體表現如下：

普通測繪中的應用激光雷達技術常被用來測繪帶狀地形圖，其中包括交通線路、輸電線路、海岸線、溝、管線路、水下地形等。通過激光雷達技術可以獲取高密度、高精度的激光點云數據，去除植被、房屋、其他建筑物等非地形目標上的點云數據，進而生成目標表面模型。

電力線路的設計（東方道爾產品）

文物遺址保護領域的應用對大型的遺跡及文物進行激光掃描，實現文物遺址的三維數字化建模，永久地保存文物信息，減少人為因素對文物的損壞；還可以按照時間序列，將歷史文化遺跡在時間隧道中再現；另外借助于互聯網，可以快速地實現資源共享，這都將對文化遺產保護、復原與研究具有重要意義。

構建“數字城市”的應用地面激光雷達能夠對地面建筑物進行多角度激光掃描，可以快速獲取城市中各類建筑物的三維點云數據，并在軟件的支持下進行拼接、建模、紋理映射，從而得到“數字城市”所需要的高精度、真三維、可量測的，具有真實感的虛擬城市三維模型。三維模型不但可以對目標建筑進行精確量測，也可以從任意角度實時交互地看到規劃效果，獲得前所未有的直覺體驗。

數字城市（東方道爾產品）

工程測量中的應用

工程測量的特點是:測量范圍大小不一;被測目標周圍環境復雜，目標之間空間幾何關系復雜、也可能時刻處于變化狀態等。這些特性就要求能有一種速度快、精度高，且可以實現遠距離主動遙感獲取空間信息的技術手段來實施測量。而地面激光雷達技術正好可以滿足這些要求，并已經被逐步應用于建筑工程、巷道與洞穴測量、工廠設施與管線測量等領域，成為工程測量新的技術力量。

困難區域的DEM(東方道爾產品)林業勘測中的應用森林地區準確的地形及植被參數信息對于林業及自然資源的管理非常重要。而這些數據用常規方法獲取較為困難。激光雷達技術它能同時獲得樹冠底部的地形信息以及樹高信息。通過數據后處理，可分析植被并對其加以分類，計算樹高、計算木材量，并可動態監測植物的生長情況以及提取林區的真實數字地面模型，成為林業管理的好幫手。

數字高程模型及等高線（東方道爾產品）

災害調查與環境監測方面的應用

激光雷達測量技術能快速、及時、直接準確地服務于自然災害的評估、監測及宏觀管理。為宏觀決策提供技術支持，避免常規測量受環境條件影響而面臨的困難。

災害區域DEM(東方道爾產品)

5、激光雷達測量技術的優越性

激光雷達測量技術的發展歷史雖然不長，但已經引起人們的廣泛關注，成為國際社會研究開發

的重要技術之一。同其他常規技術手段相比，激光雷達技術具有其自身獨特的優越性，主要表現在以下幾方面： （1） 采用激光探測技術，直接獲取地物三維坐標，采集數據精度相對較高。 （2） 激光雷達的激光脈沖信號能部分穿過植被，能快速獲得高精度和高空間分辨率的森林覆蓋區的真實數字地表模型（3） 在有少數或無地面控制點的情況下進行作業，且速度快，效率高。（4） 作業安全，它能進行危險地區（如沼澤地帶、大型垃圾堆等）的測量工作。 （5） 作業周期快，效率高，易于更新。 （6） 具備全天候獲取測區的三維數據的能力； （7） 激光雷達將信息獲取、信息處理及應用技術融為一體，更有利于提高自動化及高速化程度。

6、激光雷達測量技術的發展展望

激光雷達技術的發展為獲取高時空分辨率的地球空間信息提供了全新的技術手段，使人們從傳統的單點數據獲取變為連續自動數據獲取，并能夠快速地獲取精確的高分辨率的數字地面模型以及地面物體的三維坐標，同時配合地物的影像，增強人們對地物的認識和識別能力，在社會建設的各個領域均具有廣闊的發展前景和應用需求。目前，越來越多的用戶對使用激光雷達技術產生了濃厚的興趣，顯示了這項技術的強大市場需求。

激光雷達技術，能夠在一定程度上解決城市建設、規劃、環保、虛擬顯示，軍事國防，電子娛樂、災害預防與控制等方面的數據需求。涉及測繪、國土、規劃、電力、交通等多個領域的產業部門的用戶。隨著激光雷達技術在我國的全面推廣以及相關技術的飛速發展，激光雷達技術難度將大大降低，會使越來越多的用戶在使用激光雷達技術中獲得所需的空間信息，從而創造更大的經濟利益和社會效益。

參考文獻：

1、LIDAR技術及在高精度測繪領域應用_東方道邇 張生德

雷達技術范文2

摘要：民航空中交通流量的持續增長對提升空管監視設備提出了更高的要求，目前普遍使用的A/C模式二次雷達，由于二次代碼資源缺乏、缺少飛行員和航空器的下行數據、航空器數據更新頻率低等不足，已經無法滿足未來民航發展的需求。本文分析了S模式雷達技術，通過對下行數據的解析和應用，結合現有空管雷達融合、相關和告警技術，提出為了S模式雷達技術在空管系統中的應用實例。

關鍵詞：s模式；下行數據；空管系統

0引言

到2020年，我國民航空中交通流量將達到2014年的3倍左右，年起降架次將超過1500萬。雷達等傳統監視技術及其布局、數量將難以滿足日益增長的航空運輸的需要[1]。華東地區空中交通流量大，飛行密度高，空域結構復雜，迫切需要S雷達技術提供監視補盲與備份，以提升空中交通管制能力。同時，地面監視處理系統也需要航空器更多的信息，普通的A/C模式二次雷達已經無法更好的適應目前眾多的實際需求。一種新的我們稱之為S模式的雷達應運而生。S模式技術從二十世紀六十年代開始發展，現階段基于S模式應答機的技術已十分成熟。目前商用航空器已大部分安裝了S模式應答機。S模式應答機目前主要應用在S模式雷達、數據鏈系統、多點定位系統、1090兆赫擴展電文的ADS-B技術和在防相撞系統中。

1S模式雷達技術簡介

A/C模式應答機監視能力（ModeA/CSurveillance）。傳統的A/C模式應答機能應答詢問機發出的詢問信號，A模式詢問時，應答信號為4096個MODE3/A二次代碼；C模式詢問時，應答信號為高度編碼信息。通過雷達詢問機和機載A/C模式應答機聯合可以提供航空器的二次代碼、高度和位置信息。用于管制[2]。“S”是選擇()的意思。S模式二次雷達是由傳統A/C模式二次雷達基礎上發展起來的。當有限的二次雷達識別碼（最多4096個）成為航班量增長的瓶頸時，英國和美國分別開始發展改進系統，英國發展了選擇地址二次監視雷達（ADSEL），美國研究了離散尋址信標系統（DABS），1981年英美達成協議將兩者合而為一，稱為S模式系統[3]。由于S模式基于傳統A/C模式，因此S模式完全兼容傳統A/C模式。S模式相對于常規A/C模式有以下優點：

（1）S模式二次雷達足以解決傳統A/C二次雷達A碼（識別碼）資源緊張的問題S模式系統為每架飛機提供了單獨的24位地址碼，總共具有16，777，216個地址碼。全球范圍內每架飛機的S模式地址在出廠后唯一指定，S模式二次雷達用S模式地址碼來代替A碼實現識別功能。

（2）詢問方式的改變，根本上解決了應答混淆現象S模式雷達發射的詢問信號中包含了飛機的地址碼，只有地址碼相符的飛機才會產生應答，實現了有選擇的點名制詢問，被點名的回答，未被點名的不回答，因此現在分辨兩架飛機有如分辨兩個人，即使他們抱在一起也能將他們分開。

（3）詢問率和應答率的降低，從根本上減少了雷達間異步干擾的產生由于S模式雷達是點名詢問，因此采用S模式后，我們就可降低對目標的詢問率，因而也降低了目標的應答率，從而降低了異步干擾的產生。

（4）S模式雷達能夠得到比A/C模式雷達更豐富的信息S模式具有地空雙向數據交流功能，其中可以攜帶大量數據信息。通過詢問應答模式，可以讀取機載應答機BDS寄存器中的信息，因此S模式下雷達輸出的數據信息十分豐富，其中包括：飛機航班號、飛機24位地址信息、飛機磁航向、飛機真空速、飛機轉彎角等。這些信息便于管制人員了解飛機更詳細的狀況。

（5）S模式雷達接收的數據更加精準可靠由于應答信號采用了新的調制和編碼方式，使解碼的誤碼率大大降低，因此S模式二次雷達所接收到的信息的完整性和可靠性比傳統的A/C模式二次雷達高。另外，S模式二次雷達可以提供分辨率為25英尺（7.62米）的高度信息，優于傳統的A/C模式分辨率為100英尺（30.48米）的高度信息。目前上海區管中心的主用/備用自動化系統引接了10部S模式雷達，分別是：上海虹橋、南京尹山、南昌生米、福州風洞山、連云港袁閘、青島流亭、杭州恩瑞特、寧波、合肥、鹽城恩瑞特，這10部S模式雷達基本可以覆蓋上海大部分區域。

2目前的S模式雷達應用

S模式雷達數據采用的格式為ASTERIX標準中的048類和034類，其中048類是單雷達目標報告001類信息的升級版，034類是單雷達勤務報告002類信息的升級版。以2010年的1.17版048類格式定義為例，與001類所具有的數據項相比，最大的不同是多出了飛機識別信息（航班號I048/240）、24位地址碼（I048/210）和ACAS報告（I048/260）等新數據項。在現有空管自動化系統的版本中，S模式信息主用應用于如下幾方面：

2.1S模式雷達的融合處理

當系統中S模式雷達信息參加融合時，系統級別的相關會優先考慮S模式的地址碼和航班號，系統級別的融合跟蹤會采用S模式的雷達信息。S模式雷達輸出的信息包括高度信息、A碼、飛機識別信息（航班號）SI、飛機24位地址信息SA、信號強度信息、方位信息、時標信息。無論是任何版本的數據類型，包括ASTERIX的CAT048、CAT034、CAT021、CAT02、CAT001等種類信息，監視數據處理能根據數據類型的各個數據項，提取分解目標狀態的各個信息，包括高度、位置、方向、速度、呼號、地址等信息，實現單監視信息的相關和跟蹤，同時把這些數據融合到系統航跡中，產生信息更全面的系統航跡。

2.2界面顯示

通過管制界面菜單欄的彈出的下拉菜單按鈕，可供更換使用的航空器識別源包括：（1）和航跡相關的飛行計劃的航班呼號(顯示為:ACID)；（2）航跡的A/C模式的二次代碼(顯示為:SSR)；（3）航跡的24位航空器地址碼(顯示為:24BIT)；（4）航跡的目標航跡識別碼(顯示為:TRGTID)。通過菜單按鍵可對管制界面上監視航跡標牌的航空器識別源進行切換顯示切換SSR、24位地址碼、目標識別碼（航班呼號）之間顯示切換。

2.3自動相關

自動相關是基于比較監視航跡中送來的信息和飛行計劃數據之間的信息，綜合采用以下相關因素：TargetID（航班呼號）、TargetADD（24位地址碼）、ASSR、PSSR四個因素的權值，并可以離線配置這些相關因素，綜合權值最高的航跡與計劃對優先做相關判斷。這樣可以充分利用S模式的信息進行相關，極大的提升了相關的準確性。

2.424位地址碼重碼告警

在現有空管自動化系統版本中，若發現飛行器出現相同TARGETADDRESS，在管制界面出現DUPE重碼告警功能。

3S模式雷達應用過程中的問題

3.1航空公司輸入不準確問題

在S模式雷達運行初期，存在著部分航空公司在FPL中輸入錯誤的航空器24BITCODE甚至不予輸入，一些機組在航空器的FMC系統中系統輸入與FPL中呼號不符的航班號，或者不予輸入，導致不能發揮S模式的功能，為此專門協調相關航空公司，對于具備S模式的航空器，在填報或拍發FPL是能在報文第18編組中正確輸入該航空器唯一的24BITCODE，并且機組在航空器的FMC系統規范輸入與FPL中呼號保持一致的航班號。

3.2機載設備24bit重碼問題

在現有THALES自動化系統版本中，若發現飛行器出現相同TARGETADDRESS，在管制界面出現DUPE重碼告警功能。按常規，這種DUPE不應該存在，因為24bit是飛機全球唯一的標識，不應該有重復。但是，上海曾出現3次此類告警，出現此類告警時，由于DUPE還有二次代碼重碼的含義，所以一般管制員會修改航班的二次應答機，但是告警始終無法消除，給管制工作帶來影響。

4S模式雷達在今后的新應用

4.1S模式下行數據的顯示

新應用中加入了S模式下行數據飛行員選擇高度，飛機航向，飛機地速等等顯示。具體實現：可以在管制界面增加一個DownlinkDatawindow，當在管制界面上選中一架航班時，該航班的某些下行數據將在該窗口中顯示。

4.2顯示航班呼號

在新應用中，當出現沒有相關的S模式航跡時，管制界面上將同時顯示SSR及TargetID（航班呼號），這樣管制員可以獲得更多的飛機識別信息。

4.3呼號不一致告警

在新應用中，當相關的航跡中的航班呼號與S模式雷達探測到的下行數據中的航班呼號不一致時，將會產生告警。這樣可以提醒管制及時發現，避免錯誤相關導致的錯誤管制。

4.4CFL不一致告警

當S模式下行數據中的飛行員選擇高度與飛行計劃數據中管制員指令高度不一致時，將會產生告警。提醒管制員和飛行員核對飛行高度。

5結束語

目前上海自動化系統是2015升級新版本之后，才剛剛開始真正對S模式雷達數據進行應用，S模式有許多下行數據，自動化系統對這些數據的應用也只處于初步研究階段，大多數數據也僅是供管制員顯示，真正能應用的數據也只是航班號，地址碼和飛行員選擇的高度。并且，有些數據需要航空公司，飛行員的配合才能正確使用。對于S模式數據的應用，國外自動化系統也沒有更多的經驗可以借鑒。所以，今后也需要飛行員、管制員、技術人員一起，共同對這些數據的進行研究，其應用之路將是任重而道遠。

參考文獻：

[1]中國民用航空ADS-B實施規劃.中國民用航空局，2012.

[2]MH4010-2000空中交通管制二次監視雷達設備技術規范.中國民用航空局，2000.

雷達技術范文3

《激光雷達技術原理》以測量學和數據處理理論和方法為基礎，講授激光雷達技術的基本原理和數據后處理方法，同時結合實際案例講解激光雷達技術在測繪、地質和工程等領域的應用前景和亟待解決的問題。由于激光雷達是一項測繪新技術，國內還沒有成熟的教材，因此結合國際上較為權威的專著《AirborneandTerrestrialLaserScanning》［5］以及國內外相關的研究和應用成果自編了教程，對學生采取了“了解—新型傳感器原理”“熟悉—激光掃描儀操作”和“掌握—激光點云數據后處理方法”的教學模式，以達到從理論到實踐的教學效果。

1．1了解新型傳感器原理

首先，以學生熟悉的全站儀為對照，讓學生了解激光雷達是一種集成了多種高新技術的新型測繪儀器，具有非接觸式、精度高(毫米級/亞毫米級)、速度快(可達120萬點/秒)、密度大(點間距可達毫米級)的優勢，且數據采集方式靈活，對環境光線、溫度都要求較低。其次，讓學生理解LiDAR的測量原理主要分極坐標法和三角測量法兩種。其中，對于極坐標法測量，使學生了解測距的關鍵在于時間差的測定，引出兩種常用的測時方法:脈沖法和相位法;讓學生理解直接測時和間接測時的區別以及各自的優缺點，從而進一步了解脈沖式和相位式激光掃描設備的優勢、局限性以及應用領域。最后，通過介紹激光雷達采集數據的掃描方式，讓學生了解不同平臺上的激光雷達傳感器的工作特點，如固定式激光掃描儀適合窗口式和全景式掃描，車載、機載以及星載平臺適合移動式掃描等。

1．2熟悉激光掃描儀操作

考慮到各類平臺激光雷達的作業特點以及現有設備的情況，《激光雷達技術原理》課程以地基三維激光掃描儀為重點，讓學生熟悉儀器的外業操作。盡管激光掃描儀數據采集的自動化程度較高，外業采集仍然需要解決掃描設站方案設計和不同掃描站間連接點選擇等問題，要求學生在熟悉激光掃描儀軟硬件操作的同時，還要掌握激光掃描儀外業采集方案的設計:踏勘工作區，分析研究最優化的掃描設站方案和坐標轉換控制點選擇，畫出相關的設計草圖，并設置主要掃描設站的標志。要求設站位置既要保證與相鄰站的重疊，又要覆蓋盡量大范圍的被掃描對象，以減少設站數，從而提高外業數據采集效率。

1．3掌握激光點云數據后處理方法

利用點云數據可視化與點云原始存儲格式之間的明顯反差，讓學生了解激光點云數據后處理的重要性和難點，及其已成為制約激光雷達技術應用瓶頸的現狀。根據學生的理解程度，選取了點云的拼接/配準、點云的濾波和分類、點云的分割和擬合等后處理方法，要求學生掌握相關的算法并編程實現。

1．3．1點云的拼接/配準點云拼接是將2個或2個以上坐標系中的大容量三維空間數據點集轉換到統一坐標系統中的數學計算過程。要求學生掌握如何解決點云拼接的兩個關鍵問題:同名特征的配準以及旋轉矩陣的構造。對于同名特征的配準，使學生了解常用配準方法的特點和適用范圍，如ICP方法適合用于精拼接，而基于特征面的方法對場景特征分布要求較高等。著重讓學生掌握最常用的人工標靶識別，以及特征面匹配，后者有別于學生所熟知的點特征匹配;對于旋轉矩陣的構造，拓展學生在《攝影測量學》［6］中學習的基于歐拉角的旋轉矩陣構造，掌握角－軸轉角系和單位四元數方法。

1．3．2點云的濾波和分類要求學生了解濾波和分類的目的是解決激光腳點在三維空間的分布形態呈現隨機離散的問題。掌握基于高程突變和空間形態學的點云濾波和分類方法。讓學生理解單一的信息量會導致算法不穩健，從而引出多源數據融合的思路。目前，已經有很多激光掃描儀生產廠商推出的新產品中實現了多傳感器平臺的集成，如激光掃描儀會搭載小像幅的數碼相機，甚至有些系統還提供由集成傳感器生成的紅外影像。每種數據源都有其自身的優點和局限性，將多源數據融合能夠彌補各個單數據源的局限性，增大信息量，從而提高濾波和分類方法的穩健性。

1．3．3點云的分割和擬合要求學生掌握實現點云分割的相似性原則:平面性、曲面平滑度和鄰域法向，以及常用的點云分割方法表面生長法。考慮到點云擬合是由離散激光點坐標計算特征模型參數的過程，要求學生掌握點云擬合中兩個主要問題的解決方法:粗差剔除及最優解獲取。

2實踐教學法

實踐教學是卓越工程師培養體系中一個重要的組成部分。作為技術性的測繪工程學科，除應用測量儀器采集數據、應用計算機處理數據的基本能力外，還需要構建實踐教學體系以培養學生在實踐中選用適當的理論、技術、儀器設備和作業方法解決測繪工程與地理空間信息產品生產實際問題的能力，從而使學生接受測繪工程與地理空間信息產品生產方案設計、實施以及實際應用中測繪工程解決方案確定等系統化訓練。《激光雷達技術原理》課程實習要求學生全面應用所學知識，利用實習場地，依據實習目的和要求在老師的指導下分組獨立完成全部實習內容。實習儀器為中國地質大學(北京)遙感地理信息工程教研室使用教育部采購專項購買的RIEGLLMSZ620三維激光掃描儀。《激光雷達技術原理》課程實習的目的主要是使學生通過三維激光掃描儀的使用，進一步鞏固和加深理解相關理論知識和技術方法。要求熟悉三維激光掃描儀數據采集與處理(包括DEM、等高線和剖面圖生成以及三維建模等)的全過程。通過實踐性教學，不僅能夠讓學生掌握基本的軟、硬件使用操作方法和LiDAR測量項目的作業流程，而且能夠加深學生對所學專業理論知識的理解。培養學生的應用能力、創新能力以及嚴肅認真、實事求是、吃苦耐勞、團結協作的精神。要求學生必須參加每一個實習環節，協作完成實習任務，獨立完成實習報告。實習內容主要包括以下部分。

2．1三維激光掃描

數據的外業采集要求學生分組完成測區劃分和踏勘，確定測站位置，根據測區地形，設計外業數據采集方案，完成外業設站、反射標靶布設和數據采集工作。學生需要完成校園內建筑物點云數據和奧林匹克森林公園地形點云數據的采集。

2．2點云數據預處理

要求學生分別利用隨機軟件RiSCANPRO和上機C語言編程對外業采集的三維點云數據進行預處理，包括點云數據的濾波和拼接。

2．2．1點云濾波1)手動濾波要求學生利用RiSCANPRO對點云數據進行濾波。RiSCANPROv1．7．0有兩種模式，即Filterdata和Terrainfilter。前者針對一般數據，后者對于提取地形的數據有明顯效果。2)自動濾波要求學生上機應用C語言編程實現數學形態學方法、移動窗口濾波法、迭代線性最小二乘內插法、基于可靠最小值的濾波方法等常用的地形濾波算法，對外業采集的數據進行濾波，并對各算法的結果進行比較和分析。圖1為學生基于虹灣地區嫦娥一號激光測高數據，利用五種濾波方法濾波后的數據點殘差值分布圖［7］。

2．2．2點云拼接1)基于反射標靶的點云拼接要求學生利用RiSCANPRO軟件，結合外業數據采集時布設的標靶連接點，對地形和建筑物點云數據進行拼接。激光點云數據的拼接有兩種方式:公共反射體的方式和采用使所有的反射體處于同一坐標系統的方式。在實際操作過程中，要求學生對兩者結合使用，以期達到更好的拼接效果。2)基于特征面的點云拼接要求學生在對點云進行擬合的基礎上，選取至少三對相互正交的特征面，利用C語言上機編程，實現基于特征面的點云拼接，并與單純基于點的拼接結果進行對比，分析不同方法的優缺點。

2．2．3地形數據處理對地形數據的處理主要包括三角化、平滑、生成等高線和剖面。三角化參數的設置可參考量測工具量測出的點云中兩點之間的距離初步設定，這個值可適當調整，目的在于使圖中的點云數據彼此之間能盡量大面積地構成三角網;要求學生對已經完成三角化的數據進行平滑處理;針對已經完成平滑的數據，利用RiSCANPRO軟件生成等高線。剖面圖的顯示既可以針對三角化之前的數據，也可以針對三角化之后(包括完成平滑的數據)來操作。

2．2．4建筑物幾何模型重建針對《激光雷達技術原理》數據處理方法的教學內容，指導教師結合自身的研究成果組織研究生開發了點云分割和擬合以及三維建模等軟件模塊，考慮到學生的掌握程度和實用性，要求學生在利用軟件模塊實現點云數據分割和擬合的基礎上，利用AutoCAD軟件手工建立建筑物的幾何三維模型，基于3DSMAX軟件建立建筑物紋理模型。圖2為暑期教學實習中指導學生利用商業軟件和自主開發的軟件模塊重建的地大校園主要建筑物的三維模型。

3結束語

雷達技術范文4

關鍵詞：探地雷達；數據處理；混凝土密實性探測；應用前景

中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

0 前言

探地雷達(Ground Penetrating Radar,GPR)是用高頻無線電波來確定介質內部物質分布規律的一種探測方法。探地雷達有許多名稱，如地面探測雷達、地下雷達、地質雷達、脈沖雷達和表面穿透雷達等，探地雷達是目前應用比較廣泛的名稱（曾昭發，劉四新，馮等，探地雷達原理與應用，北京：電子工業出版社，2010）。探地雷達發明于20世紀初葉，并在20世紀90年代以后逐漸成熟起來，由于具有高效、無損和高分辨率等優點，在水利行業有著廣闊的應用前景。

1探地雷達的基本原理

探地雷達檢測原理類似于探空雷達和地震反射技術，是地球物理方法中的一種高分辨率、高效率的探測方法，是二十世紀地球物理探測科學的結晶。探地雷達方法將高頻電磁波（1MHz～1GHz）以脈沖的形式通過發射天線送入地下。電磁波在地下介質中傳播時，當遇到存在電性差異的地層或目標體時，會發生反射和折射，反射回地面的電磁波被接收天線所接收和被雷達系統采集和顯示。在對采集到的雷達波進行數據處理的基礎上，根據雷達波的頻率、振幅和相位等特征，推斷地下介質或目標體的空間位置、形態特征和埋藏深度，從而達到對地下地層或目標體探測的目的。

電磁波從發射天線發射到被接收天線所接收，行程時間t為：

式中，t為電磁波行程時間；Z為反射界面深度；X為發射天線到接收天線間的距離；V為電磁波在介質中的傳播速度；C為光速（C=0.3m/ns）；εr為介質的相對介電常數。當速度V已知時，通過對雷達剖面上反射信號旅行時間的讀取計算反射界面的埋藏深度Z值。

圖1 探地雷達的電磁波傳播示意圖

2探地雷達數據處理方法

對于采集到的雷達數據，應進行必要的處理。數據處理不應消除或增加目標特征，也不應改變數據所蘊含的目標特征本身，但應有助于解譯。增益調整和濾波是數據處理的關鍵。常用的探地雷達數據處理方法有：

（1）距離歸一化，目的是確定目標的樁號位置。

（2）一維頻率濾波，用來消除低頻干擾。濾波時，如果通頻帶選得太窄，濾波處理就會將真實數據的有用頻譜成分去除。合適的準則是將通頻帶選在沿中心頻率對稱分布的區段，其帶寬一般可設置為中心頻率的1.5倍。但是，由于采集到的數據的中心頻率往往比標稱的天線頻率低，濾波器參數設置應考慮這一點。

（3）反褶積處理，通過壓縮子波，并消除多次波，在雷達地層上只保留地層波阻抗差產生的反射系數，從而提高雷達剖面分辨率（地質雷達探測原理與方法研究，楊峰，彭蘇萍，北京：科學出版社，p82）。反褶積過程實際上是抵消大地的濾波作用（何樵登，熊維綱，應用地球物理教程―地震勘探，地質出版社，1991年10月）。

（4）二維濾波，當有效波和干擾波的頻譜比較接近時，很難用一維頻率濾波消除干擾，如果干擾波和有效波存在視速度差異，則可進行視速度濾波，這種濾波是一種空間域的濾波，電磁波波動是時間和空間的函數。

（5）偏移濾波，用于消除側反射和繞射波，突出介質內部的細微結構變化。

（6）增益調整與色階變換，增強目標層位的信號幅度，增強目標層位的視覺感。增益調整可以使雷達剖面上各有效波的能量均衡，這種處理便于有效波的追蹤，也利于弱信號的對比。

3.工程應用實例

吉林省境內某水電站壩體溢洪道表面有一定的沖刷剝蝕，為深入了解堰體內部混凝土密實狀況，采用美國勞雷SIR-3000型雷達配以400MHz天線進行了探測，測線間距為1m，探測模式為連續測量。圖2為混凝土不密實區域的雷達圖像，可以看出，不密實區域的電磁性質與密實區域相比有差異，因此雷達回波的振幅在橫向上將發生改變，在縱向上表現為強反射，在雷達剖面上顯示為局部異常。

圖3中方框所示為堰體內部探測到的孔洞的圖像，這里電磁波首波為負波，當電磁波經過混凝土遇到孔洞時，電磁波實際上由低速介質進入高速介質，因此會發生強反射，但不反相，振幅仍為負相位，據此可以判斷孔洞的位置。

4．總結

由于具有快速、高效、無損和高分辨率等優點，探地雷達技術在水利行業有著廣闊的應用前景，特別是以下幾個方面：

（1）工程勘察。具體包括地下斷層探測、地質層分界面探測和地下溶洞探測等。斷層是指地層發生錯動，并且在斷點附近，地層往往出現繞射。地層分界面產狀對地表構造物的建造具有重要意義，采用探地雷達精確探測地層分界面，可為地上構筑物巖土工程設計提供依據。

雷達技術范文5

關鍵詞：LiDAR；鐵路勘察設計，DEM；DLG

中圖分類號：TN958.98文獻標識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 03-0000-02

Airborne LIDAR Technology in Railway Survey and Design Application and Benefit Analysis

Han Zujie

(Railway Third Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Tianjin300142,China)

Abstract:Airborne laser radar technology (LiDAR) is a new remote sensing technology,because of its high precision and efficiency,in terms of rapid development of topographic mapping,currently nearly 20 sets of LiDAR systems.This paper studies LiDAR technology in railway engineering survey and design the content,products,and effects,on the basis of aerial photogrammetry and traditional methods are compared to prove LiDAR technology in the railway survey and design of the feasibility and superiority.

Keywords:LiDAR;Railway survey and design;DEM;DLG

一、引言

機載激光雷達技術（LiDAR）是一種全新的遙感技術，自上世紀90年代在德國首次出現商用樣機系統以來，因其高精度和高效率，在地形測繪方面得到快速發展。目前，全球已經有幾十套商用系統在使用，主要實用系統有：Topscan、Optech、TopEye、Saab、Fli-map、TopoSys、HawkEye、Leica ALS50/60系列、Falcon等。

上世紀90年代中后期至今，美國、德國、加拿大、澳大利亞、瑞典和芬蘭等國家，先后成功應用這項技術進行了地形測量、森林資源調查與評估、三維城市建模等試驗與工程實踐。特別是芬蘭和德國，已經采用這項技術建立了全國或者大部分國土的DEM，達到了理想的效果。目前在國內已經有接近20套LiDAR設備，其中，北京星天地信息科技有限公司、山西亞太數字遙感新技術有限公司、廣西桂能信息工程有限公司、廣州建通測繪技術開發有限公司以及東方道邇公司等單位已經先后開展了實驗和工程飛行，主要用于生產數字高程模型（DEM）、正射影像（DOM），進而制作線劃圖（DLG）等。本研究將使用LiDAR技術對鐵路勘察工程設計進行研究與試驗，介紹其主要產品及應用并對經濟效益進行評價。

二、機載激光雷達技術系統構成與工作原理

（一）機載激光雷達技術簡介

LiDAR系統是一種新型的綜合應用激光測距儀、IMU、GPS的快速測量系統，可以直接測得地面物體各個點的三維坐標。機載的激光雷達系統通常還集成高分辨率數碼相機，用于獲取目標影像。從功能上看，機載激光掃描系統是基于激光測距技術、GPS技術和慣性導航技術這三種技術集成的一個軟硬件系統，其主要目的是為了獲取高精度的數字表面模型（DSM）。

目前，LiDAR提供的直接數據產品為：點云數據，DSM，DEM，DOM。經過后處理可以快速生成等高線、高程點、橫縱斷面圖，完成路線設計需要的專項測繪內容（如架空管線的凈空、交叉角度測繪等），并提供工程設計模型和景觀設計模型等。

（二）LiDAR的主要系統構成

主要系統構成包括：

1.掃描儀組件：激光發射器、激光信號接收器、機械組件、掃描鏡及窗口、接口板。

2.設備支持系統：系統控制器、飛機位置及姿態測量系統、檢流控制器、激光電源、電源分配器、控制計算機、連接電纜。

3.附屬軟件：包括項目飛行設計及對記錄數據進行后處理（濾波、分類等）處理。

4.控制/顯示器：激光發射指標器、音頻告警器、電路熔斷器、系統診斷數據輸出、控制接口。

（三）主要工作原理

通過DGPS（或PPP）和IMU求得航機線上任意采樣時刻激光發射中心的空間坐標和設備的空間姿態，內插后能夠獲取任意時刻激光光束的姿態和發射中心的空間坐標，通過激光測量激光發射中心到地面的距離，可以求得每一個激光腳點的空間三維坐標。另外，利用DGPS/IMU可以直接獲取每一張照片的外方位元素，可以快速制作DOM成果。最后將激光點數據和數碼影像進行聯合處理得到高精度的正射影像和數字高程模型。

三、機載激光雷達的應用

機載激光雷達能夠快速獲取數字地表模型（DSM），同時，配套的中畫幅數碼相機可以獲得同步的數碼相片，經過加工處理可獲得數字高程模型、分類信息、航空相片的立體像對和正射影像圖。目前還沒有成熟的專業接口供鐵路勘察設計工程中使用機載激光雷達成果，因此，如何將機載激光雷達勘測成果與眾多設計專業手段無縫結合，從海量基礎信息中快速提取或檢索有用的信息為各專業設計所用，是機載激光雷達技術應用于鐵路勘察設計的關鍵。

結合鐵路勘察設計特點和工程應用實踐，一方面將機載激光雷達技術成果進行加工，提供滿足專業應用的專題成果，另一方面，改進專業設計勘察設計流程，提出新的設計理念，以便更加有效地利用海量的基礎信息，提高設計質量和設計效率。

利用機載激光雷達技術提供的高精度、高分辨率數字地面模型和正射影像圖，結合鐵路專業設計要求，主要生產以下幾種產品（見圖4）：

1.工點地形圖。它是針對鐵路設計的控制工點，在施工圖階段做的更加詳細的勘測工作，以保證設計資料的精度和準確性。如：橋址地形、隧道進出口等；

2.斷面圖。主要包括縱斷面和橫斷面，一般它們的精度高于地形圖的精度。主要用于保證設計線路的平順性和計算工程數量的準確性；

3.數字正射影像地形圖。這是線劃圖的替代產品，通過將正射影像圖疊加等高線、專業調查的地質界線、自然保護區等矢量信息，而形成的一種地形圖，它的信息量更加豐富，更加直觀；

4.專項測繪。針對特殊的專業需求而進行的詳細勘測工作。如：水文斷面、涵軸測量、電線垂度等；

5.工程中的土石方自動計算、坡度、坡向的計算等；

6.快速構建三維虛擬場景，城市建模等。

此外，還可利用高分辨率的影像進行專業調查、地質判視等，便于指導外業工作，提高外業勘測的針對性和合理性。

四、技術、經濟效益和推廣應用前景

（一）機載激光雷達測量技術與常規航測方法的經濟比較

1.兩種技術手段外業控制測量的比較。LIDAR所需的外業控制點與常規航測外控的比較，以II級地形1：2000航測地形圖測繪（常規航測單航帶100km）為例。

（1）首級平面和高程控制網工作內容和數量是基本相同的。

（2）LIDAR系統要求每5-7km測量一個平面和高程控制點，每30km測量一處高程校正區，這樣100km線路需要布設平高控制點17個，高程校正區3個。而常規航測方法，采用150mm焦距的航攝儀拍攝，需要75個平高控制點；采用210mm焦距的航攝儀拍攝，需要150個平高控制點。

（3）LIDAR系統不因地形等級的變化而改變外業平高控制點的數量（適當的寬度，如不大于10km）。而常規航測方法會隨著寬度的增加而成倍增加外控點的數量。

2.橫斷面切繪的經濟比較。以張唐鐵路定測為例，相對于采用Lidar技術平均1000-1200個橫斷面/人天的工作效率，常規航測方法每人每天只能切繪300-400個橫斷面，可見工作效率提高了3-4倍，對企業發展帶來了巨大的經濟效益。

3.地形圖制作的經濟比較。以II級地形1：2000地形圖測繪為例。

因為LIDAR具有高效生成DEM的優勢，所以在生成等高線、高程點等具有高程信息的地形信息時具有更高的效率，在這個方面，采用Lidar技術平均效率為12-15平方公里/（人.天），常規航測方法每人每天只能測繪2-3平方公里；

航測方法在立體模型下獲取（除等高線、高程點之外）矢量信息具有更大的優勢，而LIDAR則因其自身離散性獲取能力比較弱，適合于小面積的（除等高線、高程點之外）矢量信息獲取。

（二）成功案例及分析

經過試驗與實踐，LiDAR技術已成功用于多個鐵路項目的勘測設計項目，減少了內業制圖的壓力，縮短了項目工期，在鐵路各專業使用中反映良好，取得了顯著的經濟效益。以某工程為例，泛亞鐵路某段全長257Km，由于距離遙遠，地處國外，而且鐵路過境區域存在大量地雷區域，給外業工作帶來極大不便。考慮到地理因素和方案局部變動的因素，項目在實際操作中拋棄傳統外業測量加航測制圖的作業方式，直接采用機載激光雷達系統，一次性獲取鐵路過境區域長257km，寬4km的雷達點云數據和數碼影像數據，利用該數據圓滿完成了無外業控制測量情形的1：10000和1：2000的地形圖成圖任務，不僅避免了人力物力消耗和地雷區作業的危險性，而且在內業成圖中，大膽使用數字正射影像地形圖代替傳統的DLG，取得了制作者和使用者均滿意的雙贏局面。

（三）推廣應用前景

機載激光雷達測量技術具有巨大的發展空間和潛力，作為一種新技術，還有許多發展空間，特別是在數據處理算法以及軟件和系統的開發等方面。隨著用戶數量的增加，其應用領域將越來越廣，特別是隨著激光技術的進一步發展，將促進機載激光雷達技術的革新。在鐵三院于2009年率先在國內將機載激光雷達技術應用于鐵路勘察設計并取得巨大成功后，今年鐵一院、鐵二院、鐵四院都陸續定購了機載激光雷達并加大了人力投入，可見由于其精度高、成本低、周期短等特點在鐵路行業已經被廣泛關注。鐵路行業之外，水利、公路、電力、農林等行業也在積極開展相關的研究和應用。

參考文獻：

[1]孟憲軍.鐵路勘察設計虛擬現實技術的研究[J].高速鐵路精密測量理論及測繪新技術應用國際學術研討會論文集

[2]王長進.基于機載激光雷達的鐵路勘測技術研究[J].高速鐵路精密測量理論及測繪新技術應用國際學術研討會論文集

[3]高文峰,王長進.鐵路勘測中使用機載激光雷達測繪橫斷面相關問題的探討[J].鐵路航測,2010

[4]高文峰,王長進.GPS基站布設對機載激光雷達精度影響的研究[J].高速鐵路精密測量理論及測繪新技術應用國際學術研討會論文集

[5]徐祖艦.機載激光雷達測量技術及工程應用實踐[M].武漢:武漢大學出版社,2009

雷達技術范文6

關鍵詞： 地質雷達，路面檢測，技術簡述

Abstract: this paper expounds the working principle of geological radar, this paper introduces the development situation of geological radar, this paper introduces the technology in the road surface testing field application direction, finally to the technology in highway engineering application in the field of disadvantages.

Keywords: geological radar, the road test, this technology

中圖分類號：X734文獻標識碼：A 文章編號：

近年來，隨著我國公路建設規模的不斷增加，相關的質量檢測任務日益加重。然而，公路路面結構的破壞常常始于各種隱蔽的或不可見的隱患，針對上述隱患檢測的傳統方法又不能及時、準確地檢測及判斷隱患的具體情況。這就使得路橋結構的維護針對性差、盲目性大，而真正的問題卻得不到解決。20世紀80年代后期，地質雷達技術被應用到公路工程的檢測領域，才為該類問題的解決打開了局面。

地質雷達技術簡述

地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)又稱探地雷達、地面探測雷達，是用高頻無線電波（頻率一般介于1MHz～10GHz）來確定地下或者巖體介質分布狀況的一種探測方法。地質雷達利用發射天線向地下或者巖體發射高頻電磁波，通過接收天線接收反射回地面的電磁波，電磁波在介質中傳播時遇到存在電性差異的界面時發生反射，根據接收到電磁波的波形、振幅強度和時間的變化特征推斷介質的空間位置、結構、形態和埋藏深度。使用探地雷達對路面結構進行檢測具有實時、簡便、高效、準確、連續、信息豐富等特點。目前，該項技術已被廣泛應用于公路工程質量控制及病害檢測中。

1工作原理

地質雷達的工作原理是利用寬頻帶發射天線過向介質發射無線波電磁脈沖，電磁脈沖在介質傳播過程中遇到不同電性介質界面時會產生反射。由接收天線接收到反射信號后，將其傳輸到主機內并將轉化為數字信息，再通過數據、圖像分析處理，就能計算出被探測介質的某些參數，從而區分不同介質層面，并確定不同層面物體的深度。

對于不同介質，雷達波的穿透深度是不盡相同的，這主要取決于波的頻率和地下介質的電學特性等因素的影響。一般地，頻率越高，穿透深度越小；導電率越高，穿透深度越小，反之亦然。在常見的工程材料中，混凝土的導電率高于瀝青，因此同樣頻率的雷達波在水泥中的穿透能力小于在瀝青中的穿透能力。在實際應用中，需要針對檢測對象材質的不同，采用不同頻率的電磁波。例如，在實際檢測工作中，探測瀝青路面常常使用頻率大于1 200MHz的天線，而對于水泥混凝土面層一般使用900MHz～1 000MHz的天線；探測路基可使用頻率為300MHz～900MHz的天線。

2發展概況

1910年，德國人Leimbaeh和Lowy首次闡明了地質雷達的基本概念。此后的很長一段時間里，地質雷達技術有了很大改進。但由于電磁波在地下介質中傳播的復雜性和不均勻性，使得對地質雷達的研究它僅限于相對均勻、對電磁波吸收較弱的地質環境。1960年，John C. Cook等提出了采用雷達波探測地下介質層并開發了能夠探測地下介質的雷達系統。上世紀70年代以后，隨著電子技術及現代數據處理技術的迅速發展與應用，許多商業化的探地雷達系統先后問世，其應用范圍不斷擴大，極大促進了地質雷達技術在工程中的應用。我國針對地質雷達技術在工程領域的應用研究始于上世紀80年代。1983年，鐵道部引進了第一臺地質雷達。此后，各科研部門經過十幾年的不斷努力，在雷達硬件設備、目標信號提取、目標識別、目標成像等方面取得重大進展和突破，特別是成功地實現了對地下目標的三維層析成像，大大提高了分辨率和清晰度，使地質雷達在信號處理和成像技術方面進入了世界領先行列。目前在我國，地質雷達技術已經在軍事、地質、水利、交通、城建等部門得到廣泛應用。

3在公路路面檢測中的應用簡述

地質雷達技術早期在公路工程檢測領域中的應用主要是探測路面結構層的厚度。近幾年，人們開始致力于研究應用地質雷達探測路面工程及其相關結構層的病害和缺陷，解決公路工程施工過程和使用期間中的工程問題。本文中通過使用瑞典MALA公司的地質雷達，結合工程實踐，對地質雷達在檢測路面結構中常見的應用做簡單的介紹：

1)公路施工期：檢測公路各結構層厚度和密度，及時監控施工質量，并做到在施工現場進行實時質量檢測。圖1是一段公路的雷達波形圖，從圖中可以清晰的看到道路的面層、上基層、下基層的分界線，可以由軟件識別出指定樁號的各結構層（尤其是面層）層厚，為施工過程中的質量控制提供了有力保障。

圖1各結構層層厚分布情況圖

2)公路使用期：使用地質雷達對公路定期進行快速、連續檢測，結合路面外觀普查。檢測層間脫空、空隙和破碎區域范圍，方便管理部門及時掌握公路質量變化情況，實施補救措施，并進行道路狀況動態管理，為公路養護提供可靠的依據。圖2方框中所示為新鋪路面與原有舊路面結合處有填料不密實現象，圖3方框中所示為路面與基層之間存在脫空或者高含水區域。

圖2新鋪路面與原有舊路面結合處填料不密實

圖3路面與基層間脫空或高含水區域

4 結論