引言
激光雷达（LiDAR）技术是精确测量和三维地图绘制的先进技术。本文介绍激光雷达系统的基本原理、不同平台类型和检测方法[1]。
基本测距原理
激光雷达系统主要采用两种测距模式：脉冲测距和相位测距。
脉冲测距是应用最广泛的方式，系统发射窄脉冲激光束到目标，通过测量发射和接收反射脉冲之间的时间来计算距离。
图1展示了脉冲激光雷达的基本测距原理，显示激光脉冲从发射器到目标，再返回接收器的传输过程。
相位激光雷达（也称为连续波激光雷达）采用不同原理。通过发射强度调制的连续激光束，测量发射和接收信号之间的相位差来确定距离。相位激光雷达在测距精度上具有优势，但由于需要较大功率发射连续激光束，测距范围相对较短。
图2展示相位激光雷达的测距原理，说明连续波如何调制以及相位差的测量方式。
激光雷达辐射过程
激光雷达遥感过程包含四个关键步骤：
激光脉冲发射
目标相互作用
返回信号传输
信号接收
在传输过程中，激光脉冲穿过大气层，与各种大气成分发生相互作用。当脉冲到达目标时，会发生多次相互作用，包括截获、散射和吸收。散射能量随后穿过大气层返回，最终被接收器捕获。
图3展示完整的激光雷达遥感过程，说明激光能量如何与目标相互作用并返回传感器，标注了激光功率、目标面积和大气效应等关键参数。
返回信号形成波形，反映目标的垂直结构。这种波形包含目标物理特征的重要信息，可通过分析提取详细的结构信息。
图4展示激光雷达波形示意图，显示返回信号如何随时间变化以及与不同目标表面的相互作用。
基于平台的激光雷达系统
星载激光雷达
星载系统搭载在卫星和空间站上，设计用于全球尺度观测，足迹直径超过10米。提供研究大尺度地球过程和全球环境变化的重要数据。
机载激光雷达
机载系统采用多种扫描模式进行详细的表面测绘。这些系统在数据采集方面具有灵活性，分辨率比星载系统更高。
图5展示机载激光雷达的摆镜扫描模式，包括(a)扫描示意图，(b)Z字形地面扫描线和(c)正弦形地面扫描线。
摆镜扫描模式提供高效覆盖，但点密度不均匀。旋转棱镜扫描方式提供更均匀的覆盖。
图6展示旋转棱镜扫描模式，显示(a)扫描示意图和(b)平行地面扫描线。
椭圆扫描提供另一种选择，创建重叠扫描模式以提高数据质量。
图7展示椭圆扫描模式，显示(a)扫描示意图和(b,c)椭圆地面扫描线。
光纤扫描模式代表现代方法，利用光纤实现快速、均匀的扫描模式。
图8展示光纤扫描模式，显示(a)扫描系统和(b)地面扫描线。
检测和数字化方法
图9展示不同激光雷达检测方法的原理，比较全波形、离散回波和光子计数方法。
全波形激光雷达系统对整个返回信号进行数字化，提供目标结构的完整信息。这些系统随时间不断发展，针对不同应用有多种实现方式。
图10展示全波形激光雷达系统的发展时间线，突出重要里程碑和系统。
离散回波激光雷达记录返回信号中的特定点，通常每个脉冲可捕获多个回波。这种方法在森林区域特别有效，激光脉冲可以穿透林冠间隙。
图11展示森林环境中离散回波激光雷达的多重回波，显示不同表面如何产生不同的回波信号。
环境因素对激光雷达性能的影响
环境因素显著影响激光雷达测量。大气条件通过吸收、散射和折射影响信号传输，而太阳光引入需要在数据处理中考虑的背景噪声。
图12展示太阳光和激光能量通过大气的辐射传输过程，显示辐射、大气和地球表面之间的相互作用。
图13展示双光源（激光和太阳光）的辐射传输过程，展示两种光源如何影响激光雷达测量。
太阳辐射和大气条件的综合效应形成复杂的测量环境，随一天中的时间和天气条件而变化。理解这些原理和效应有助于优化系统选择、改进数据采集策略和提高激光雷达测量的精度。这些知识持续推动激光雷达技术创新，扩大在环境监测和城市规划等各个领域的应用。
参考文献
[1] C. Wang, X. Yang, X. Xi, S. Nie, and P. Dong, Introduction to LiDAR Remote Sensing. Boca Raton, FL: CRC Press, 2024.
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