激光雷达（LiDAR）中激光应用实探：参数决定激光光源的选择

2017-10-13 14:16

激光性能考量因素

高峰值功率（几十千瓦至几十兆瓦）脉冲（纳秒范围）的固态激光器已用于LiDAR数十年，尺寸、重量、成本、功耗、液体冷却、冲击与振动灵敏度，以及极端环境限制了LiDAR仪器在移动设备、空中和空间应用中的发展。但像意大利Bright Solutions这样的公司，近日开发出新一代高功率、亚纳秒、通过空气或热传导冷却的Q开关固态激光器。此类激光器可打破以往的限制，并提供从紫外线到近红外的多种激光波长。

Bright Solutions公司的固态激光器

对于机载地形测绘，通常使用波长约为1μm的激光光源，这种波长可使光波在保证用眼安全的前提下将投射范围扩展到足够大。而对于海洋测绘（即海底和沿海地区的高分辨率测绘），常使用一种高能量的、频率倍增的532 nm的激光光源，这是由于绿色光的波长是纯水的高透波率与潜艇微粒的有限反向散射之间最合适的折中。

激光雷达（LiDAR）中激光应用实探：参数决定激光光源的选择

机载地形测绘示意图

如果单考虑成本和能耗，532 nm至1 μm的波长通常是有益的，但若要达到相对较远的距离，激光的强度就很容易超过1类激光安全极限。这种情况下，如果光波没有达到符合用眼安全的直径（从而增加系统尺寸），激光发射就会对人眼造成伤害。

激光雷达（LiDAR）中激光应用实探：参数决定激光光源的选择

不同波长激光眼损伤部位

民用和商业应用中，保证用眼安全的激光器在高性能紧凑型LiDAR中越来越受欢迎。在用眼安全的波长范围内，当在地形测绘和避障中探测固体时，通常需要约红外激光器发射1.5 μm的波长。事实上，大气情况良好时，探测器在1.5 μm范围内是非常高效的。或者，约355 nm或更短的紫外线波长是保证用眼安全的大气LiDAR系统的最佳选择，因为大气微粒有相对较高的反向散射系数。

除了考虑波长，脉冲持续时间是否也很重要？理想情况下，LiDAR的设计者们希望达到毫米到厘米级的纵向测量分辨率，因此应该考虑短脉冲持续时间。即便如此，非常短的脉冲（约几皮秒）也会导致激光光谱和接收机带宽的扩大，从而使信噪比变差。另一方面，脉冲超过1纳秒，噪声减少，但分辨率也会降低。使脉冲持续时间达到约几百皮秒（或亚纳秒），这是高纵向精度和信噪比的最佳权衡方案。