法雷尔水下造粒机

英国科学家首次展示了一种新型激光雷达系统，其使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统拥有极高的灵敏度，即便在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息，可用于检查水下风电场电缆和涡轮机等设备的水下结构，也可用于监测或勘测水下考古遗址，以及用于安全和防御等领域。相关研究论文刊发于4日出版的《光学快报》杂志。　　在水下实时获取物体的3D图像极具挑战性，因为水中的任何粒子都会散射光并使图像失真。基于量子的单光子探测技术具有极高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。在最新研究中，研究人员设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮目标场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这一方法使超快的低光检测成为可能，并在光子匮乏的环境（如高度衰减的水）中大幅减少测量时间。　　激光雷达系统通过测量飞行时间（激光从目标物体反射并返回系统接收器所需的时间）来创建图像。通过皮秒计时分辨率测量飞行时间，研究人员可以解析目标的毫米细节。最新方法还能区分目标反射的光子和水中颗粒反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行3D成像。他们还开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与图形处理单元硬件结合使用。在3种不同浊度水平下的实验表明，在3米距离的受控高散射场景中，3D成像取得了成功。

近日，由中国科学院西安光机所吴国俊研究员牵头，联合青岛海洋科技中心、国家海洋技术中心、厦门大学、自然资源部第二海洋研究所等多家科研机构联合承担的某国家重点研发计划项目取得重要进展。项目将自主研制的多类海洋生物化学原位传感器（硝酸盐、叶绿素、多环芳烃、溶解氧、下行辐照度等）搭载国产“海燕”水下滑翔机在南海西沙海槽盆地区域顺利完成海试，成功实现了高时空分辨率的海洋环境长期原位观测，连续获取最大深度达1000米的生化参量深海剖面17个，有效验证了温度、压力等环境因素对参数观测的影响、传感器长期漂移、深海光学探头高集成度封装等多项关键技术。这是我国首次通过水下滑翔机搭载自研传感器的方式获取深海生物化学剖面数据。 水下移动平台搭载传感器是同时满足多学科、多参数同步海洋观测以及多过程、多界面、多尺度综合观测的重要手段。本项目正是利用这种试验手段，实现大范围、高时空分辨率生物化学剖面参数获取，以此填补跨学科、跨尺度观测空白，丰富我国海洋科学研究方式，为复杂的全球系统提供新的理解。此外，联合团队所研制的适合移动观测的海洋生物化学传感器为首创，这将显著提升我国海洋自主观测能力。突破的传感器多项关键技术，对于推动国产海洋高端传感器产业化应用提供了坚实基础。 本次海试同步进行了与国际先进传感器（Aanderaa4330、SeaOWL等）的比测，剖面浓度变化趋势、拐点深度和绝对浓度等比测结果吻合度高。后续联合团队将深入开展BGC-Argo/BGC-Glider两类示范应用。海试现场（图片来源于中国科学院西安光学精密机械研究所）部分比测数据（图片来源于中国科学院西安光学精密机械研究所）

据中船综研院2011年1月24日综合报道，美国海军实验室的一个研究团队最近对一种水下声源激光技术进行了能力测试，这项技术或将可以使飞行器在不拖曳水下设备的情况下，与潜艇进行声音或数据通信 为潜艇或水下机器人提供导航数据 在浅水域定位水雷或其它水下物体。　　进入21世纪，与潜入水下的潜艇进行通信仍是一项具有挑战性的任务，现实中为了实现通信经常要求潜艇浮出水面从而使艇组人员暴露在潜在风险之下。使用拖曳天线或浮标进行通信也会降低潜艇的机动性和匿踪能力。水下无人设备目前也还依赖于容易出错的惯性导航技术。此外，搜索水雷在任何任何情况下都仍是困难、危险和费时巨大的任务。海军实验室等离子物理组负责领导水下激光声源技术团队的特德?琼斯解释称，激光水下声源技术具备在这些领域提供帮助的潜力。　　琼斯表示，目前水下发源首先需要有一个声源，这样就要求装备必须处于指定位置并且有可能受到威胁。研究团队开发了一种激光声学源，从而无须在水下放置任何物体。之前也有研究人员曾使用激光在水下产生声音，但该研究团队进行了大量创新性的工作，进一步完善了激光声源技术，使其在海军和其它商用领域的实用性方面前进了一大步。　　这些创新性的工作包括使用窄脉冲高强度激光使水电离，通过小体积过度加热产生微小往复运动，从而产生强烈的声学脉冲。研究团队使用水下传播性能最好的波长，从而使其能够控制往复运动的形态和声学脉冲的强度。此外，他们还使用非线性光学聚焦技术，以提高激光源可以距离水面的高度 使用被称为群速度色散的技术来精确地控制声学脉冲。群速度色散技术利用不同颜色激光不同的传播速度，让速度低的激光作用在脉冲的开始，速度高的激光作用在结尾，以此拉伸脉冲，并精确控制纵向压缩的量。　　该实验在印第安纳州克兰市格兰度拉湖水声实验场进行，标志着该技术第一次走出实验室。封装在漂浮装置内的毫微米波长激光制造了水下声学脉冲，并被远处一艘装备了水听器的船只捕捉到。转向镜引导激光通过聚焦镜片射入水面。每个激光脉冲产生一个大约190分贝声压级的声学脉冲，传播了190米，而之前实验室测试只传播了3米。　　研究团队计划在春夏进行更多致力于提高水下传输距离的测试。初步实验的成果表明，有可能使用不超过1焦耳能量的激光脉冲脉冲产生230分贝的声压。　　美国国内其它的研究人员在此领域的研究集中在通信和信号处理技术，海军实验室所做的研究工作将在这些领域也提供参考。琼斯表示，海军实验室希望能利用最紧凑的激光发生器产生尽可能强的声源。

近日，由中国科学院深海科学与工程研究所主持的中科院A类先导项专项研发的深海底多功能移动作业系统在我国南海进行了海上试验。中国科学院宁波材料技术与工程研究所精密驱动与智能机器人团队参与了该项目，并提供了2套水下矢量推进器，实现了深海底爬行式多功能移动作业平台的入水出水定向、海水中调姿和海底爬行辅助推进等多项功能，顺利完成预定的各项任务和考核指标。 　　深海底爬行式多功能移动作业系统设计最大工作水深4500米，可在深海底实现爬行作业，属于有缆深海作业装置。该装置由光电缆提供电源动力和长距离通信，然而在作业装置的下放和回收过程中易由于海流和浪涌影响而产生不可控的旋转，不仅有损坏光电缆的风险，而且可能导致作业装置无法回收等严重问题。因此需要调姿系统时刻保持作业装置的准确航向，避免其翻转、倾覆。 　　为保证深海底多功能作业系统在布放与回收时的姿态控制，宁波材料所精密驱动与智能机器人团队将推进和姿态调整功能集成到一个系统，研制了基于对转双转子电机的水下矢量推进器。该推进器使用永磁同步双转子电机直接驱动对转螺旋桨，可解决传统推进装置重量大、效率低、噪声大、易侧翻或侧滚等问题，提高了水下作业装置的平稳性；矢量调姿系统采用三自由度并联机构和直线驱动系统改变推进方向，可显著增强水下作业装置的调姿灵活性和机动性。 　　该团队成功研发了深海电动推杆、新型矢量调节机构、对转双转子直驱电机及基于碳化硅的高效率电机控制器等功能部件，攻克了深海环境下并联机构及推进器的耐压、防腐、密封等技术难题，完全实现了推进器的国产化。研制的矢量推进器额定功率3kW，额定输出推力800N，电机效率达到82%以上；推进器的矢量姿态调节角度最大达到±30°，通过调节左右2套推进器的推力，可实现水下作业装置的定向精度优于0.1°。与传统的单桨推进器相比，该矢量推进器具有效率高、推力大、可调姿、噪音低等优点，可广泛应用于水下潜航器、作业装置等的推进和调姿。 　　此次海试由探索二号试验船担任母船，宁波材料所精密驱动与智能机器人团队2名科研人员参航。水下矢量推进器搭载于深海底爬行式多功能作业系统，完成了一系列功能与性能验证测试，达到了4500米级深海装备标准，通过了现场海试专家组的考核，圆满完成了试验任务。

激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.激光雷达介绍　　激光雷达　　LiDAR(LightLaserDeteetionandRanging)，是激光探测及测距系统的简称。　　用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。激光雷达的历史　　自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用至今。到了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图测绘的重要技术。　　随着科学技术的发展和计算机及高新技术的广泛应用，数字立体摄影测量也逐渐发展和成熟起来，并且相应的软件和数字立体摄影测量工作站已在生产部门普及。但是摄影测量的工作流程基本上没有太大的变化，如航空摄影-摄影处理-地面测量(空中三角测量)-立体测量-制图(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本没有大的变化。这种生产模式的周期太长，以致于不适应当前信息社会的需要，也不能满足&ldquo 数字地球&rdquo 对测绘的要求。　　LIDAR测绘技术空载激光扫瞄技术的发展，源自1970年，美国航天局（NASA）的研发。因全球定位系统（GlobalPositioningSystem、GPS）及惯性导航系统（InertialInertiNavigationSystem、INS）的发展，使精确的即时定位及姿态付诸实现。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与即时定位定姿系统结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）。之后，空载激光扫瞄仪随即发展相当快速，约从1995年开始商业化，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪，可选择的型号超过30种（Baltsavias-1999）。研发空载激光扫瞄仪的原始目的是观测多重反射（multipleechoes）的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其高度自动化及精确的观测成果用空载激光扫瞄仪为主要的DTM生产工具。　　激光扫描方法不仅是军内获取三维地理信息的主要途径，而且通过该途径获取的数据成果也被广泛应用于资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾及国家重点建设项目等方面，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的原始资料，并取得了显著的经济效益，展示出良好的应用前景。低机载LIDAR地面三维数据获取方法与传统的测量方法相比，具有生产数据外业成本低及后处理成本的优点。目前，广大用户急需低成本、高密集、快速度、高精度的数字高程数据或数字表面数据，机载LIDAR技术正好满足这个需求，因而它成为各种测量应用中深受欢迎的一个高新技术。　　快速获取高精度的数字高程数据或数字表面数据是机载LIDAR技术在许多领域的广泛应用的前提，因此，开展机载LIDAR数据精度的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。在这一背景下，国内外学者对提高机载LIDAR数据精度做了大量研究。　　由于飞行作业是激光雷达航测成图的第一道工序，它为后续内业数据处理提供直接起算数据。按照测量误差原理和制定&ldquo 规范&rdquo 的基本原则，都要求前一工序的成果所包含的误差，对后一工序的影响应为最小。因此，通过研究机载激光雷达作业流程，优化设计作业方案来提高数据质量，是非常有意义的。LiDAR的基本原理　　LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为目前日臻成熟的用于获得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIghtDetectionAndRanging-LIDAR。　　激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达几个厘米，而LIDAR系统的精确度除了激光本身因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。随着商用GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得高精度的数据已经成为可能并被广泛应用。　　LIDAR系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。因为光脉冲以光速传播，所以接收器总会在下一个脉冲发出之前收到收到前一个被反射回的脉冲。鉴于光速是已知的，传播时间即可被转换为对距离的测量。结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的座标X，Y，Z。激光束发射的频率可以从每秒几个脉冲到每秒几万个脉冲。举例而言，一个频率为每秒一万次脉冲的系统，接收器将会在一分钟内记录六十万个点。一般而言，LIDAR系统的地面光斑间距在2-4m不等。激光雷达的妙用　　激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。　　直升机障碍物规避激光雷达　　目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学／生物战剂探测和水下目标探测等方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。　　直升机在进行低空巡逻飞行时，极易与地面小山或建筑物相撞。为此，研制能规避地面障碍物的直升机机载雷达是人们梦寐以求的愿望。目前，这种雷达已在美国、德国和法国获得了成功。　　美国研制的直升机超低空飞行障碍规避系统，使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器可检测直升机前很宽的空域，地面障碍物信息实时显示在机载平视显示器或头盔显示器上，为安全飞行起了很大的保障作用。　　德国戴姆勒.奔驰宇航公司研制成功的Hel??las障碍探测激光雷达更高一筹，它是一种固体1．54微米成像激光雷达，视场为32度× 32度，能探测300―500米距离内直径1厘米粗的电线，将装在新型EC―135和EC―155直升机上。　　法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制的吊舱载CLARA激光雷达具有多种功能，采用CO2激光器。不但能探测标杆和电缆之类的障碍，还具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示等功能，适用于飞机和直升机。　　化学战剂探测激光雷达　　传统的化学战剂探测装置由士兵肩负，一边探测一边前进，探测速度慢，且士兵容易中毒。　　俄罗斯研制成功的KDKhr―1N远距离地面激光毒气报警系统，可以实时地远距离探测化学毒剂攻击，确定毒剂气溶胶云的斜距、中心厚度、离地高度、中心角坐标以及毒剂相关参数，并可通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号，比传统探测前进了一大步。　　德国研制成功的VTB―1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，它使用两台9―11微米、可在40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，既安全又准确。　　机载海洋激光雷达　　传统的水中目标探测装置是声纳。根据声波的发射和接收方式，声纳可分为主动式和被动式，可对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪。但它体积很大，重量一般在600公斤以上，有的甚至达几十吨重。而激光雷达是利用机载蓝绿激光器发射和接收设备，通过发射大功率窄脉冲激光，探测海面下目标并进行分类，既简便，精度又高。　　迄今，机载海洋激光雷达已发展了三代产品。20世纪90年代研制成功的第三代系统以第二代系统为基础，增加了GPS定位和定高功能，系统与自动导航仪接口，实现了航线和高度的自动控制。　　成像激光雷达可水下探物　　美国诺斯罗普公司为美国国防高级研究计划局研制的ALARMS机载水雷探测系统，具有自动、实时检测功能和三维定位能力，定位分辨率高，可以24小时工作，采用卵形扫描方式探测水下可疑目标。美国卡曼航天公司研制成功的机载水下成像激光雷达，最大特点是可对水下目标成像。由于成像激光雷达的每个激光脉冲覆盖面积大，因此其搜索效率远远高于非成像激光雷达。另外，成像激光雷达可以显示水下目标的形状等特征，更加便于识别目标，这已是成像激光雷达的一大优势。HistoryandVisionHistoryVelodyne'sexpertisewithlaserdistancemeasurementstartedbyparticipatinginthe2005GrandChallengesponsoredbytheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA).AraceforautonomousvehiclesacrosstheMojavedesert,DARPA'sgoalwastostimulateautonomousvehicletechnologydevelopmentforbothmilitaryandcommercialapplications.VelodynefoundersDaveandBruceHallenteredthecompetitionasTeamDAD(DigitalAudioDrive),traveling6.2milesinthefirsteventand25milesinthesecond.Theteamdevelopedtechnologyforvisualizingtheenvironment,firstusingadualvideocameraapproachandlaterdevelopingthelaser-basedsystemthatlaidthefoundationforVelodyne'scurrentproducts.ThefirstVelodyneLIDARscannerwasabout30inchesindiameterandweighedcloseto100lbs.ChoosingtocommercializetheLIDARscannerinsteadofcompetinginsubsequentchallengeevents,Velodynewasabletodramaticallyreducethesensor'ssizeandweightwhilealsoimprovingperformance.Velodyne'sHDL-64EsensorwastheprimarymeansofterrainmapconstructionandobstacledetectionforallthetopDARPAUrbanChallengeteams.VisionVelodyne'sultimatevisionforitsLIDARtechnologyissimple:tosavelives.Weseethedaywherethissensortechnologyisdeployedoneveryvehicleintheworld.WhiletraditionalLIDARsensorshavereliedonfixedelectronicsandrotatingmirrorstodelivera3-Dterrainmap,therotationofanentirearrayofmultiplefixedlasershasproventobeaquantumleapforwardinsensingtechnology.Thisaccomplishmenthasbeentermeda"disruptiveevent"bycarsafetyresearchgroups,whoseethetechnologyasareasontorethinkallthatweknowaboutvehiclesensorsandthesafetysystemstheyenable.Untilthedaywhenwehelpeliminateautomobile-relatedcasualties,VelodyneplanstomarketitsuniqueLIDARtechnologywhereversophisticated3-Denvironmentunderstandingisrequired:robotics,mapcapture,surveying,autonomousnavigation,automotivesafetyystems,andindustrialapplications.

S-ROV水下机器人观测平台是法国TMI-Orion公司研发的一款智能型水下机器人平台，标配4个垂直推进器和4个水平推进器，在水下可实现精确的3D移动控制。S-ROV具有超强的搭载能力，可同时搭载7个附加功能模块，适用几乎所有类型的传感器。传感器接口为即插即用模式，可快速连接。S-ROV有效负荷3.5kg，最大工作深度305米，可应用于水下作业、视频观测、水质监测等领域。l S-ROV可以对珊瑚礁、人工礁石、礁石、海底等水下物体进行视频观测，为海洋生态环境评估提供视频影像资料l 水产养殖监控，可对各种网箱养殖进行视频监控，观察生物体的生长、进食、饵料剩余等情况l 水质监测，目标海域水环境剖面监测l 河流湖泊水底地质状况影像观测及水质监测l 沉船打捞搜救，水上安防抢险，飞机火箭等残骸的水下搜索打捞l 大坝、水库闸门以及水电站冷凝池、涵洞等重点水下建筑部位的安全巡查l 海底管线铺设、海底输油管道检查、海上风电业务、海上钻油平台等海底工程验收创新点：S-ROV是一款小型高精度水下机器人，其最大的创新是配有8个推进器，可以实现前后、上下、左右等多个方向的行进。S-ROV水下机器人

p　　独有辐射屏蔽技术，可在水平方向360度旋转无盲区，即便在水下100米工作也依然稳定可靠……这套由中国科学院光电技术研究所研发的核级水下高分辨率耐辐射摄像系统，近期成功应用于国内各大核电基地。这标志着我国在该领域打破国外垄断，真正实现“中国造”。/pp　　此前，国内核电基地水下监测设备均采购国外产品。中国科学院光电技术研究所微电子装备总体研究室副主任冯常介绍说，这套系统由该所研究人员花费两年时间自主研发而成，专门在核环境下应用，从2015年起，被广泛应用于我国核电基地。/pp　　记者了解到，这套高分辨率耐辐射摄像系统IOE-CPR-M独有辐射屏蔽技术，可在5000Gy/h的剂量率条件下稳定工作100小时。同时，因采用高性能图像传感器，分辨率达200万像素，可输出1080P高清视频，在精密电机驱动下，任何速度下都能捕捉到无抖动的画面图像。/pp　　“该系统能够提高核燃料操作的安全性，确保燃料组件入堆后能长期安全运行。”冯常举例说，像在核电站大修堆芯换料过程中，可全方位监控水下燃料组件操作，以确保燃料正确就位 并对核燃料组件进行专项水下高清外观检查和测量，了解燃料组件的运行状况。此外，还可对核电站乏燃料水池及堆芯燃料组件进行最终安全检查，以确保燃料组件正确装载。/pp　　据了解，国内核电专家对此套系统在我国各核电基地大修过程中发挥的高性能、高可靠、高稳定的表现，提出一致肯定。/ppbr//p

科学家估计，超过95%的地球海洋从未被观测到过，而为水下摄像机长时间供电成本太高，阻碍了对海底的广泛探索。美国麻省理工学院（MIT）研究人员开发出一种声波驱动的无电池无线水下相机，为解决这一问题迈出了重要一步。该相机的能效比其他海底相机高出约10万倍，即使在黑暗的水下环境中，也能拍摄彩色照片，并通过水无线传输图像数据。研究论文发表在最近的《自然通讯》上。　　该相机的自主摄像头由声波驱动。它能将穿过水的声波的机械能转化为电能，为其成像和通信设备提供动力。在捕获和编码图像数据后，相机还使用声波将数据传输到重建图像的接收器。因为它不需要电源，所以相机可在探索海洋之前连续运行数周，使科学家能够在海洋的偏远地区寻找新物种。它还可通过拍摄监测海洋污染情况或水产养殖场鱼类的健康和生长。　　团队成员称，这款相机最令人兴奋的应用之一是气候监测。科学家正在建立气候模型，但缺少来自95%以上海洋的数据。这项技术可以帮助他们建立更准确的气候模型，更好地了解气候变化如何影响海底世界。　　为制造可长时间自主运行的相机，研究人员需要一种可在水下单独收集能量而自身功耗很少的设备。相机使用由压电材料制成的传感器获取能量以及超低功耗成像传感器，即使图像看起来黑白相间，红色、绿色和蓝色的光也会反射在每张照片的白色部分。图像数据在后处理中合并时，就可重建彩色图像。　　研究人员在几种水下环境中测试了相机。在其中一次，他们捕捉了漂浮在新罕布什尔州池塘中的塑料瓶的彩色图像。他们还能拍摄出高质量的非洲海星照片，照片中甚至连沿着海星手臂的微小结节清晰可见。该设备还有效地在一周的黑暗环境中反复对水下植物进行成像，以监测其生长情况。

美最时工业技术（上海）有限公司是德国美最时集团旗下一员，作为一家专业的工业技术专家和服务提供商，其业务涵盖了塑料和橡胶加工与实验室设备、铝挤压与加工、化妆品及日化用品包装、制药和冬季运动、能源与发电和食品技术等多个行业。在塑料和橡胶加工技术与质量控制领域，美最时工业技术与欧洲先进的制造商紧密合作，包括ECON公司和ENTEX公司，共同为客户提供理想、灵活且专业的解决方案。ECON参加上海CHINAPLAS2024国际橡塑展ECON于1999年在奥地利成立，是水下造粒系统的专家，产品包括配有紧凑设计的水处理和干燥系统的水下造粒机与空气造粒机、过滤熔体的换网器，以及以环保方式温和清洁挤出和过滤部件的热解炉等。ECON水下造粒系统ECON产品特点：（1）可根据客户的生产线提供量身定制的解决方案，注重耐用性；（2）热塑性塑料均可造粒，特别是TPU，ABS，PA、PC、PET、PI、PE、PP等；（3）多种产量可供选择，从实验室规模到生产规模，产量范围为1-15000kg/h；（4）造粒尺寸多样性，包括微型（0.5mm）、迷你型和标准尺寸；（5）专利隔热模板技术，生产工艺稳定，模孔不“冻结”；（6）能耗低、效率高；（7）操作安全、简便。ENTEX参加上海CHINAPLAS2024国际橡塑展ENTEX是行星螺杆挤出机的领先制造商之一，拥有160多项知识产权注册，其产品被应用到各种工业领域（包括塑料、橡胶、化学品、涂料、回收和食品行业）的混合和工艺技术中。ENTEX行星螺杆挤出机ENTEX产品的模块化的概念，为混合提供了广泛的可能性，即使是用于处理复杂的反应、冷却、脱气和混合过程也能完全胜任；革命性混合挤出技术，代替双螺杆挤出不能完成的任务，特别是在聚合反应、反应挤出、纳米材料混合均化分散、添加40-50%液体的混合挤出、亲水性材料和疏水性材料的充分混合均化分散等应用。ENTEX行星螺杆挤出机涵盖了实验室约0.5-10kg/hr挤出量到生产型最大产量可达12,000kg/h的生产规模；此外，还能使用初级能源，经济又可持续。

2014年，江苏中海达（300177）海洋信息技术有限公司选址落户在江北新区智能制造产业园北斗大厦，开始在导航定位技术、水下声呐技术、无人平台技术等相关领域发力突破。而在当时，水下测量领域几乎被海外产品垄断，海外产品市场占有率达95%以上，并且价格昂贵。中海达的目标就是“实现高端水下测量国产化”。　　水下放大镜——　　声学多普勒流速剖面仪　　“我们的征途是星辰大海！”中海达海洋公司常务副总经理周正朝在谈及公司主营业务时说道。既然踏上征途，那么一定要有“硬核科技”加持，才能让星辰大海的奥秘熠熠生辉，而这一切的基础便是声呐技术。　　“利用声波在水下的传播特性，通过电声转换和信息处理，完成对水下目标进行探测、定位和通信，这也就是我们俗称的声呐。”周正朝介绍，这款声学多普勒流速剖面仪（ADCP）通过换能器向水中发射超声波脉冲，并接受水体反射信号，获取水中颗粒物的运动轨迹和水体分层流速信息，从而测量出水流的速度。　　据了解，这款ADCP由中海达海洋公司自主设计、研发和生产，是国内首个量产化的产品。其作为水文行业流速、流量测验的利器，目前广泛运用在河流、航道流量测验及海上流场水文调查等领域。　　“安全、可靠、便捷、精确，是我们研发产品的核心追求。我们相关产品的综合性能已经达到国际先进水平。”周正朝表示，企业以ADCP为主力，配合中海达的其它产品，无论是面对高泥沙还是大流量，都能应对自如。　　位于山东省济南市泺口镇黄河大堤南岸的泺口水文站，常年为国家防总和黄河防总测报水情，由于汛期来临，受黄河上游调水调沙及冲刷的影响，黄河山东段的河水含沙量大，流速和流量增加，使得泺口水文站一直面临在较大含沙量环境下测流的难题。　　“面对这样的情况，我们除了配备专业的ADCP，还派出了我们研发的最新测深仪和定位定向仪。中海达海洋公司推出“全明星”（改单引号）阵容，最终克服大含沙量的恶劣条件影响，完成了测量作业任务。”周正朝自豪地说。　　乘风破浪向前去——　　iBoat智能无人测量船　　“要ADCP发挥出功效，所用载体平台非常重要。”周正朝说，这就要瞧瞧我们的iBoat智能无人测量船了。　　中海达iBoat系列智能无人测量船，配备中海达测深仪，及HiMAX控制测量集成软件。船体采用载重型三体船设计，拥有阻力小、载重大、航行平稳、小巧轻便、可单人作业、运输方便等特点。“如果是使用传统航标船测量的话，体积大、油耗高自不用说，而且需要配足人手，无法进行单人操作。现在有了无人测量船，一个人就能搞定。开车的话，直接把船放在后备厢就行，简单便携。”　　至于动力，中海达iBoat系列智能无人测量船标配智能化电池，高度集成，超大容量，而且外置可拆卸，更换电池只需三分钟。“所有测量结果都可以一体化导出，效率大大提升。”透过周正朝手持的控制台，所有信息在显示器上一目了然。　　这款酷炫的无人测量船现在已经广泛应用于内陆水域的河道断面测量、水库库容测量、淤积土方测量、港口施工测量、航道水深测量等专业领域。　　在安徽省怀远县境内的淮河河道，中海达iBoat系列智能无人测量船承担着水下地形测量的重任。在作业过程中，iBoat BSA智能无人测量船既可以自动生成航迹线，又可以现场手动布线。所谓手自一体，也在无人测量船上实现。当经过复杂水域环境时，iBoat BSA智能无人测量船能轻松穿越水上树林，获取水深数据。　　通过作业，iBoat BSA智能无人测量船获取了高精度的水下地形测量成果，为淮河流域的河道管理、非法采砂治理等工作的科学决策提供了可靠的数据依据。　　侧扫声呐上阵——　　水下无秘密　　除了声学多普勒流速剖面仪和无人测量船，中海达海洋公司还自主研发了单波束测深仪、双变频测深仪、浅水多波束测深仪、惯性导航系统、侧扫声呐等专业设备。　　近期，在东海某海域海上风电装机的升压站周边基础地形和海底电缆路由监测任务中，中海达海洋公司投入多台设备进行协同作业，对浅埋海底电缆进行搜寻、探测，并评估其冲刷状况，从而获取更加详实、精确的水深地形数据及水下结构图像。　　“iSide 5000多波束侧扫声呐兼具低速和高速两种模式。低速模式为单波束双频侧扫，高速模式为高频多波束侧扫。一般的产品会随着量程的增加导致分辨率下降，但这款产品就能做到高速高分辨力全覆盖侧扫。简单来说，就是出来的图像更清晰，工作覆盖的监测范围更大、更精确。两种模式的搭配使用好比汽车的闭缸技术，既能做到高品质，又兼顾经济实用。”周正朝介绍。　　随着产品技术和质量的不断提升，作为国产高端水下探测装备的中坚力量，中海达海洋公司的许多产品也已走出国门，远销海外。“希望通过我们的努力，为国家在海洋探测和水文水利领域提供先进的科技支持和保障，也希望能有更多的人在我们产品的助力下，去深入了解大川大河，浩瀚碧海。”周正朝说。　　江河湖海，孕育生命万物，塑造人类文明。作为这颗蔚蓝星球上普遍又神秘的存在，其最深处的景色无时无刻不在召唤着我们。一切正如凡尔纳所言：“这是一种超自然而又神奇的生命载体，它是运动，是爱，像一位诗人所说的，是无垠的生命。”　　中海达海洋公司所研制的海洋探测和水文水利产品，如同一艘艘承载梦想和使命的鹦鹉螺号潜艇，有了它，我们能更加轻松、便捷、从容地化身为阿龙纳斯教授和尼摩船长，潜入那令人心驰神往的水波，漫游在海底两万里。

近期，中国科学院半导体研究所研发的“水睛”水下高分辨率环视摄像机完成了针对水下礁盘的摸底海试工作。海洋观测是开发海洋资源、保护海洋生态的关键技术，受到全球的关注，但是目前海洋生物群落及环境变化监测技术仍无法满足海洋大时空数据获取的需求，特别是深海。光学成像技术可提供高分辨率、符合人眼视觉特征的图像，但是在保障高分辨率的前提下存在视场小的问题，难以实现大范围的海底详查的需求。针对此种情况，半导体所周燕、王新伟及其科研团队研制了水下高分辨率环视摄像机“水睛”，可实现水下高分辨率大视角的光学成像，具备180°下视走航观测和360°原位环视观测两种模式（图1）。本次海试中，“水睛”搭载半导体所海面移动光学试验平台“冲浪者”号（图2），在约1000平方米海域进行了水下高分辨观测，完成了海上走航式观测、定点原位观测等摸底性观测试验，验证了设备具备5900万像素下良好的实时彩色成像功能。图1 水下环视摄像机的下视及环视工作模式（上图下视模式，下图环视模式）图2 搭载冲浪者号走航式观测过程中的“水睛”摄像机此次海试，研究人员利用水下摄像机多次完成了礁盘生态系统的观测，拍摄了大量的珊瑚、海星、贝类、鱼类等，形成了水下光学彩色图像库（图3），可用于海洋光学图像处理、目标识别等算法研究。图3海域美丽的珊瑚、鱼类、海星、砗磲等除珊瑚及鱼类等生物要素外，本次海试中，在海底还发现了生物附着的碗和盘子各一只（图4）。图4 生物附着的盘子和碗此次海试由半导体所和南开大学共同组织完成，除“水睛”摄像机外，还利用多参量海洋水体测量系统完成了海洋温盐深、核素、水体光学衰减系数等海洋水体多物理化学参量采集。相关工作得到了南方海洋实验室、中科院青促会项目的经费支持。 图5 项目团队及设备在海试现场

近年来，湖泊等水生态水环境问题日益突出，存在数量锐减、水域急剧萎缩、水系统衰退、水污染问题突出、功能退化等问题，借助AUV可实现对湖泊等生态环境的系统监测及分析研究。全自动水下自主航行器i3XO EcoMapper AUV，具有实时、效率高、工作强度低、定位准确的优点，能够快速形成层析影像图，提供监测水体水质的空间上分布数据成果，极大地提高了湖泊水生态系统监测评价的机动性和工作效率，极大弥补湖泊水生态系统监测手段的不足，提高湖泊水生态监测自动化水平，为湖泊水生态水环境状况调查与评价、湖泊生态水系规划设计与建设提供重要依据与技术支撑。主要特点性能及应用AUV作为科研工具AUV上还有YSI EXO1多参数探头，配备的传感器可测量电导率/温度、pH值、光学溶解氧、浊度和总藻类。比如智利（以及全球各地）的铁矿场使用AUV监测冷却池的污染情况和浊度，以确保符合当地法令；在湖泊或河道疏浚前，承包商就水深、障碍物和工作范围等细节提供准确的底层测绘；用于研究生教育和水质分析、底层勘测和沿海水道、河口、湖泊和河流现场样本监测的专家研究，以获得基线和持续的环境数据；大学将其用作一种海洋学、环境和相关领域的教学工具；政府机构利用其对水体进行测绘和调查。 尖端技术集成至AUV典型AUV实现侧扫声纳成像和测深测量 - 可为研究人员和科学家提供底部测绘的详细图像。AUV现配备探头，可提供高分辨率的水质数据，一次可测量多达八种不同的水质参数。从溶解氧或pH到浊度和电导率/温度（CT），可在水平和垂直平面提供数据，以更准确地表示实时细微差别。同时AUV可帮助监测潮汐活动、天气模式以及水体的总体健康状况。智能和直观YSI（a xylem brand） 采用先进平台，通过侧扫声纳、多普勒流速仪及YSI水质探头等为用户提供便携式监测工具定制。除了这些先进的功能，AUV还用作一个强大的自主平台，配备任务规划软件，可以通过用户友好性界面和逐步流程轻松编程，安排任何定制化任务。使用GPS坐标和标准来回“割草机”模式，AUV可覆盖并获得必要数据所需的尽可能多的细节。

p　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所研究员黄行九和安徽光学精密机械研究所研究员赵南京从电化学、激光诱导击穿光谱(LIBS)检测水溶液中Cr(VI)存在的问题出发，通过将电化学方法与激光诱导击穿光谱(LIBS)联用并结合微区液体排空装置实现对水中微污染物Cr(VI)的原位水下检测。该工作在利用光谱-电化学方法联用实现水下原位重金属离子的准确检测方面具有重要的科学意义，相关研究成果已发表在美国化学会《分析化学》上(Analytical Chemistry 2017, DOI:10.1021/acs.analchem.7b00629)。/pp　　激光诱导击穿光谱(LIBS)作为一种元素分析方法已被用于环境样品中重金属离子的检测研究。但LIBS直接检测液体样品时往往伴随着溶液对激光能量和等离子体信号的吸收，对激光的散射与折射等现象，致使其检测灵敏度低、检测限较高。为克服以上问题，常需通过富集方式将溶液样品中的待测物转移到固体基底上，而后在空气环境中进行LIBS检测。但这种样品预处理和检测分开进行的分析方式可能会带来样品成分的变化，从而影响检测的准确性。/pp　　研究人员将微区液体排空装置、电吸附富集方法与传统LIBS结合实现溶液中Cr(VI)的原位水下检测。为了克服LIBS检测水样品时存在的一系列问题，研究者研发了微区液体排空装置，其工作原理为：当系统采集LIBS信号时，通过引入气流使得仪器的激光传输通道和等离子体激发与收集腔内的溶液排出，以在这两个区域及电极表面形成短暂的空气环境，借此避免激光传输过程中能量的损耗、等离子体激化点处的溶液溅射等来自周围水环境的干扰问题，提高光谱信号的稳定性。为了改善LIBS的检测下限并提高检测的选择性，电吸附方法被用于富集溶液中Cr(VI)，壳聚糖修饰的石墨烯作为吸附剂，同时电吸附富集过程中形成的正电场避免了来自共存阳离子的干扰。不仅如此，该原位水下LIBS体系在真实水样品环境中Cr(VI)也表现出较好的检测性能。该研究成果还可以扩展到原位定量检测水环境中其他带电离子污染物方面。/pp　　该研究工作得到了国家重大科学研究计划项目、国家自然科学基金和中科院创新交叉团队等项目的支持。/pp　　a title="" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.7b00629" target="_blank"文章链接/a/pp style="text-align: center "img title="W020170505330906105809.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201705/insimg/8efe9116-7d60-49fe-beb2-2196747ea515.jpg"/p style="text-align: center "微区液体排空装置辅助原位水下电吸附-LIBS体系的实验装置图。(a)原位光谱电化学LIBS设备原理图 微区液体排空装置设备的分解图(b)和剖面图(c)/pp/pp/p/p

第十六届全国二类水体水色遥感研讨会在东北著名的“国际汽车城”长春召开，应主办方中国科学院东北地理所邀请，奕枫仪器出席第十六届全国二类水体水色遥感研讨会，并与与会专家科研工作者就海洋和湖泊水体初级生产力的研究做了进一步交流。与会科研工作者对奕枫公司的“FastOcean APD原位初级生产力测量”方案表达了浓郁的兴趣，该技术将改善传统初级生产力测量的耗时耗力的状况，将极大提供科研效率。水体初级生产力通常以单位水面下水柱在单位时间生产的有机物重量表示,以秒或小时为单位,称为光合速率,以日或年为单位,则称为光合产量。水体初级生产力的测量，特别是海洋和大型湖泊初级生产力的测量，对于CO2引起的温室效应和全球气候变化有重要的意义。海洋是地球系统中最大的碳库，海洋碳库是大气的50倍，陆地生态系统的20倍，现在全球大洋每年从大气吸收CO2约20亿吨，占全球每年CO2排放量的1/3左右，是大气CO2巨大的汇。奕枫仪器同时还展示了以下运用于水色遥感的固有光学特性和表观光学特性测量设备，收到与会研究者的欢迎。1. HS-6 后向散射测量仪2. Oscar 积分腔式吸收计3. Viper 水体衰减测量仪4. Ramses 水下光谱仪5. 荧光计--叶绿素，蓝藻， 色氨酸，CDOM ,水中油等

近期，上海海洋大学科研团队成功研发出一款软体仿生鱼，模仿蝠鲼（俗称“魔鬼鱼”）的体态，翼展1米，取名“文鳐”。虽然在空气中的“体重”达到35斤，但在水里游动却是灵活无比，令人真假难辨。图片来源：央视新闻客户端“文鳐”的核心器部件已全部国产化，其效率高、能耗低、功能多，同时具备共融性、超仿生、隐身性三大优势，满足长续航、高机动、大负载、大范围作业需求。仿生鱼产品内部具备超大有效载荷空间，基于多传感器协同的智能监测技术，通过搭载多款高精度传感器，给仿生蝠鲼装上“眼睛”和“耳朵”，可胜任对300米以内水深的水下监测等工作。在仿生蝠鲼身上搭载成像声呐测扫设备，以更灵活、成本更低的方式描绘海洋的地形地貌、鱼群情况。搭载水下成像系统的蝠鲼，基于人工智能的水下目标识别技术，通过对目标检测和图像分割进行监测实现分类识别，准确率高达90%。“文鳐”不仅外形仿生，且功能强大，仅3节微小电池便可在水里续航3个小时以上，无论是转弯、360度翻滚还是回旋，都可以畅游自如。“文鳐”可以搭载多款高精度传感器，满足对鱼群的实时状态监测，实现全空间内水下鱼群智能识别与互动。它也可以作为观赏鱼，带来全新的视觉享受。未来新一代“文鳐”将搭载华为芯片，实现“智慧鱼脑”。

黏附材料在工程材料领域有非常重要的应用，然而在高强度、高湿度（水下）的应用环境中（渔船、游船、划艇、潜艇等），水分子极易破坏胶黏剂的黏合界面，导致功能失效。市面上现有的大多数胶黏剂水下黏附强度低、耐水性弱，无法满足长期的水下应用需求。因此，开发具有较强界面黏合力、耐水性和机械耐受性的黏附剂是工程应用和技术领域的挑战之一。 中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室周峰研究员团队与兰州大学梁永民教授团队合作，基于分子链软硬片段设计制备了一种具有优异水下黏附性、耐水性和机械耐受性的湿黏附材料（SRAD）。 研究成果以“Molecular Engineering Super-Robust Dry/Wet Adhesive with Strong Interface Bonding and Excellent Mechanical Tolerance”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上，兰州大学高璐瑶博士为论文第一作者，兰州大学梁永民教授，兰州化物所麻拴红副研究员和马延飞助理研究员为通讯作者。 图1 高性能黏附胶SRAD的设计理念研究人员通过在高分子聚合物中引入黏附功能组分，并协同考虑聚合物网络柔性与刚性之间的平衡，最终获得黏附力和内聚力适配的高分子黏附材料。该黏附胶表现出优异的黏附性能，包括强大的界面黏合性，在金属、合金、塑料、木材和陶瓷等各种基材上均具有较高的黏合强度（干态max：7.66 MPa，湿态max：2.78 MPa）；高耐水性，在水中浸泡半年后仍具有稳健的黏合强度（2.11 MPa）；强机械耐受性，静态浸入水中180天后的胶黏剂@Al(在铝基底上进行的黏附)可承受30N负荷下的30次机械加载-卸载循环。 图2 SRAD的黏合强度随水下存放时间的变化图3 SRAD在多种基材的干/湿黏合强度图4 SRAD的黏合强度测试在高分子黏附胶中，分子链片段的柔性和刚性占比对其黏附性能具有重要的影响，极大地控制着界面黏附力和内聚力的适配性，进而决定高分子黏附材料的黏附强度、耐水性和机械耐受性。研究人员通过协调分子网络柔性和刚性之间的平衡，设计制备了一种新型超级黏附胶，在陶瓷、木材、塑料和金属的各种基材上呈现出高的黏合强度（~7.66 MPa）；在高速流体剪切、静态负载和动态机械微动等恶劣环境下，表现出强大而持久的黏附性能，该研究为发展新型高性能黏附材料提供了一定的指导。 以上工作得到了国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、山东省自然科学基金、中科院青促会和中科院特别研究助理项目等的支持。

使用超声波探头为人体植入电子设备无线充电的示意图图片来源：韩国科学技术研究院　　科技日报北京4月19日电 （记者张梦然）随着人口老龄化和医疗技术的进步，使用人工心脏起搏器和除颤器等植入式电子设备的患者数量在全球范围内不断增加。韩国科学技术研究院（KIST）宣布，由电子材料研究中心宋宪哲博士领导的研究团队开发了一种可应用于人体植入物的超声波无线能量传输充电技术，该技术也可为监测海底电缆状况的传感器等水下仪器的电池充电。相关研究近日发表在《能源和环境科学》杂志上。　　电磁感应和磁共振可用于无线能量传输。电磁感应目前用于智能手机和无线耳机。但其使用的限制是电磁波不能穿过水或金属，导致充电距离短。此外，由于充电过程中产生的热量是有害的，因此这种方法不能轻易地用于为植入式医疗装置充电。磁共振法要求磁场发生器和发射装置的共振频率完全相同，存在干扰其他无线通信频率（如Wi-Fi和蓝牙）的风险。　　KIST团队采用超声波而不是电磁波或磁场作为能量传输介质。使用超声波的声呐通常用于水下环境，在器官或胎儿状况诊断等各种医疗应用中，超声波在人体中的安全性已得到验证。然而，现有的声能传输方法由于声能传输效率低，不易实现商业化。　　研究小组开发了一种模型，该模型使用摩擦电原理接收超声波并将其转换为电能，该原理可有效地将微小的机械振动转换为电能。通过在摩擦发电机中添加铁电材料，超声波能量传递效率从不到1%显著提高到4%以上。其可在6厘米的距离处充电超过8毫瓦的功率，这足以同时操作200个LED或在水下传输蓝牙传感器数据。新开发的装置具有较高的能量转换效率并产生少量热量。　　宋博士说：“这项研究表明，电子设备可通过超声波以无线充电方式来驱动。如果未来设备的稳定性和效率进一步提高，这项技术可应用于为植入式传感器或深海传感器无线供电。”

p style="text-align: center "img title="033.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/dbec24e0-8adf-464e-9b88-61b3a1a3c19a.jpg"//pp　　7月3日下午，合肥市公安局巢湖水上分局在天鹅湖举行“无人智能巡逻艇”首巡仪式。/pp　　strong水面安全巡逻的现状和需求/strong/pp　　目前港口、码头、景观湖、水库、旅游景点、养殖业等水域的巡逻和安全防控基本上都是人工完成，存在工作量大、探测手段有限、安全救援迟缓等问题。相对于无人机、无人船等技术，无人水上艇技术发展相对较晚，目前无人水上巡逻艇主要由美国、以色列等少数发达国家生产，主要用于军事用途。国内无人艇技术相对落后，多数是尺寸较小、功能简单、智能化和信息化程度低的单一功能产品，近80%的无人水上艇应用都集中在观测与信息收集、物理环境测量等。/pp　　天鹅湖在安徽省省会合肥市境内，地处合肥政务文化新区核心，是一个人工景湖。始建于2003年，水深3.5米，有各种雕塑、园林树木、人工沙滩、喷泉，湖中有两座小岛等景观占总占地面积136公顷，湖面面积70公顷，平均水深3.5米。南北最大跨度0.7公里，东西最大跨度1.5公里，周长3.5公里。天鹅湖不但环境优美，旁边还新建了体育场，大剧院，市政办公中心等地标建筑，是合肥的政治文化休闲中心地，天鹅湖目前是合肥市内最大的开放式公园之一。近年来，天鹅湖溺亡事件频频发生。据不完全统计，天鹅湖自2004年蓄水开始，迄今为止至少溺亡了64人。因此，通过技术手段为天鹅湖安全监控和应急救援提供支持是非常有必要的，无人智能巡逻艇是近年来快速发展的技术，有望为天鹅湖安全防控提供最佳技术支持。/pp　　strong无人智能巡逻艇的研制过程/strong/pp　　中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所“973”首席科学家刘锦淮团队的余道洋博士主持的水面机器人系列研究成果于2015年11月份发布，经专家鉴定多项技术处于国内领先，该成果发布后引起了国内行业专家、企业和媒体的重视。安徽中科华澄智能科技有限公司是中国科学院合肥物质科学研究院水面机器人等研究成果以无形资产投资入股成立的院属企业，公司的核心产品之一是智能安防水面机器人，主要用于类似于天鹅湖等水域的综合安全预警与防控，特别是溺水监控与救援。智能安防水面机器人于2016年9月份在天鹅湖进行了演示和测试，得到了合肥市公安局水上分局王旭局长的认可，双方通过沟通一致同意共同研制无人智能巡逻艇，不仅仅用于天鹅湖，进一步扩展可以用于巢湖等大江大河的无人智能化监控和应急救援。今天的仪式也是共同研制产品的正式列装，是产品走出去的良好开端。/pp style="text-align: center "img title="011.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/d2261487-1ab5-498d-95ed-39b26f2baf73.jpg"//pp　　strong无人智能巡逻艇及天鹅湖综合安全防控系统简介/strong/pp　　天鹅湖综合安全防控系统由无人智能巡逻艇、岸基红外和光学视频监控系统、无人机、高速救援艇、蛙人应急分队、城管巡防员、手持式通讯终端、水下探测以及综合安全监控平台等组成。该系统的核心是无人智能巡逻艇，本项目研制的无人智能巡逻艇核心技术和功能包括：自主巡航、自动避障、目标自动识别、早期预警、空地水系统联动、语音驱离、声光报警、强光指引、实时视频传输、多模式远程操控、风险评价、通讯链路、自主返港、水下探测、网格化精准定位等功能。/pp　　无人智能巡逻艇的核心技术是“智能”，融合了常规机器人的智能感知、智能决策和控制技术，主要体现在以下几个方面：自主巡航和主动避障功能由卫星导航、电子罗盘、海事雷达、超声雷达、激光雷达、声呐等信息感知模块组成，通过形态学膨胀腐蚀原理的二值图处理和动态目标A*算法等人工智能算法，实现水面机器人在复杂水域的全局路径优化和局部障碍规避 无人智能巡逻艇上分别搭载了光学摄像和热红外摄像头，开发了基于动态目标多特征差异检测原理的光学和热红外图像细胞神经网络识别算法，实现无人艇动态巡航条件下动态目标的捕捉与准确识别 无人智能巡逻艇的自动识别技术解决了天鹅湖危险水域人员的动态和快速识别，在此基础上开发了早期预警系统，对试图进入危险水域的人员提前进行警告和监控，为有效管控溺亡事故的应急处理提供了技术保障 天鹅湖岛上架设了20多台光学摄像和热红外摄像头，实现了天鹅湖全天候、无死角的实时监控、和目标自动识别，一旦出现人员越过警戒线和危险水域，将自动计算危险区域人员的精确位置坐标，自动判断风险等级，并自动向系统平台发送指令，系统平台再向无人智能巡逻艇、安防人员和管理人员发送信息，以最快的速度采取应急措施，真正实现天鹅湖的空地水立体化、全天候和无死角安排防控。天鹅湖综合安全防控系统可以与其他安全管理和应急系统联网，实现多网络平台的联动。/pp　　智能安防水面机器人是携带红外热成像仪和可见光摄像机等安防监控装置，在工作区域水面进行安防巡视监控并将画面和数据传输至远端监控系统，对突发事件进行应急处置的智能机器人。该产品2016年7月荣获合肥市首创产品认证 同年11月通过安徽省新产品鉴定，经评审专家组一致鉴定，该产品在国内处于领先水平。/pp style="text-align: center "img width="450" height="338" title="04.jpg" style="width: 450px height: 338px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201707/insimg/1fca29c6-3cee-4851-8632-07b83228e368.jpg" border="0" vspace="0" hspace="0"//pp style="text-align: center "智能安防水面机器人在天鹅湖巡逻/pp　strong　应用拓展/strong/pp　　无人智能巡逻艇在天鹅湖的成功应用得到了合肥市多个部门领导的重视和推荐，2017年7月3日的列装和天鹅湖首巡将会是该产品推广应用的良好开端，该产品将进一步应用到巢湖、河道湖泊、水库、江河湖海、水上航道、景区水域等区域的安全防范与巡逻。/p

记者7日从中国科学院沈阳自动化研究所获悉，由该所主持研制的“探索4500”自主水下机器人（以下简称“探索4500”）在我国第12次北极科考中，成功完成北极高纬度海冰覆盖区科学考察任务。日前，该所4名科考人员已随“雪龙2”号科考船返回。 这是我国首次利用自主水下机器人在北极高纬度地区开展近海底科考应用，其成功下潜为我国不断深化对北极洋中脊多圈层物质能量交换及地质过程的探索和认知提供了重要数据资料，将为我国深度参与北极环境保护提供重要的科学支撑。 针对此次北极科考工作区高密集度海冰覆盖的特点，科研团队创新性地研发了声学遥控和自动导引相融合的冰下回收技术，克服了海冰快速移动和回收海域面积狭小给水下机器人回收带来的挑战，确保水下机器人在密集海冰覆盖区的北极高纬度海域连续下潜成功，并全部安全回收。 在科考应用中，“探索4500”成功获取了近底高分辨多波束、水文及磁力数据，为超慢速扩张的加克洋中脊地形地貌、岩浆与热液活动等北极深海前沿科学研究，提供了一种最为先进的探测技术手段。 “探索4500”是中科院“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”战略性先导科技专项支持研发的深海装备。为了参加此次北极科考，科研团队对“探索4500”进行了环境适应性、高纬度导航、海底探测、故障应急处理等技术升级与改造，并开展了湖海验证工作，全面提高了系统的可靠性。 “探索4500”在科考中的成功应用，充分验证了其在北极冰区良好的低温环境适应能力、高纬度高精度导航性能、密集冰区故障应急处理能力和洋中脊近海底精细探测能力，开创了我国自主水下机器人在北极科考应用的先例。 极地科考一直是水下机器人发展的重要方向。近年来，中科院沈阳自动化所致力于推动水下机器人的谱系化发展，先后有4种类型6台套水下机器人参加了8次极地科考，为我国水下机器人在极地应用作出了重要贡献。

据安徽省交通运输厅1月8日消息，日前，由省港航集团自主研发的国内首台重大技术装备——“水下工程多功能检测移动平台”顺利通过验收，该装备是省港航集团承担交通运输部交通强国建设试点任务、省级重大关键核心技术“尖30”攻关项目以及省级工程研究中心建设任务的重大科创成果。该平台通过多维度（水下的水下机器人平台、水面的无人船平台、水上的无人机平台）检测系统集成控制及智能算法等技术多源融合，实现专项检测、环境监测、现场指挥、应急救援四大功能，具备快速化反应、智能化检测、自动化预警、集成化处置等特性。该装备可广泛应用于水运水利等水下工程检测、水下地形地貌扫测、水上应急搜救等领域，大幅提升水下工程综合检测效率、能力和水上应急救助等能力，应用前景广阔。目前，已在15座船闸、43个港口码头、500余公里高等级航道和7座桥梁等水下建筑健康诊治中实现应用。

了解海洋环境对各种水下任务至关重要，如资源的探测和水下结构的检查，没有自主水下航行器（AUVs）的介入，这些任务就无法进行。由于机载电池和数据存储容量不足， AUVs在执行水下探索任务也会受到限制。水下对接站的出现能够很好的解决这一问题，它能够为水下机器人提供水下充电和数据传输。然而在动态海洋环境中，浑浊和低光条件是阻碍成功对接的关键挑战。在本文中，研究人员提出了一种基于视觉的引导方法，使用锁定检测以减轻浊度的影响，同时屏蔽杂光和噪声。锁定检测方法锁定位于对接站灯标的闪烁频率，并消除其他频率无用光的影响。该方法使用两个固定频率发光的信标，安装在模拟对接站和一个sCMOS相机（鑫图Dhyana 400BSI）上。概念验证实验结果表明，该方法能够识别不同浊度下的信标，并能有效地剔除不需要的杂散光，而且不需要对基于视觉的引导算法做单独的图像处理。图1 锁定检测原理图 (a) 在清澈的水中拍摄的带有有源光信标的原始图像，调制频率为63 Hz，安装在中间的模拟停靠站上，两个背景光源发射频率为55 Hz和0 Hz。图 (b) 将锁相检测后的二值化结果应用于63hz。图 (c) 将锁定检测后的二值化结果应用于55hz。鑫图相机推荐Dhyana 400BSI V3视觉导航技术配合计算机视觉算法能够在定位精度高、不易被外部探测、可执行多任务等方面优于其他导航技术，但在水下环境中会受到光线的衰减和散射。此外，水下机器人在深海中吹起的泥浆会造成浑浊，这使得基于视觉方法的适用性更具挑战性。Dhyana 400BSI相机供了实验所需的灵活性，具有高速和高信噪比，能够在噪声中提取微弱的信号，配合软件获取图像的拍摄时间序列以实现lock-in time检测。参考文献Amjad R T, Mane M, Amjad A A, et al. Tracking of light beacons in highly turbid water and application to underwater docking[C]//Ocean Sensing and Monitoring XIV. SPIE, 2022, 12118: 90-97.该文章旨在为大家提供先进成像技术相关应用参考，部分内容摘抄于相关论文研究成果，版权归原作者所有，引用请标注出处。

日前，中国科学院光电技术研究所(以下简称“光电所”)成功研制出国内首台多功能水下智能检查机器人。该机器人是在中科院“西部之光”资金及相关专项资金的大力支持下，由光电所科研团队历时两年完成。　　与其他水下智能机器人不同的是，此智能检查机器人可以在水下高辐射环境中，从事核电水下探测、堤坝检查、管道检测、异物水下打捞等工作。验收组专家一致评价，该机器人在水下动密封技术、水下姿态检测、多传感器信息融合、图像识别、水下测量等关键技术上达到了国内领先水平。　　据了解，该智能机器人与光电所先期研发的反应堆压力容器螺栓孔自动检查机器人、CRDM钩爪检查机器人、水下异物打捞机器人、排爆机器人等特种机器人形成的系列产品被核电用户评为首选产品。

近日，英国科学家首次展示了一种新型激光雷达系统，其使用量子探测技术在水下获取3D图像。该系统拥有极高的灵敏度，即便在水下极低的光线条件下也能捕获详细信息，可用于检查水下风电场电缆和涡轮机等设备的水下结构，也可用于监测或勘测水下考古遗址，以及用于安全和防御等领域。 在水下实时获取物体的3D图像极具挑战性，因为水中的任何粒子都会散射光并使图像失真。基于量子的单光子探测技术具有极高的穿透力，即使在弱光条件下也能工作。在最新研究中，研究人员设计了一个激光雷达系统，该系统使用绿色脉冲激光源来照亮目标场景。反射的脉冲照明由单光子探测器阵列检测，这一方法使超快的低光检测成为可能，并在光子匮乏的环境（如高度衰减的水）中大幅减少测量时间。激光雷达系统通过测量飞行时间（激光从目标物体反射并返回系统接收器所需的时间）来创建图像。通过皮秒计时分辨率测量飞行时间，研究人员可以解析目标的毫米细节。最新方法还能区分目标反射的光子和水中颗粒反射的光子，使其特别适合在高度浑浊的水中进行3D成像。他们还开发了专门用于在高散射条件下成像的算法，并将其与图形处理单元硬件结合使用。在3种不同浊度水平下的实验表明，在3 m距离的受控高散射场景中，3D成像取得了成功。量子检测技术在陆地上的应用，较多见诸报道。其实这种技术在水下的应用，同样空间广阔。例如，利用它进行海底地形勘测、水下考古、海底设备检测等等。不过，将这种技术应用于水下，绝对不意味着将其直接“照搬”。以在海洋中的应用为例，需要考虑海水的腐蚀性、洋流的运动、海底光照条件等多种特殊因素。因此需要使用特殊的耐腐蚀材料，进行特殊的设计，以更加适应水下环境的应用。

水下智能检查机器人　　近日，由中科院光电技术研究所自行研制的多功能水下智能检查机器人通过了专家组鉴定。专家组认为该机器人各项性能指标均达到预期目标，在水下动密封技术、水下姿态检测、多传感器信息融合、图像识别、水下测量等关键技术上达到了国内领先水平。　　水下智能检查机器人是在中科院“西部之光”资金及所专项资金的大力支持下，由光电所四室科研团队历时2年完成。与其他水下智能机器人不同的是，光电所研制的智能检查机器人可以在水下高辐射环境中，从事核电水下探测、堤坝检查、管道检测、异物水下打捞等工作。目前，光电所四室已先后为秦山核电有限公司、中国核动力设计研究院、广东核电集团等多家单位提供了定制设备，产品应用后受到了用户的一致好评。　　水下智能检查机器人的成功研制填补了国内核电智能机器人的空白，也为光电所承担的2013年国家973计划“核电站紧急救灾机器人的基础科学问题”积累了丰富的前期研发经验。产品化的机器人检查设备

p style="line-height: 1.75em "　　此时此刻某个水源的水质情况如何?可以不需要原来的取样、化验、分析滞后的书面报告了，有关部门和关注水质情况的人们只要登录电脑，或打开手机APP就能实时得到有效数据。4月16日，国内第一个水下观测网水质在线监测系统通过鉴定。据悉，这项新技术打破了国际垄断，填补了国内空白。/pp style="line-height: 1.75em "　　据介绍，提供这项高新技术的是中天科技海缆有限公司四名博士组成的专家团队，他们联合浙江大学的专家教授经过较长时间的攻关，终于成功地应用于长江流域的水下观测水质在线监测。据郭朝阳博士介绍，这项系统技术应用起来十分方便，提供的监测数据具有实时、稳定、连续、可靠的优越。/pp style="line-height: 1.75em "　　由于世界性水危机，地表水和地下水都遭到了不同程度的污染，水质日益恶化，于是人们对水质监测的神经特别敏感。一项水质报告显示，中国29个重点城市中，只有15个城市中的20项饮用水指标全部合格，约占抽检城市的52% 而14个城市存在一项或多项指标不合格。/pp style="line-height: 1.75em "　　据了解，长期以来，我国对水质监测方式停留在传统取样和浮标监测，实时性和可靠性低，而且不能够真正达到原位监测的目的，较为先进的监测系统基本都依赖进口。而中天科技海缆研发的水下观测网集成多种声学、图像、物理、化学、生物等传感观测设备，布设在重要水源底部，进行长期连续、实时、原位观测，并能将原始数据和解算后的参数信息发送至各种信息终端，对饮用水安全和水环境保护有重要的民生价值。/pp style="line-height: 1.75em "　　中天科技海缆总经理薛建凌表示，开发具有民生和经济价值的水下观测网水质在线监测系统，对饮用水安全进行全方位的检测和预警，不仅具有重要的社会意义，也为公司提供了新的利润增长点，并能够带动海光缆，海工器件等配套产品的生产和销售，具有良好的市场前景。/pp style="line-height: 1.75em "　　该项目组织者杨华勇博士表示，这一系统的研制成功，有效提高监测参数的原位性、实时性和可靠性，同时也为其它应用场合，包括海洋观测、水质水文研究等提供了基础研制条件，将为我国饮用水源监测在内的环保领域的发展提供有力的保障。/ppbr//p

可穿戴传感器可以通过非侵入的方式捕捉人体的各种信号并转化为可识别的电信号，从而达到实时监测的目的，在健康管理等领域展现出了重要价值。相比于传统的刚性可穿戴传感器，由导电凝胶等软材料构建的皮肤式可穿戴传感器能与动态皮肤形成紧密的共型结构，提高传感器的传感准确性和稳定性，甚至实现对人体运动状态的实时感知。 　　尽管基于导电凝胶的可穿戴传感器研究已经取得巨大进展，并广泛应用于动作监测、健康管理、表情和声音识别、人机交互等诸多领域，但由于导电凝胶在水环境中存在吸水溶胀、导电组分流失、粘附性能衰退等问题，限制了其在水下探索等领域的应用与发展。近年来，通过对导电凝胶进行耐水性能的设计，研究人员实现了导电凝胶基可穿戴传感器的水下传感领域的应用，促进了该领域的研究快速发展 　　近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员和魏俊杰博士基于在耐水导电高分子凝胶的构筑及其水下传感方面的研究基础，在Advanced Materials上发表题为“Water-Resistant Conductive Gels Toward Underwater Wearable Sensing”的综述文章(Adv. Mater. 2023, DOI: 10.1002/adma.202211758)。 　　在该综述中，作者首先对提高导电凝胶耐水性的方法进行了总结，归纳提出了封装设计、疏水网络结构和多重交联作用这三种耐水设计策略，并详细讨论了各种策略的耐水原理、具体设计方法以及存在的优缺点，从而为未来的耐水导电凝胶设计提供指导。随后对用于水下传感领域的耐水导电凝胶的多功能性质进行了介绍。除了水下稳定性之外，探讨了耐水导电凝胶的拉伸性质、水下粘附性质、水下自修复性质、可回收性质和3D打印性等性质对导电凝胶基水下可穿戴传感器的传感性能和制造加工工艺的影响，并重点讨论了这些性质的优化改善方法。此外，对现有耐水导电凝胶在水下传感领域的具体应用方向进行了汇总，着重总结了耐水导电凝胶在水下运动感知、水下健康监测、水下通讯、水环境分析几个方向的研究进展，并分析了耐水导电凝胶在这些应用中存在的不足，为未来的水下传感研究指明了方向。 　　尽管导电凝胶的耐水设计和传下传感研究已经取得了一定的成果，但该领域的发展尚处于起步阶段，仍然存在一些问题和挑战亟需解决。导电凝胶在水环境中的传感性能与陆上性能有着明显差异，相关的水下传感机制和传感模型有待进一步阐明；耐水导电凝胶的水下稳定性和水下传感性能测试还没有标准的方法，亟需建立统一的检测方法进行有效对比和评估；在耐水导电凝胶和水下可穿戴传感器的多功能设计上需要进一步努力，例如实现基于变色功能的可视化感知、基于自清洁功能的抗污能力和基于生物可降解的环境友好等。 　　为了满足耐水导电凝胶基水下可穿戴传感器的实际应用需求，需要进一步发展与水下可穿戴传感器匹配的无线传输技术和自供能技术；如何实现多感知功能和多技术模块在水下凝胶传感系统中的一体化集成，尤其是如何实现“软”凝胶材料与“硬”电子元件的稳定界面结合依然是该领域需要面临的一个重要挑战。 　　该论文得到了国家自然科学基金(51773215)、中国博士后科学基金(2021M690157、2022T150668)、宁波市自然科学基金(2121J206)、国家重点研发计划项目(2022YFC2805204、2022YFC2805202)等项目的支持。耐水导电凝胶的设计策略与水下传感应用 　　(中科院海洋新材料与应用技术重点实验室 魏俊杰)

3月14日，由中国计量科学研究院(以下简称“中国计量院”)牵头承担的国家重点研发计划“国家质量基础设施体系”重点专项(以下简称“NQI专项”)“水下探测网与目标感知量值溯源关键技术研究”项目实施方案论证会在中国计量院昌平院区召开。中国计量院副院长杨平及相关部门负责人、项目和课题负责人、各承担单位代表共40余人参加会议。中国工程院院士杨德森、崂山国家实验室副主任刘保华、中国船舶集团有限公司第七〇七研究所副总工杨晔等7位项目领域专家，与来自哈尔滨工业大学的项目责任专家刘俭教授，共8位专家组成项目咨询专家组对实施方案进行论证。会上，项目负责人、中国计量院副院长杨平从项目背景与目标、主要研究内容、技术路线及预期成果等方面汇报了项目的总体情况。来自中国计量院、清华大学、中国计量大学等单位的课题负责人详细介绍了各课题的具体任务及实施方案。项目咨询专家组成员听取了项目和各课题的详细汇报，对项目研究的必要性给予充分肯定，论证了项目实施方案的可行性，并从各自专业角度为项目及课题实施提出了建设性意见，同意通过实施方案论证评审。中国计量院相关部门负责人介绍了项目管理和经费管理的制度办法。据项目负责人杨平介绍，海洋中温度、水色、声压、磁力与重力等参数及其分布场的准确测量，是开展海洋科学研究、气候预报与环境保护、导航与目标识别的重要保障。随着多尺度、多参数、全天候水下探测网的建设，对关键参数的测量能力、探测网的校准能力，难以满足海洋精准测量、水下探测网在线/原位校准需要，响我国海洋开发治理和海洋安全。项目面向海洋水下探测与目标感知对海洋关键参数精准测量及量值溯源的迫切需求，通过开展相关参量的高准确度量值复现新方法研究，研制高稳定性传递标准器与装置，构建集多参数的水下校准平台，在典型水下探测网、海上试验场开展在线/原位校准与现场评价示范应用，解决海洋相关传感器、仪器及水下探测网的在线/原位校准问题。项目完成后，将形成海洋温、光、声、磁、重力等关键参数的精密测量能力、以及水下探测网/标准场的原位校准能力，为提高海洋探测与目标感知精准度提供质量基础保障，服务海洋基础科学研究与海洋装备产业发展。

湿法造粒是口服固体制剂生产经常采用的加工工艺，目标是将通常细而粘的活性成分和辅料加工成更均匀、自由流动的颗粒，方便下游加工。 具有理想特性的颗粒可以有效改善加工性能，包括提高生产量，赋予片剂所需的关键属性等。但是，这意味着湿法造粒制成的粒子通常只是半成品，而非最终产品，从而产生了一个问题，即：如何控制造粒工艺，获得最终能生产出良好片剂的粒子？在第一种情况下，有必要确定潮湿颗粒可测定的参数，以便用来量化粒子属性的差异。 本文描述了全球粉末表征技术领先企业富瑞曼科技和制药加工解决方案主要供应商GEA Group（基伊埃集团）公司双方进行的联合实验研究。本实验采用了基伊埃的ConsiGma? 1连续高剪切湿法造粒及干燥系统，用于造粒，并运用富瑞曼科技的FT4粉末流变仪?进行动态粉体测试。所获得的结果显示了如何根据动态测定潮湿颗粒的结果，来预测成品片剂的属性。研究结果突出表明，动态粉体测试作为一种有价值的工具，可用于加速优化湿法造粒工艺、改善对加工的认识和控制，并对连续加工方法的开发提供支持。湿法造粒的目的和挑战 湿法造粒通常用来改善压片混合工艺的特性，使得粒子在压片过程中拥有优化的加工属性，赋予片剂所需的优点。目的是形成均匀的颗粒，提高压片产量，并使片剂拥有所需的关键品质属性，如重量、硬度以及崩解性能等。 在湿法造粒时，配混料的活性成分、辅料组份和水混合在一起，形成均匀的颗粒。然后，这些均聚体或者粒子得到干燥、研磨、润滑等进一步加工，形成压片机所需的理想喂入材料。这些喂入材料的特性可以通过调节各种加工参数，包括水的含量、粉末喂入速度、螺杆速度等有可能产生影响的造粒等环节来进行控制。通过调节一个或者更多的变量，调节粒子属性，确保粒子在压片机中处于理想的性能状态。 但是，要生产出具有规定属性的粒子，需要认识这些关键的加工参数会对粒子产生何种影响，同时还必须认识粒子属性和最终片剂之间的关系。通过以下实验，可以看出动态粉末测试将如何帮助实现这些目标。动态粉末测试概述 动态粉末测试是对运动中的粉体而非静态粉体进行测量， 并直接测定了松体的流动特性，这有助于在非常接近真实加工环境的状态下对粉体进行表征。可以测得经混合、处于低应力状态、充气甚至呈流体状态下粉体样本的动态特性，以精确模拟加工环境，获得给定工艺条件下直接相关的数据。 当刀片沿着规定路径旋转通过粉体样本时，测量作用于刀片上的扭矩及力，以衡量动态粉末特性。当刀片向下穿过样本时，测得基本流动能（BFE）。它反映了粉体穿过挤出机或喂料机时，在受力状态下的流动特性。比能（SE）测量的则是刀片向上运动时粉体的特性，直接反映了低压环境下，如粉体在重力状态下自由流经模具时的行为特征。加工参数对湿法造粒粒子特性影响的研究 富瑞曼科技和基伊埃集团进行了一项研究，用以确定湿法造粒粒子的动态流动特性是否与片剂的硬度的特性相关。通常情况下，片剂硬度对片剂质量起关键作用。试验采用了基于ConsiGma 25连续高剪切粒子和干燥原理的实验室设备ConsiGma1。 这套系统包含具有专利的连续高剪切造粒及干燥机，可以加工几十克至五公斤、甚至更多的样本。 在该系统上进行的研究有利于促进高效的产品和工艺开发，系统停留时间少于30秒。用ConsiGma1生产的潮湿、干燥的粒子由FT4粉体流变仪进行了表征。 实验项目的第一阶段，对不同造粒条件，如不同含水率、粉体喂入速度和造粒机螺杆速度等状态下的粒子属性进行了评估测试，测试的是基于乙酰氨基酚（APAP）及磷酸氢钙(磷酸二钙)这两种粉体配方的模型。系统地改变了加工参数，并测量了所得到的潮湿粒子的BFE。图2显示的是以不同螺杆速率生产出来的APAP配方粒子的BFE随含水量变化的关系。 收集到的APAP配方数据显示，如果螺杆速度保持不变，则随着含水量增加，BFE也升高。当含水率相同时，低螺杆速度同时会产生高BFE的粒子。两种趋势都会出现，因为高含水量、低螺杆速度，造成喂料多，可能生产出更大、密度更高、粘结性更强、对刀片运动阻力相对更高的粒子。数据同样显示，当含水率为11%、 螺杆速度为600rpm时，所生产的粒子的BFE与采用螺杆速度为450rpm、含水率为8%的粒子的BFE相当。这项发现非常重要，因为它表示，具有相似特性的粒子可以采用不同加工条件获得。 图3显示，含水量和螺杆速度分别保持15%和 600rpm不变，当干燥粉末喂入造粒机的速度降低时，DCP配方制成的粒子的BFE显著增加。 其它数据表明，可以通过降低喂入速率，以更低的含水率得到相同BFE的粒子。如，含水15%、螺杆速度约为 18kg/小时的粒子的特性与含水25%、喂入速度为25kg/小时的粒子相近。结合APAP配混料的研究，结果显示，可以通过加工条件的不同组合来得到具有相同特性的特定粉体。 表1列出了，生产具有不同属性的两组粒子所采用的不同工艺参数。条件1和条件2获得的潮湿颗粒的BFE值约为2200mJ，而条件3和条件4获得的BFE值约为3200mJ。 在下列加工工艺，包括干燥、研磨、润滑等阶段的每一步都测量了粒子的BFE，以改善加工性能。本研究中所采用的流动助剂是硬脂酸镁。在所有这些阶段，不同组的相对BFE值保持不变，第3、4组的BFE值一直高于1、2。 图4模拟了加工过程每一阶段的粒子流动特性。条件3和4显示，干燥后的BFE值有所上升，因为，与条件1和2状态下的粒子相比，条件3和4状态下的粒子相对尺寸大、密度高、机械强度高。 研磨后，尽管粒子密度、形状和韧度差异依然存在，但尺寸更为接近。这也使得BFE的观察结果显得有理可据。这些差别在润滑后保持不变，状态1、2和3、4之间的差别明显。 这些结果清楚表明，可以在各种不同的加工条件下，加工出用BFE衡量的、具有特定流动特性的粒子。这些测试显示，BFE值可用于湿法造粒加工产品和工艺的开发， 但同时也会产生问题，即BFE值是否可以进一步用以预测压片机内的粒子行为，以及，更重要的是，BFE是否可以与片剂关键品质属性直接相关。在粒子动态特性与片剂质量之间建立相关性 采用相同的工艺参数，在压片机中对四批潮湿粒子进行了干燥、研磨、润滑。然后测量了片剂的硬度。图5 为片剂硬度与不同阶段粒子流动性的关系。 结果显示，BFE和片剂的硬度与湿态和干燥的粒子有关，而且与它们的变化极其有关。与潮湿粒子和润滑粒子有关是比较容易理解的。尽管两者的相关性不如它与干燥、研磨过的粒子来得明显。所观察到的润滑过的粒子之间差异性和相关性差应归因于硬脂酸镁的整体影响。 这个数据综合反映了粒子在不同加工阶段的流动性（用BFE进行表征）与最终粒子关键质量属性（此处指硬度）之间存在的直接关系。这意味着，一旦特定的BFE与更理想的片剂硬度相关，就可用于推动对湿法造粒工艺进行的优化。结果表明，假如潮湿粒子能够获得目标BFE，最终以硬度衡量的片剂质量就可得到保障。这为提高产品和工艺开发效率，并且，不管是分批还是连续造粒工艺，都能获得更好的工艺控制路径，创造了机会。面向未来今天，采用传统的批次加工方法依然占支配地位，但业内很多人预期，未来大量的产品会采用连续加工。本文中，富瑞曼科技和基伊埃集团共同为将这一理想变成现实向前迈进了一大步。文章揭示了通过采用不同的工艺条件，有望获得特定的片剂属性，并且指出，动态粉末特性如流动性与最终产品的特性直接相关。 本文最初于2014年3月刊登于《医药制造》杂志。结束 图 图1：FT4粉末流变仪?的基本工作原理。测量刀片（或叶片）在穿过样本时遭遇的阻力，量化所测量粒子或粉末松体的流动特性。图2：为APAP配方制备的粒子的BEF随着含水量的增加以及螺杆速度的下降而增加。图3：为DCP配方制备的粒子的BFE随着喂入速率的下降而显著上升。图4：在造粒的不同阶段BFE变化明显，但不同组的粒子之间会存在明显差异。Figure 5: A strong correlation is found between the BFE of the granules and final tablet hardness图5：粒子BFE和最终片剂硬度之间存在很强的关联度Table 1: Four different processing conditions used to make two distinct groups of granules表1：两组明显不同的粒子采用的4种不同加工条件

水下原位微塑料检测系统的研发对于评估海洋微塑料污染状况具有重要意义。然而，由于在水下环境中难以实现连续、原位的微塑料采样富集和鉴定分析，微塑料的水下原位检测仍然是一项技术挑战。近期，中国海洋大学郭金家教授团队对相关技术进行了深入研究。该研究基于显微拉曼光谱技术首次研制了一种新型水下原位微塑料检测系统，并通过海上实验对其性能进行了评估。海试过程中，系统成功获取到了不同悬浮物的显微图像和拉曼光谱，实现了海水中微藻、PP微塑料颗粒、有机物、沙粒等不同种类悬浮物的准确识别。相关成果以“A new underwater in-situ microplastics detection system based on micro-Raman spectroscopy: development and sea trials”为题发表在Measurement期刊。本研究得到了崂山实验室（LSKJ202203500）、国家重点研发计划（2022YFC2803800）、国家自然科学基金（62205170和42206194）的资助。近年来，海洋环境中微塑料污染问题日益凸显，对水生生态系统、海洋生物和人类健康带来了严重威胁。因此，深入调查和全面评估海洋微塑料污染状况显得尤为迫切和必要。当前，海洋微塑料的分析通常需要通过拖网、泵抽等方法进行样品采集，然后将样品转移至船上或实验室后进行鉴定，这一分析流程复杂且耗时。与其他鉴定方法（如目视分析法、傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜-能谱仪联用法、质谱法等）相比，拉曼光谱因其受水分干扰较小的特点在检测水中微塑料方面具有明显优势。然而，商业化的拉曼光谱仪对检测环境的稳定性要求极高且价格昂贵，这在一定程度上限制了其在现场和原位检测水中微塑料的应用。因此，亟需开发一种适用于海洋微塑料研究的水下原位检测系统，以应对海洋环境微塑料污染的挑战。综上所述，水下原位微塑料检测系统具有为海洋微塑料污染调查研究提供新型有力工具的潜力，为海洋微塑料污染监测提供技术支持。然而，目前尚未有关于此类传感器的报道。针对水下原位显微拉曼微塑料检测系统的研发需求，团队采用步进电机驱动滤网翻转的巧妙设计，克服了水下环境中微塑料连续采样富集和滤网清洁的技术难点，提高了系统的长时间水下工作能力。另外，显微成像和拉曼光谱的结合可以同时表征微塑料颗粒的形貌信息和组分信息。这是水下原位微塑料检测的首次尝试。综上所述，所报道技术可为该领域传感器的研究提供重要参考，为海洋微塑料污染调查研究提供了一种新的技术手段。

根据来自中国大洋第75航次消息，由中国科学院沈阳自动化研究所联合北京先驱高技术开发有限责任公司等单位研制的矿址近底自主光学精细调查测量系统“洞察”号自主水下机器人，近日在西太平洋先驱多金属结核矿区完成了海试。 　　“洞察”号自主水下机器人作为大洋深海资源光学调查专用的高技术无人化装备，具有体积小、重量轻、续航力强等特点。科研团队采用复合材料与高强度钛合金融合的一体化轻质耐压结构设计技术，实现了长续航、轻量化设计目标；采用深海自适应浮力均衡技术，实现了不同工作深度高效航行与近底稳定运动能力。“洞察”号最大工作深度为6000米，空气中重量约600公斤，主要搭载深海照相机等，可长距离执行矿址近底光学精细调查测量任务。 　　本次海试，“洞察”号开展了8天共6个潜次的试验任务，先后完成了3000米、5000米潜深测试和近海底矿床光学调查作业试验。试验中，“洞察”号最大工作水深超过5100米，获得了多金属结核矿区近底高清照片，验证了“洞察”号系统功能。 　　“洞察”号有望大幅度提高深海资源评估调查效率，具有广阔的应用前景。科研团队将在本次海试基础上进一步完善升级，尽快开展矿区实际调查应用。