單光子激光雷達(dá)徹底改變了航空業(yè)

單光子激光雷達(dá)（SPL）是一項(xiàng)尖端遙感技術(shù)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

與需要多個(gè)光子探測(cè)單個(gè)點(diǎn)的傳統(tǒng)激光雷達(dá)系統(tǒng)不同，SPL 可以探測(cè)單個(gè)光子，從而以更高的效率和更低的功率水平提供大面積高分辨率數(shù)據(jù)。這一進(jìn)步對(duì)于航空等領(lǐng)域具有革命性意義，因?yàn)榭焖贉?zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集對(duì)于測(cè)繪、障礙物檢測(cè)和自主導(dǎo)航任務(wù)至關(guān)重要。

單光子激光雷達(dá)的演進(jìn)

對(duì)更高效、更精準(zhǔn)的遙感技術(shù)的需求推動(dòng)了 SPL 的發(fā)展。傳統(tǒng)的 LiDAR 系統(tǒng)雖然有效，但往往受限于對(duì)更高功率的需求，以及在低光照條件下或穿過茂密植被時(shí)性能不佳。SPL 通過使用單光子探測(cè)來提高靈敏度和探測(cè)范圍，從而克服了這些限制。

21 世紀(jì)初，蓋革模式雪崩光電二極管 (GmAPD) 的引入是一個(gè)重要的里程碑，它實(shí)現(xiàn)了高時(shí)間分辨率的單光子探測(cè)。隨著時(shí)間的推移，激光源、探測(cè)器陣列和數(shù)據(jù)處理算法的進(jìn)步使其得到了進(jìn)一步完善。到 2020 年，SPL 系統(tǒng)變得更加緊湊、堅(jiān)固耐用，并且能夠在更高的海拔和各種環(huán)境條件下捕獲高分辨率數(shù)據(jù)。

SPL技術(shù)原理

SPL 通過檢測(cè)從目標(biāo)表面反射的單個(gè)光子來工作。以下是 SPL 系統(tǒng)的主要組件：

· 激光源： SPL 系統(tǒng)使用短波長(zhǎng)激光，例如近紅外范圍內(nèi)的激光，可有效穿透樹葉并實(shí)現(xiàn)高分辨率表面測(cè)繪。

· 單光子探測(cè)器： GmAPD 因其高靈敏度和高精度的單光子探測(cè)能力而廣為使用。這類探測(cè)器采用蓋革模式工作，探測(cè)到光子后會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電脈沖。

· 計(jì)時(shí)電子器件：該系統(tǒng)以極高的精度測(cè)量光子的飛行時(shí)間（TOF），通常達(dá)到皮秒級(jí)。這種高時(shí)間分辨率對(duì)于生成精確的3D地圖至關(guān)重要。

激光器向目標(biāo)發(fā)射光脈沖，單光子探測(cè)器捕獲反射的光子。光子返回所需的時(shí)間被高精度測(cè)量，從而計(jì)算出與目標(biāo)的距離。這些 組件的組合使 SPL 即使在弱光或茂密植被等具有挑戰(zhàn)性的條件下也能生成高度詳細(xì)和精確的地形圖。

SPL在航空中的應(yīng)用

在航空領(lǐng)域，SPL 正在改變地形測(cè)繪的方式。它能夠快速準(zhǔn)確地提供大面積區(qū)域的高精度高程數(shù)據(jù)。配備 SPL 系統(tǒng)的飛機(jī)可以對(duì)廣闊的地形進(jìn)行精細(xì)勘測(cè)，包括森林、城區(qū)和山區(qū)。這對(duì)于創(chuàng)建詳細(xì)的數(shù)字高程模型 (DEM) 至關(guān)重要，而 DEM 對(duì)于洪水建模、森林管理和城市規(guī)劃等各種應(yīng)用至關(guān)重要。

探測(cè)障礙物對(duì)于載人和無人機(jī)的安全導(dǎo)航至關(guān)重要。SPL 的高分辨率數(shù)據(jù)能夠精確識(shí)別和繪制潛在障礙物，例如樹木、建筑物和電線。這對(duì)于低空飛行和著陸進(jìn)近尤其重要，因?yàn)闇?zhǔn)確的地形和障礙物信息對(duì)于避免碰撞至關(guān)重要。

SPL 也用于飛機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)，能夠?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)觀察和分析。這包括監(jiān)測(cè)森林健康狀況、測(cè)量生物量以及追蹤土地利用變化。穿透樹冠并提供詳細(xì)的地面高程數(shù)據(jù)，對(duì)于生態(tài)研究和保護(hù)工作尤其有用。

災(zāi)害響應(yīng)和管理是 SPL 能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用的其他領(lǐng)域。地震、洪水和山體滑坡等自然災(zāi)害發(fā)生后，配備 SPL 的飛機(jī)可以快速勘測(cè)受災(zāi)區(qū)域，并繪制詳細(xì)的 3D 地圖。這些地圖有助于救援人員評(píng)估損失、確定安全路線并有效規(guī)劃救援行動(dòng)。SPL 提供的高分辨率和快速數(shù)據(jù)采集能力在時(shí)間緊迫的情況下尤為重要；它們有助于更快、更有效地做出決策，從而減輕災(zāi)害影響并挽救生命。

隨著航空業(yè)邁向更高程度的自動(dòng)化，SPL 在實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航系統(tǒng)方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。SPL 創(chuàng)建的高分辨率 3D 地圖提供了自動(dòng)駕駛飛機(jī)安全導(dǎo)航所需的詳細(xì)環(huán)境數(shù)據(jù)。這包括識(shí)別和規(guī)避障礙物、規(guī)劃高效的飛行路徑以及在復(fù)雜環(huán)境中自主著陸。

當(dāng)前的挑戰(zhàn)

SPL技術(shù)雖然優(yōu)勢(shì)眾多，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)和考量，必須妥善處理才能優(yōu)化其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。其中一個(gè)主要問題是信號(hào)噪聲和干擾，它們會(huì)影響光子探測(cè)的準(zhǔn)確性。為了最大限度地減少這些問題，可以使用濾光片阻擋不需要的光線，并優(yōu)化激光脈沖的時(shí)序。

另一個(gè)重大挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)處理和管理。SPL 系統(tǒng)生成的海量數(shù)據(jù)需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和管理能力。高效的算法對(duì)于處理這些數(shù)據(jù)并提取有意義的洞察至關(guān)重要。確保數(shù)據(jù)的安全性和完整性也至關(guān)重要，尤其是在涉及敏感信息時(shí)。

SPL系統(tǒng)還必須在各種環(huán)境和運(yùn)行條件下有效運(yùn)行，包括不同的天氣模式、海拔高度和地形類型。大氣吸收和散射等因素會(huì)影響SPL測(cè)量的精度和范圍。

在航空領(lǐng)域部署 SPL 時(shí)，監(jiān)管和安全問題也至關(guān)重要。遵守航空法規(guī)、激光安全標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)隱私法對(duì)于安全有效地部署至關(guān)重要。此外 ，SPL 系統(tǒng)不得干擾其他飛機(jī)系統(tǒng)或?qū)θ藛T造成傷害。

SPL系統(tǒng)的成本和可及性仍然是主要問題。盡管技術(shù)進(jìn)步降低了SPL系統(tǒng)的成本，但它們?nèi)匀皇且豁?xiàng)巨大的投資。平衡部署成本與收益是一項(xiàng)持續(xù)的挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于規(guī)模較小的組織或資金較少的研究項(xiàng)目而言。

SPL 技術(shù)的最新突破

近期研究表明，SPL 在航空領(lǐng)域的應(yīng)用和能力日益增強(qiáng)。SPIE 最近的一篇文章強(qiáng)調(diào)了將 SPL 與無人機(jī) (UAV) 集成以實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)航空勘測(cè)的有效性。這種集成對(duì)于勘測(cè)難以進(jìn)入或危險(xiǎn)區(qū)域尤其有用，能夠快速準(zhǔn)確地提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這對(duì)于災(zāi)害響應(yīng)和管理至關(guān)重要。

《遙感》雜志發(fā)表的另一項(xiàng)研究表明，將 SPL 與先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合可以最大限度地降低 LiDAR 數(shù)據(jù)中的噪聲水平。通過在大型數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練算法，研究人員對(duì) LiDAR 數(shù)據(jù)進(jìn)行了多階段去噪，從而生成了更清晰、更可靠的 3D 地圖。這種集成實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)處理和分析，使 SPL 在動(dòng)態(tài)和具有挑戰(zhàn)性的條件下更有效地發(fā)揮作用。

前景

SPL 在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，目前正在進(jìn)行的研發(fā)旨在進(jìn)一步增強(qiáng)其性能和應(yīng)用。重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域包括小型化和集成化、增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力、提升射程和穿透力以及協(xié)同傳感。

此外，目前正在努力將SPL系統(tǒng)小型化，以便更容易地集成到小型飛機(jī)和無人機(jī)中。這將擴(kuò)大可使用SPL的平臺(tái)范圍，使其適用于更廣泛的任務(wù)和應(yīng)用。

研究還側(cè)重于開發(fā)具有更大射程和穿透能力的SPL系統(tǒng)。這包括提高激光功率和探測(cè)器靈敏度，以便在茂密植被和多樣化環(huán)境條件下更有效地收集數(shù)據(jù)。

總而言之，SPL代表了遙感技術(shù)的重大進(jìn)步。它提供了無與倫比的分辨率、精度和數(shù)據(jù)收集效率。它在航空領(lǐng)域的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋地形測(cè)繪、障礙物檢測(cè)、自主導(dǎo)航和環(huán)境監(jiān)測(cè)。

最近的研究強(qiáng)調(diào)了SPL的持續(xù)改進(jìn)和功能擴(kuò)展，為其更廣泛地應(yīng)用和集成到各種航空平臺(tái)鋪平了道路。隨著研究的深入，SPL在航空領(lǐng)域的應(yīng)用前景光明，并有可能對(duì)航空業(yè)及其他領(lǐng)域產(chǎn)生更大的影響。