雷达技术范文

导语：如何才能写好一篇雷达技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：MIMO；雷达；空间分集；成像

MIMO作为一种新兴体制的雷达，在跟踪、目标定位、参数估计和目标检测等方面具有比传统雷达更高的优势，所以其已经逐渐成为雷达技术领域的研究热点。下面就MIMO雷达技术及其应用方面的内容进行了探究，以期更好地指导后续相关方面的研究和应用的开展。

1 MIMO雷达概述

1.1 MIMO雷达的含义

MIMO雷达又被称为多输入多输出系统，其最初主要只是作为控制系统中的一个概念被提出，而在雷达领域中则指代相应的雷达系统具有多个输出和输入。如果将相应的通信传输通道比作一个完整的系统，则相应的系统通信信道的输入信号和输出信号则就相应的指射信号和接收信号。另外，MIMO雷达在探测目标的时候可以借助多个正交信号，并且所有的发射信号均可以由接收端的各个阵元来进行接收，同时也可以需要采取滤波组来尽量获得更可能多的多路回波从而额可以大大提高观测通道的数目和雷达的整体性能。

1.2 MIMO雷达的工作原理

MIMO雷达可以在多阵元天线结构的基础上实现正交信号的同时发射，并且可以做到M发N收，即MIMO雷达可以借助N个接收阵元来接收相应的多个波形信号。鉴于不同信号之间的正交特性，所以即便是多个发射信号也不会出现相互干扰的问题，可以始终保持独立性，同时这样也可以使相应的发射和接收物理空间保持MN个通道，且每个特定的通道均与一个发射阵元及其对应的接收路径和收发阵元的位置和所接受。另外，接收端的各个接收阵元会配有M个发射波形来匹配对应的M个滤波器，接着通过分选正交性就可以获得相应的MN通道回波数据。

另外，每个发射阵元的发射信号均会被相应的接收阵元所接受，而每个接收阵元又会接收相应发射阵元所发出的各种信号。从而可以实现接发信号的目的。MIMO雷达所发射相应的正交信号无法在空间中形成特定的波束，从而导致发射波束主瓣的增益变为原来的M倍，而每个子阵发射功率则会变为原来的1/M，进而会大大提高雷达抗信号截获性能。

2 MIMO雷达技术分析

2.1 空间分集技术

实践研究表明，在MIMO雷达技术中引入空间分集技术可以借助目标闪烁来提高雷达的整体性能，并且该种形式的雷达可以划分到分布式MIMO雷达范畴。而就空间分集技术的必要条件而言，其主要包括以下几个方面。图1为雷达双基地工作场景，其借助散射中心模型来作为其目标，且包含Q个散射中心。与传统雷达技术相比，MIMO雷达技术可以引入大量的物理阵元数目的处理自由度和观测通道，从而可以大大改善和提高雷达系统的整体性能，这是当前雷达系统性能改善中值得深入研究的一种技术途径。图1中假设目标散射的中心线主要呈现均匀性，且该目标中心与雷达发射和接收阵之间的间隔距离分别为Rt和ARr，且发射阵列和接收阵列分别为均匀线阵，而其间隔分别为d1和d2，然后根据相应的阵元目标线阵即可确定相应的空间接收分集需要满足的条件为：dr≥λRr/D。

实践研究表明，在MIMO雷达中应用空间分集技术可以相互统计多个独立的通道，这样也可以降低雷达信号衰落的概率，进而还可以借助平均处理方式来抑制目标的角闪烁，进而达到提高雷达侦测目标的检测性能。另外，在MIMO雷达中应用空间分集技术有利于提高MIMO雷达的抗摧毁、抗反辐射导弹以及反隐身等能力。

2.2 虚拟阵元技术

在MIMO雷达技术中引入紧凑阵列的密集式技术，是雷达技术的一个重要发展方向。密集式MIMO雷达技术没有充分利用空间分集，但是在虚拟阵元技术的应用中有许多潜在的应用特点。由于MIMO雷达系统的M发N收方式主要包括MN个观测通道，且相应的观测通道中的传输路径主要由发射阵元和接收阵元所组成，而各个通道的延迟时间以及发射波形的MN个观测通道匹配滤波时间的延矢量也可以也可以通过相应的公式来进行计算。

另外，虚拟阵元技术在MIMO雷达中的应用也大大提高了雷达的整体性能，具体主要表现在以下几个方面：虚拟阵元有利于拓展原物理接收阵列的孔径长度，可以获得更窄的波束方向图，进而达到提高阵列的空间分辨率的目的；为了产生更低的旁瓣，虚拟阵元还可以重叠相应的物力阵元，并以加权的形式来加以实现；如果物力阵元阵列的间隔大于半波长度，则需要内插到相应的物理接收阵列中，从而可以无模糊地来进行角度测量；可以增加目标的最大可辨识数目和物理接收阵列的自由度。由此可见，在MIMO雷达系统中应用虚拟阵元技术有利于改善和提高雷达的性能。

3 MIMO雷达的具体应用

3.1 MIMO阵列对空成像雷达

实孔径雷达和逆合成孔径雷达（ISAR）是当前应用对空成像技术的两种雷达类型。其中实孔经技术则是借助单发多收的方式来实现阵列成像，该技术不需要对目标进行运动补偿，且具有实时成像的优点，但是同时也有实际的阵列规模比较大，且造价比较高等缺点；而逆合成孔径雷达（ISAR）成像过程需要一定的时间来积累，且实时性比较差，所以为了弥补目标的运动缺失，需要确定非合作高速机动目标的运动性状态。而MIMO阵列在上述两种雷达重点额应用则可以有效地解决上述的问题，提高教学的质量。虚拟阵元技术在MIMO雷达中的应用，有利于扩展实际物理接收阵列孔径的长度，所以必须要采用合理的天线布阵来扩大阵列孔径等特点，以提高分辨对空成像的特点。鉴于MIMO雷达的并行多通道空间采样能力，有利于充分发挥对空成像在MIMO阵列中的实时性优势。

另外，MIMO雷达技术本身是一种实时阵列有效性很强的合成技术，所以为了更好地运用对空成像技术，可以将实孔经雷达与MIMO雷达技术进行有效地结合以形成MIMO阵列成像雷达，并且这种新形式的成像技术有利于避免传统逆合成孔径雷达中所存在的运动补偿困难等问题，并且也可以有效地解决实孔经雷达成像中存在的分辨能力低的问题，所以具有较高的学术价值。

3.2 MIMO-SAR

MIMO-SAR实际上就是将MIMO雷达技术和SAR系统进行结合的一种复合雷达形式，其可以有效地解决传统SAR中脉冲重复频率在满足大测绘和方位向高分辨率之间的矛盾。在对地观测中，为了确保方位观测的高分辨性，需要尽量扩大SAR系统观测带的宽度，但是实际上这两个方面是对立的，不可兼得，即大测绘观测带如果比较低，则可以避免距离向的模糊问题，而如果方位向高分辨的要求比较高，则可以避免多普勒模糊问题的出现。而MIMO技术在SAR系统中的应用也可以以比较低的PRF来达到避免方位向多普勒模糊问题的出现。由于MIMO雷达具有并行多通道空间采样能力，而MIMOSAR的一次脉冲就能够得到MN路方位向空间采样数据，而如果这些数据通道的方位向存在不重叠分布问题，则可以使脉冲重复频率降低到原有SAR系统的1/MN，进而达到提高MIMOSAR整体性能的目的。

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关键词：地质雷达技术；隧道地质；应用

Abstract: the tunnel construction process, because the underground rock, hydrology geology condition is not clear, some accidents often happen. Occurrence ofaccidents such as collapse, sudden inrush of water, not only caused serious casualties, but also cause delays,and equipment damage. The construction of tunnel withdifficulty. Also reduces the economic benefits of tunnel construction. Therefore, advanced prediction in tunnel construction is very important. The tunnel constructionschedule, safety, quality, investment is very important.Geological radar detection technology in tunnelconstruction to provide useful information, unsafe factors decreased tunnel in the construction process, the key factors are safe and rapid construction of the tunnel.

Keywords: geological radar technology of tunnel geological; application;

中图分类号： P412.25 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2013）

前言

隧道超前预测现在越来越受到修建隧道工程实施的关注，其重要原因是隧道修建过程中安全问题越来越受到关注。但隧道地质超前最重要的应用技术是地质雷达技术。地质雷达技术对隧道超前预测非常重要。故我们此篇文章重要讨论其应用。

超前地质预报工作的目的及任务

1.1目的

为隧道的修建提供有用的资料，减少隧道修建过程中的不安全因素，使隧道能安全经济并且快速的修建成功。

1.2任务

1.2.1对没有修建的地段进行围岩地质条件的探测

对未修建的但是将要修建的地段，我们探测的内容有：是否有地下水的存在，溶岩溶洞是否发育，岩性变化的情况，是否存在断层和发育有破碎带等。

1.2.2预报有可能会发生的灾难性突发状况

例如在地下储藏有害气体的大量溢出。由于岩土的不稳定导致的塌方。地下储藏有地下水。这些都会对隧道施工造成严重后果。要通过雷达技术分析判断，避免事故发生。

2.地质雷达进行超前预报的基本理论

地质雷达技术在隧道超前预测中至关重要，但是其原理却是非常简单，即就是物理中的电磁波反射原理。电磁波在岩体岩土介质中传播，由发射天线发出一束电磁波脉冲。电磁波在地下传播，由于波有反射性质，当传播的电磁波遇到物质时，即就是介质，会在物质与物质的分界面发生电磁波反射。反射的波会被接收天线所接收，由接收天线处理。

3.地质雷达的探测方法和步骤

3.1准备工作

由于地质雷达技术的原理是电磁波反射原理，所以所有能干扰电磁波的物件，都会对探测造成一定影响。我们在应用电磁波的时候首先排除地面干扰电磁波的物体。例如一些有磁性的物体或者是金属。

3.2测线布置

测线的布置应该是越密越精确，但是有些时候由于地质条件有些点测不出。一般情况下我们布置测线是按照‘十’字形布置。但有时我们也按照‘井’字形布置。在有些崎岖不平的地方一般是一个点一个点的探测，点数一般为5到12个。两点间的距离一般为0.5到1米。

3.3数据采集及处理

为了使数据更加精确，明确介质条件，都要对原始的雷达波进行一系列处理。对平均道的抽取。对时间要静校正、增益。压制干扰波，突出有效波。

3.4数据分析与解释

地质超前预测是应用雷达技术来探测未施工地段的岩体情况，做到防患于未然。这里所谓的“防患”就得根据雷达探测的数据资料来分析隧道可能发生的事故。数据资料在雷达技术上用图像显示出来。所以我们根据雷达显示的图像异常的形态，特征，还有电磁波的衰弱情况来分析我们看不到的岩体的性质以及地质特征。若是存在特殊异常体，则电磁波反射信号强。若是岩体质量差则反映在雷达上电磁波衰弱，这是根据岩石对电磁波的吸收性来决定的。掌子面跟未施工地段的地下特征差异越大，反射波则能量则越强。可以根据这些异常做出有用的地质解释。

4.地质雷达在隧道超前预报中的应用

4.1对不利于施工的地质体的探测

溶洞带，含水带，富有裂隙带，断层以及破裂带，岩土疏松带。这些地质岩体带不利于施工，更不利于隧道的修建，我们要利用地质雷达技术，结合掌子面的附近地质水文，地质工程情况将这些不利于施工的地质带的位置基本上确定。确定这些不良地质带后，根据具体情况下做出不同的施工方案，以此避免在施工过程中发生意外。

4.2探测未知岩溶

喀斯特是岩溶的另一个地貌名称,指的是一些可溶性岩石收到水中化学物质的溶蚀，水的物理冲刷作用，所形成的具有一定空间的沟，槽，和一些空洞。岩溶发育的必不可少的条件是可溶性岩石，例如碳酸盐岩，含有化学成分的可流通的水等。下渗的地表水以及流动的地下水，对溶岩非常重要。岩溶与围岩性质差异很大，所以其地质雷达图像很容易判断其异常。在溶洞内大量充填围岩碎块，水，空气，上覆岩石，这些充填物与称为“槽”的可溶性岩石之间的物质差异很大。由于介质的多样性，以及物质的差异性，而在溶岩中形成电性界面。我们只要探测出这个电性界面就探测出了岩溶的位置。同样，由于介质的多样性，电磁波的反射波图像随着溶岩溶洞的具体情况而发生相应的变化一般情况是在横向上变化。

若存在强反射包围弱反射，则说明可能是溶洞存在的雷达图像。强反射是溶洞侧壁反射的，并且常常有弧形的绕射现象。溶洞内的物质为填充物，填充物的反射为弱反射，具有高频，低幅，波形密集的特征。但是，如果填充物为水，局部的波可变强。

4.3富水带探测

含有大量水的岩体区域，如果没有被预测出来，在隧道施工过程中将会释放出大量的水，这将影响隧道的施工进程和施工安全。

如果岩体中含有水，则会影响岩体岩石介质的介电常数，从而影响反射波的波形，传播时间等。具体是，岩石中含水时，岩石的介电常数增大，在介质中具体表现为电磁波的传播速率降低，时间变长，在反射波形图像中则可能出现的是异常的正峰。另一方面，还产生强反射和绕射现象。还会由于出现散射现象而使波形紊乱。不仅如此，频率也发生变化，由高频迅速的变为低频。

4.4探测断层破碎带

断层破碎带由于存在裂隙，这是由外来物质充填到裂隙中，外来物质和原岩性质差异大，所以介质常数差异也大。同时在裂隙中也可能有大量的水充填，这也影响介质常数，裂隙中地下水的存在，使得断层附近以及破碎带附近稳定性差。破碎带空隙多，所以含水多。电磁波在穿过破碎带时，由于破碎带的胶结情况不同岩石性质不同，而使得波形比较乱。具体表现在地质雷达的图像中则表现为：频率变化，偶尔出现断面波，地层发育有反射波，错短的同相轴，振幅能量明显增强，有时有绕射波。破碎带两侧的物质差异构造差异，使得具有波阻抗差异。由于这些波阻抗差异，使得电磁波在通过界面时电磁波的电磁能能量增强同时波幅增大。

4.5裂隙密集带的探测

断裂的两岩体，它们没有发生明显的错动，即就是节理，也称之为裂隙。裂隙的发育对岩体的稳定性有很大的影响。对岩体的强度也有很重要的作用。由于裂隙中可充填不同物质，导致介质常数不同，与周围围岩形成电性差异。当电磁波传播到裂隙时，会产生较强的界面反射波。由于裂隙内充填的物质具有不均一性，直接表现在雷达图像中就是，会有散射、绕射、波形杂乱等特征，波幅变化大。同相轴连续，反映了裂面的平直。

小结

虽然地质雷达技术是目前一种既方便又快捷而且还精确的探测技术，但是地质雷达所得到的资料有时候具有多解性，我们在对探测地区进行分析的时候，最好将地质雷达探测资料与掌子面的地质情况性质相结合，得到更加全面更加有效更加精确的结果。

参考文献：

[1]刘志刚. 隧道隧洞施工地质技术[M ]. 北京:中国铁道出版社, 2001.

[2]赵永贵,刘浩,孙宇等.隧道地质超前预报研究进展[J ].地球物理学进展,2003 , 18 (3) : 460～464.

[3]范占峰，李天斌，孟陆波，等．地质雷达在公路隧道中的应用【J]．公路，2OLO(2)：209-213．

[4]韩振中，张文连．地质雷达在隧道检测中的波形识别及应用【J】．桥隧机械施工技术，2007(12)：66—68．

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【摘要】激光雷达是当前应用广泛的一种现代光学遥感设备，是传统雷达技术和现代激光技术结合后的产物，在大气环境监测中有重要的作用。本文以激光雷达的特点为基础，对如何将其应用到大气环境监测中进行分析。

【关键词】大气环境监测；激光雷达技术；应用要点

激光雷达是集激光技术、光学技术和微弱信号解析技术于一体的一种现代化遥感手段，激光雷达由于探测的波长缩短，波束定向性增强，因此本身具有比较高的分辨率和灵敏度，能准确探测盲区。激光雷达技术形式能实现对大气环境、海洋和陆地等探测，在各个领域中有重要的作用。

1激光雷达的特点、分类和发展

大气环境中污染物成分的监测，需要对气象因素进行掌握，探测大气成分。激光雷达能探测气溶胶、云粒子的具体分布，同时能进行大气成分、污染环境气体的探测等，对主要污染源、城市上空污染物的扩散等进行有效管理。

1.1激光雷达特点

激光雷达对技术性有严格的要求，涉及到激光光源、激光发射和接收光学以及机械系统等，必须合理应用脉冲技术，实现连续工作。激光雷达采用脉冲或者连续波两种工作形式，探测方式也分为直接探测和外部探测等，通过发射一定频率的激光脉冲，能将短激光脉冲发射到大气层，沿着轨迹可以发现，光逐渐被小粒子散射开。反向散射到激光雷达系统中，被监测器接受，接受信号后，对数据处理，得到最终结果。由于光的等速性、时间和散射器等和距离有关，沿着空间信息被检测后，接受空气中的粒子和分子后，能实现信号的移动，其本身具有比较高的分辨能力和抗干扰能力。

1.2激光雷达分类

随着科学技术的不断发展，激光雷达的类型有很多。在大气污染和环境监测过程中，地基固定式和车载激光雷达的呈现出网格化的趋势，机载激光雷达在发达国家应用效果比较明显，很多空间激光雷达执行范围扩大。测量对象以SO2、NOx和O3等为主，在探测过程中以高灵敏度为主，考虑到吸收形式和米氏后向散射法的具体要求，激光器发展则以半导形式为主，激光器的发展趋势是采用半导体激光器泵浦的全固化激光器。

1.3激光雷达技术的发展

近几年我国激光雷达技术取得突出的进步，我国中科院大气物理所研制出第一台激光雷达，同时附带能见度比较高的YAG雷达。中科院武汉物理与数学研究的激光雷达，钠层荧光激光雷达和拉曼散射激光雷达应用优势比较明显。中科院安徽光机所的激光雷达技术研究取得了突出的成就，已先后研制成功我国第一台测污激光雷达即监测乙烯的JC-1激光雷达、平流层气溶胶探测L625激光雷达、可移动双波长对流层和近地层气溶胶探测L300激光雷达、我国第一台平流层臭氧探测UV-DIAL差分激光雷达，能实现大气环境属性的监测[1]。

2大气环境监测中激光雷达技术的具体应用

当前我国激光雷达技术在具体检测中起到重要的作用，在具体应用过程中建立了雷达观测站，激光雷达在国内发展趋势比较明显，如何将其应用到大气环境监测中成为重点。以下将对大气环境监测中激光雷达技术的具体应用进行分析。

2.1气溶胶和边界层的探测

在诸多大气环境影响因素中，气候是主导因素，云和气溶胶是两个重要但是不能确定的影响因子，气溶胶通过吸收和散射太阳辐射以及地球的长波辐射后对大气系统产生影响。云层对大气辐射平衡影响较大，对于系统本身而言，云不仅仅是指示器，同时也是调节器，云在气候变化中起到重要的作用，根据边界层的参数设定要求可知，如果准确确定高度和准确度是张洪点，在实施过程中要了解传输模式和污染物的系数。在各项指标确定的过程中，利用激光雷达能实现对云和气溶胶的处理，在实践过程采用Mie散射，包括共振荧光、偏振等，为了实现不同区域的探测，要对消光系数、后向散射系数等进行处理，了解结构特征，并对各类特征进行分析[2]。

2.2温度的探测

温度是一个重要的气象参量，大气温度对海洋、大气物理和天气预报等起到重要的作用，根据现有温度检测形式可知，充分利用高分辨率的激光雷达，能得到准确的数据。拉曼激光雷达也可以应用到温度探测中，该方案分为振动和转动两种，可以充分利用N2和O2分子，以转动谱线强度和温度关系测量为基础，可以采用双波长转动拉曼散射原理实现大气温度的探查[3]。

2.3能见度的监测

能见度的好坏直接反应区域大气环境的质量，同时和人们的日常生活存在一定的联系，尤其是海陆空交通容易受到制约。如果能见度比较低，则直接给人们带来诸多不良影响，因此探究大气环境质量，了解能见度是关键。在能见度监测过程中采用激光雷达技术，能直接探测激光和雷达的相互关系，根据大气能见度的具体要求可知，为了准确反应大气对传输的衰减作用，需要将其作为重要手段，按照能见度和倾斜程度进行评价。水平能见度在大气环境均匀的条件下可见度比较高，根据现有原理和消光系数要求可知，克服其他不良因素的影响，能满足具体要求[4]。

2.的探测

风速是气候学研究的重点所在，也是大气环境中污染物输送的重要参数，大气中风速的测量对全球气候有一定的积极影响，提升数值天气预报的精度是重点所在。在局部区域检查过程中，要了解技术要点和重点，实现直接检测。地基相干系统逐渐成熟，其整体上对发射激光有严格的要求，考虑到发射、接收光学系统等变化，要做好边界层的风速测量工作，非相干检测技术受到广泛的重视，根据边缘检测系统的具体要求可知，做好大风场的测量是关键。利用单边缘检测技术测量风速时，要了解气溶胶和分子散射点，兼顾到大气风速测量类型，为了提升风速实现灵敏度检测，必须合理应用检测技术[5]。

2.5大气成分的检测

大气成分的检测对制定环境保护方针有重要的作用，以差分吸收激光雷达系统为例，该系统形式利用激光被气体分子的吸收和被气溶胶、大气分子向后散射后，直接进行预设。该系统在大气成分测定中起到重要的作用，包括：水蒸气、臭氧和大气污染体等，以差分吸收激光雷达测量原理作为基础，要做好物质吸收线测量工作，另外波长调到线上，以高重复频率将这两种波长的光交替发射至大气中。此时由于激光雷达所测量到的这两种波长光信号衰减差是待测对象的吸收所致，因此通过数据分析，便可得到待测对象的浓度分布，从而达到测量目的。

2.6水汽探测

水汽在大气中含量比较少，是比较活跃的一种气体成分，是生成云和降雨必不可少的因子，对天气和气候等有重要的影响，同时也是大气污染物中气溶胶和二次污染物形成的重要影响因素。水汽在红外波段有很多吸收带，能吸收很多部分的太阳辐射能，使其成为平衡地气系统辐射收支的一个重要因素。水汽的重要因素和具体分布会产生一定的影响，利用Ranan光谱技术探测大气中水汽垂直分布情况，激光雷达探测水汽能力逐渐提升，在具体监测中起到重要的作用，根据空间和时间分辨率要求，严格按照测量精准度实施，根据结构和时间变化对技术进行处理。激光雷达在探测水汽的高度、空间和时间分辨率、测量精度上都得到了迅速发展，显示了它在捕获水汽的空间结构和随时间变化特征等方面具有优越的能力。

3结束语

近些年来我国激光雷达技术取得了突出的成就，朝着精细化和定量化的方向发展，为了保证技术应用的合理性，要突出技术的应用优势，严格按照检测要求落实，进而促进该技术在大气环境监测工作中的合理化应用。

参考文献

[1]吕国屏，廖承锐，高媛赟，徐雁南，李海东.激光雷达技术在矿山生态环境监测中的应用[J].生态与农村环境学报，2017（07）：577~585.

[2]伍德侠，宫正宇，潘本锋，王界，万学平.颗粒物激光雷达在大气复合污染立体监测中的应用[J].中国环境监测，2015，31（05）：156~162.

[3]尹青，何金海，张华.激光雷达在气象和大气环境监测中的应用[J].气象与环境学报，2009，25（05）：48~56.

[4]杨义彬.激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用[J].成都信息工程学院学报，2005（06）：725~727.

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1 引言：

隧道工程修建在山体中，因施工不善或受外界环境的影响，往往会出现各种病害，可能会出现衬砌表面开裂、衬砌背后空洞等病害，通常这些病害会影响隧道的正常使用，甚至于造财产损失和成人员伤亡。由于隧道工程是隐蔽性工程，因此需要一种有效、快速、无损的方法和手段进行检测[1]。本文结合具体应用实例介绍了地质雷达技术在隧道隐蔽工程中无损检测中的应用。

2 原理介绍

地质雷达（Ground Penetrating Radar, 简 称GPR） 作为一种无损检测技术 (Non- DestructiveDetection)，自上世纪 70 年代开始应用至今已有 30多年的历史，在工程各个领域都有重要的应用，主要解决场地勘查、线路选择、工程质量检测、病害诊断、地质超前预报和地质构造等问题。

地质雷达是利用高频电磁脉冲波的反射探测目的体及地质现象。其探测过程如下：地质雷达通过发射天线向地下发射高频电磁脉冲，此脉冲在向地下传播过程中遇到地下介质分界面时会产生反射[2]。反射波传播回地表后被接收天线所接收，并将其传入主机进行记录和显示，每一测点接收到一道雷达波形，一条测线上全部测点的雷达波形排列在一起，形成完整的雷达剖面，经过资料的后处理[3]，进行反演解释便可得到地下地层或目的体的位置、分布范围、埋深等。

图1隧道衬砌检测典型剖面图

3 隧道隐蔽工程检测的条件及仪器设备

(1) 地质雷达检测隧道的地球物理条件利用地质雷达技术检测隧道质量的项目主要包括:

①二次衬砌厚度检测;

②衬砌层与围岩之间的密实情况和是否存在危及隧道安全的空洞;

③衬砌层内钢拱架、钢筋( 网) 的分布情况等。隧道衬砌的混凝土、钢筋、空洞( 空气或水) 以及岩体之间存在明显的电性差异, 这导致雷达波在不同介质里的传播速度不同，这就为使用地质雷达技术检测隧道的上述项目提供了探测的前提条件。

( 2) 仪器设备

目前国内常见的投入野外生产的地质雷达, 主要有瑞典的 REMAC系列、美国的 SIR 系列、加拿大的 EKKO 系列等。这些不同型号的雷达, 其主要功能用途也不一样, 有的用于超前地质预报, 有的用于裂缝深度检测, 还有的用于公路厚度检测。从90年代末 开 始 , 我 们 先 后 使 用 国外先进地质雷达对公路、铁路、水利等各类隧道进行了大量的无损检测工作, 取得了很好的效果。这两种仪器均采用先进的硬件仪器及数字处理软件, 适用于各种型号的微机[4]。采集数据在天线端口即被数字化, 成为真正的数字信号采集系统，探测的深度范围可达 2.5m 左右, 完全可以满足隧道隐蔽工程质量无损检测的需要( 图 2，图3) 。

图2地质雷达检测衬砌厚度工作原理图

图3地质雷达检测空洞原理图

3.1 衬砌厚度检测

地质雷达检测技术采用了先进的连续透视扫描无损探测技术，探测精度比传统检测方法高，且又是连续扫描，可获得隧道探测的连续信号[5]。如图4是衬砌厚度示意图。从图中可以看到，由于衬砌是由混凝土组成，衬砌和围岩是由不同的物质材料构筑而成，不同介质有不同的结构特征，与混凝土相比，围岩内部结构较复杂，因而围岩中内反射波明显，混凝土内部反射波较少。内部反射波的高、低频率特征明显不同，这是区分不同物质界面的依据。

图4 衬砌厚度检测示意图

1.2钢筋数量检测

隧道衬砌结构所使用钢支撑及钢筋网均属于良性导体，当雷达波从介质入射到导体表面时，由于金属导体中电磁波速为零，不能传播。钢筋对于电磁波的能量几乎全部都反射回来，反射系数近乎为1，反射极强。应用高频天线探测，钢筋形成清晰的反射弧[6]，因此能够可靠地检测出钢筋数量。图4是钢筋数量检测示意图，从图中我们可以清晰的判断出钢筋的数量和位置。

图5钢筋数量检测示意图

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关键词：地质雷达；高速公路；软基加固

中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：

近年来，地质雷达技术在道路工程中的应用日趋广泛，得到人们的关注，国内外资料表明地质雷达很适用于路基结构检测。地质雷达系统在山区沟谷型软基加固效果探测中的应用原理与其在路基结构病害探测的原理基本相同，是通过软基加固处理以后，软土作为电磁波传播的介质体，由于其工程性质的变化而引起它本身的电特性的变化或者处理效果差异较大的两层软土电特性的差异比较大，在电磁波传播时会产生强烈的电磁波反射，通过对地质雷达图像进行分析解释，来确定软基处理加固的效果。

1工程概况

X高速公路施工项目某土建标段地处山间谷地，地势东高西低，呈窄带状，大部为农田，宽为 10m～50m，低洼沟谷地带一般覆盖 4~12 m 薄厚不均的粘土层，谷地地下水主要为孔隙潜水，长期饱水，软粘土呈液塑至软塑状，固结速度慢，地基承载力较低，一般 0.05~0.15 MPa。路线在该地带以路堤形式通过，路基填筑土由泥岩、砂岩块、碎石、角砾及粘土等组成，碎石粒径一般 60～200mm，填筑前一般先清除表层耕植土和淤泥,再分层填筑路堤，该路段一般利用塑料插板（固结排水）、土工格栅、反压护道等措施处理加固软基。

X高速公路某土建标段软基加固效果探测现场使用仪器是美国 GSSI 公司生产的 SIR-3000 型工程探地雷达系统，该系统是目前世界上较为先进的探地雷达系统，具有扫描快、低噪声、实时显示、携带方便等优点，既可连续探测，也可以点测，而且具有先进的滤波功能与信号放大功能。

2地质雷达探测方式与现场探测实施

2.1测量方法与参数选取

（1）测量方法

地质雷达在工程探测应用中，需要根据所要检测的目标体所处的环境和其特性进行了解和分析，从而选择合适的探测方式。地质雷达采用的是高频电磁波进行探测，其运动学规律与地震勘探方法类似。目前最常用的测量方法主要有三种：剖面法、透射法和宽角法。

（2）探测参数的选取

探测参数选择合适与否关系到测量的效果。探测参数主要包括天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射—接收天线间距。

2.2现场探测

① 测线布置

现场对X高速公路某土建标段填筑体进行了雷达探测，由于该场地填筑体是先填筑好中间段，后填筑好两端，故分两期对填筑体进行了地质雷达探测，其中中间段是重点检测地段。

测线布置见X高速公路某土建标段场地填筑体雷达探测测线布置图1：中间段纵向测线间距为 5m，横向测线间距为 10m，纵向测线有测线17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30 共 14 条测线，横向测线有测线 6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16 共 11 条。

图1X高速公路某土建标段场地填筑体雷达探测测线布置图

② 物探工程完成量

从测线布置和工作方法上看，部分地质雷达工作量见表1。

表1 地质雷达探测工程量

3数据处理与结果分析

地质雷达资料的解释过程就是通过对剖面图的分析解析，择取有用的地质信息。

3.1 反射层的拾取

一般情况下是从垂直方向的测线开始，然后逐条进行测量。最后拾取的反射层必须保证可以在全部测线中保持连接，并且在全部测线交点上保持相互一致性。

根据勘探钻孔对应的位置与地下反射层波组特征划分反射波组以后，需要依据反射波组的相似性与同相性进行地质层的对比与追踪。

3.2 时间剖面的解释

在对比勘探钻芯与雷达图像资料的基础上，充分利用时间剖面范围大和直观性的特点，纵观整条测线，研究重点反射波组的特征及其相互关系，掌握反射特征波组的地质构造特征，其别需要重点研究特征波组的同相轴变化

3.3 地质雷达探测图像解释

对X高速公路某土建标段场地填筑体进行的探地雷达 100MHz 频率探测获得的物探资料，经过资料的分析、处理、解释，得到各测线下回填情况信息如下：

中间段为重点详查段，纵横向测线间距较密，纵向间距 10m，横向间距 5m，100MHz 频率探测，探测最大深度 15m。通过对场地中间段纵向测线 14 条和横向测线 11 条雷达探测资料进行处理分析，如图 2。

图 2 雷达探测图像

3.4软基处理效果地质雷达探测结论

通过对 11 条横向测线和 18 条纵向测线雷达探测资料进行分析，在改场地中间段圈定出此段的阴影区域为回填欠密实相对较严重带，其它区域仅局部回填欠密实或轻微欠密实，如图 3。由于阴影区域存在回填欠密实现象，可能会引起填筑体的不均匀沉降，导致路面开裂，并可能由于不均匀沉降而引起天棚基础不稳造成大的危害事故。建议在圈定出的阴影区域采用压浆处理，特别要加强天棚基础下的压浆处理；为保证天棚基础稳固，圈定出的阴影区域外的天棚基础下也应适当做压浆处理。

图 3X高速公路某土建标段场地填筑体雷达探测回填欠密实异常区图

5结束语

利用地质雷达该场地进行探测，并且对地质雷达资料进行数据处理与分析，得出如下结论：

（1）利用地质雷达对X高速公路某土建标段场地软基处理后的25条测线的4815个测点进行探测，局部回填欠密实或轻微欠密实，可能会引起填筑体的不均匀沉降，导致路面开裂，并可能引发场地中间段基础的不均匀沉降。

（2）利用 SIR—3000 型地质雷达系统采用 100MHz 的频率天线的探测结果表明，利用地质雷达探测 15m 以内的软基密实度，其探测精度与分辨率均能满足要求。

参考文献

[1]龚晓南．地基处理技术发展与展望[M].北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社.2004

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关键词：LIDAR 电力 线路 测量 精度

中图分类号：P237 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（c）-0035-02

1 LIDAR技术简介

LIDAR（Light Detection and Ranging）技术是集激光测距（LRS，Laser Ranging System）、数字航空摄影、差分GPS、惯性导航系统（INS）等多种测量技术的新型测量系统。LIDAR技术可获取各种地表数据。它发射的激光能穿透地面的植被，在剔除地面植被及地物的数据后，就可以生成地表的数字高程模型（DEM）数据。利用DEM数据及通过差分GPS和INS得到的航空数码影像的外方位元素，对航空数码影像进行正射纠正，可以生成正射影像图。还可以对地面的地物、道路、植被等信息进行分类提取。LIDAR技术测量只需要做少量的地面控制点和少量的外业调绘工作。LIDAR技术不需要做航测外控点测量，只需在利用LIDAR技术进行测量时，在地面做少量的基站。LIDAR技术能获取地物、植被的数据，还可以直接提取所需要的交叉跨越（道路、河流、电力线、通信线等）、房屋、独立地物等信息。

2 LIDAR技术的特点

（1）主动式遥感系统：它由机载激光扫描仪发射激光，接收地面反射回来的激光。激光脉冲信号能部分穿透植被，可以同时获取地面和地物数据。（2）高效率：LIDAR技术采集高程点的密度大，能够迅速采集大量的高程数据。LIDAR数据后处理工作可以自动或半自动将LIDAR点云数据转换为GIS数据。（3）高精度：激光脉冲不易受阴影、太阳光角度的影响，高程精度不受航高的限制，它的平面精度可以达到亚米级，高程精度可以达到10cm左右。（4）采集的信息丰富：LIDAR技术可以获得地面和地物三维坐标，通过滤波处理，可以得到我们想要的地面、地物、植被的数据。

3 LIDAR技术在电力线路工程中的应用

3.1 传统测量技术应用

在传统电力线路工程勘测设计中，多采取工程测量和航空摄影测量的方法进行。工程测量方法测量的地面信息精度高，但外业工作量大，测量的工期长，而且不利于勘测设计的一体化与优化设计。而利用传统航空摄影测量进行电力线路勘测设计，不仅需要进行大量的GPS外控点测量，还需要进行大量的野外调绘工作，航测的内业时间长，勘测设计的成本很高，工期偏长。而且传统的航空摄影测量在测量植被厚的隐秘地区时，测量的高程精度很低，影响电气专业人员准确排杆；传统的航空摄影测量方法也不能生成准确的塔基断面图。所以采用传统测量技术进行电力线路工程勘测设计，获得的勘测成品精度较低，内、外业工作量大，勘测设计工期长，不利于勘测设计优化，不利于降低工程投资。

3.2 LIDAR技术应用

利用LIDAR技术进行电力线路的勘测设计具有很大的优越性。LIDAR技术只要做少量的GPS控制点和少量的调绘工作，缩短了勘测设计的工期，减少了勘测设计的成本。

LIDAR技术的激光能穿透植被，得到地面的数据，这样就能进行隐秘地带的测量。对LIDAR数据进行处理后，可生成正射影像图，进而生成带电力线路路径的三维数字地面模型图，可以方便地在上面进行线路路径选择。确定了线路路径后，可以生成线路平断面图，再生成塔基断面图，便可进行一次性勘测设计，能让勘测设计一体化，大大地缩短了勘测设计的周期，减少了勘测设计成本，并且能进行优化设计，节省工程投资。

（1）LIDAR技术外业航飞。

首先做基站点，基站点要分布合理，保证航飞时飞机的30km内至少有一个基站。基站需要选在开阔、交通便利的地方，没有树木、房屋等挡住卫星信号，周围无电子干扰源，不能有大片水面或其他反射面。基站最好事先进行高程、坐标的联系测量，便于以后进行坐标转换。在进行外业测量的时候，应注意航带是要有一定的重叠度，要注意LIDAR系统的以下参数的选用：如激光波长、最大重复脉冲频率、脉冲回波记录模式、功率、光斑尺寸、扫描角、扫描模式等。

（2）LIDAR数据内业处理。

先进行异常点的剔除，在LIDAR数据中有些数据明显不合理，要将它剔除，例如经过多重反射回来的数据、空中飞行物反射的数据等。再进行坐标转换，GPS接收、解算的均是WGS84坐标，而我们常用的一般为1954北京坐标，要将WGS84坐标转换成1954北京坐标，一般要联测3个以上的54坐标控制点，进行七参数坐标转换。高程系统一般与平面坐标同时处理，将大地高转换成正高。再进行航带合并，进行航飞时经常有多条航带，这些航带必须有（10%～20% ）的重叠度，要将不同航带的LIDAR原始数据进行合并，按一定的顺序合并成一个整体。

内业数据处理最重要的步骤是LIDAR数据的滤波。接着进行正射影像图和三维立体模型数据的生成，将已有的电力线数据、协议区数据、与电力线路路径有关的拟建、在建项目等相关数据输入，一起生成正射影像图和三维立体模型数据。

（3）电力线路路径优化。

以线路电气专业人员为主，在结构、测量、地质、水文等专业人员的配合下，进行电力线路的路径选择和优化。在LIDAR数据生成的正射影像图和三维立体模型图中，设计人员可以图上看到全局的真实情况，能很容易地避开不利的因素，得到合理的线路路径。由于LIDAR技术能对隐秘地带进行测量，能比较准确获得每个塔位的位置和高程，设计人员在选择路径时，可考虑塔位的具体情况，在设计时能做到线中有位、线位结合，能得到最优的线路路径。

（4）确定线路杆塔位置。

在线路的路径基本确定以后，就可以生成线路的平断面图，也可以生成风偏点。美国的海拉瓦平台和我国的适普软件能较好的做到这些功能。由于LIDAR技术能穿透植被，建立的地面、地物高程模型比较准确，生成的平断面图也比较准确，线路设计人员可准确地确定杆塔位置。

（5）生成塔基断面图及三维立体模型

在杆塔位置确定以后，可以生成较准确的塔基断面图。设计人员可以检查每一个塔位的地理情况，如果不合适，还可以进行塔位的调整。如果找不到合适的塔位，还可以将线路路径进行调整。接着可制作带塔位的线路路径三维立体模型。

（6）外业定位放样。

确定了线路路径、杆塔位置以后，就可以利用RTK（实时动态）GPS进行外业定位放样。此阶段，要注意检核危险断面点、高等级电力线、通讯线、重要跨越、隐秘地带的高程、塔基断面等，如有出入的地方，要及时改正，并反馈给设计人员。

3.3 应用实例

在某500kV线路工程中，应用机载激光雷达技术进行优化选线，取得了预期的效果，与初设相比，缩短了线路长度1km，减少了交叉跨越3处，减少了占用森林、农田面积56亩，减少了房屋的拆迁4 000m2，节约了工程投资5 550 000元，切实达到了线路路径优化的目的。

4 LIDAR技术的误差分析

进行了LIDAR系统的完善校正以后，机载LIDAR的定位精度是由GPS的定位精度、姿态测量装置的量测精度、激光测距仪的测距精度和扫描角的测量精度决定的。系统中任何一种传感器精度的降低，都会导致系统定位精度的下降。误差公式如下。

在飞行高度

在某高压线路工程中，使用4台天宝GPS5700，用运五飞机进行航飞，利用芬兰公司的TerraSolid商业软件进行LIDAR数据处理，并对测量结果进行了精度分析，分析结果见表1。

由表1可以得出结论：用LIDAR技术进行电力线路的勘测设计技术上是可行的，精度是可以满足设计要求的（平地可控制在±0.3m左右，山区可控制在±0.6m左右）。

5 结语

利用LIDAR技术进行电力线路的勘测设计，只需做少量的地面控制点和少量的外业调绘工作，能提高隐秘地带测量的高程精度，缩短了勘测设计的周期，并且可以实现勘测设计一体化。可方便地进行电力线路工程优化选线，效率更高，操作更简便。利用LIDAR技术生成的三维场景，可以进行全线漫游及多视角观察，设计人员能更好地进行优化设计，对地物的判断、空间位置的确定更准确、便捷，能更好地避让重要地物，更合理地选择线路路径和杆塔位置。

但LIDAR技术也有很多待完善的地方，如：LIDAR航飞的宽度比较窄，航飞的时间比较长，航飞的成本比较高，航飞管理也较复杂，空域申请较为困难；在植被很茂盛的地方，LIDAR技术的高程精度也会降低；LIDAR的数据处理软件偏少，处理过程复杂，复杂地物的提取还需要很多的人工干预；LIDAR点云的滤波技术还有待于进一步改进等。

参考文献

[1] 殷金华，孙朝阳，郑彦春.机载激光测量技术在特高压输电线路工程中的应用研究[J].电力建设，2007，2（7）：9-13.

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1雷达功能与特点

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备，是通过无线电定位方式，来实现无线电探测与测距，通过回波测定发现探测目标空间位置信息，由于雷达通过无线电技术实现探测，所以也被称为“无线电定位”。其探测原理是通过发射电磁波，对探测目标进行照射，在通过天线接收其回波，提取回波信息，来获取测定目标速度、方位、高度等信息。探测通信过程中信息载体是无线电波，天线接收回波后，由接收设备进行处理，提取信息数据，当前广泛应用于：气象领域、军事领域、航空领域。雷达技术最早出现于一战时期，但由于当时受到技术水平限制，探测范围和准确性都存在局限。二战时期雷达技术得到实际运用，且已十分成熟，能实现地对空、空对空、空对地的探测识别。随后更融入了脉冲跟踪技术，能通过跟踪模式对目标进行跟踪探测，且探测中系统能自动修正干扰误差，提高探测准确性和有效性。二十世纪末，微处理技术与光学探测技术融入雷达领域，使雷达探测实现智能化、自动化，能自动进行多目标跟踪探测，在军事领域中做出了巨大贡献。

2雷达通信技术

雷达应用非常广泛，可探测飞机、舰艇、导弹。除军事用途外，还可用来为飞机、船只导航。另一方面，气象领域中的应用，可探测台风、雷雨、乌云，以实现预测天气目的。雷达通信基本过程是，发射机发射电磁波，由收发转换开关传送给天线，由天线将电磁波发送出进行传播，电磁波遇到目标后产生回波，回波被天线获取，通过接收设备进行信号处理。距离测量是根据回波延迟时间判断，计算公式为S=CT/2。方向探测通常利用天线方向性，测定方位角和俯仰角。速度测试方面则根据回波频率改变量确定，其基本原理是多普勒频移。但实际上雷达应用中，通信过程可能受到干扰设备或其他外部信号干扰，同时会被电子侦察设备探测到通信信号。因此，要加强雷达抗干扰，反侦察能力。现代雷达为提高通信稳定性与可靠性，融入了数据处理技术、加密技术、组网技术、分布式有源技术、自适应波束形成技术、光电子技术。这便使得雷达通信抗干扰能力大大提升，数据处理效率和水平明显提高，能实现多频道、多极化、多模式通信，而且通信数据形式更加多元。

3雷达信号处理机显控

通过前文分析不难看出雷达探测的应用优势。雷达设备种类繁多，技术含量高，应用范围广。根据用途不同可分为：军用雷达、预警雷达、引导指挥雷达、机载雷达、气象雷达、航行管制雷达等。雷达探测不受天气影响，穿透力强，探测效果好。但探测有效性和准确性，通常与信号处理机显控有直接关系。近些年来，现代雷达中接收采样数据量成倍增加，信号处理机显控难度提高，使得信号处理机显控成为雷达研究领域热门课题。为提升显控有效性，修正误差，一般情况应通过MAD抑制低速杂波信号，区分杂波与目标回波。由于杂波与目标回波频率不同，所以能通过滤波器消除。但实际上，由于杂波中心频率位于零频，多普勒频移未知，却容易被滤波器忽略，所以传统MAD抗干扰滤波方式，效果并不好，会出现显控判断现象。为解决这一问题，就应利用自适应恒虚警检测，通过CFAR检测抑制杂波。另一方面，还可选择匹配数字滤波器方式，利用脉冲压缩处理方式，进行波筛选，将杂波进行掩盖，避免杂波干扰。但实际应用中，由于模拟技术缺陷，掩盖效果与理论值可能会存在差异。杂波分为:地物杂波与气象杂波几大类，不同杂波波幅与干扰程度不同，但通常杂波也具有一定规律性。因此，为了弥补理论值误差问题，则可通过改进滤波方式，实现抑制杂波，保障显控准确性与有效性。例如，对多普勒滤波器进行利用。该滤波器能有效提高显控质量，通过FIR实现滤波，抗干扰性能非常好，而且容易实现。除以上几种技术手段还，近些年来，很多雷达也在开始MTD技术，该技术是通过窄带滤波器组的方式来实现抑制杂波，从而改善信号接收机性能，全面提高接收有效性，实现高质量显控，该技术杂波抑制效果非常明显。但各类技术手段有着不同特点和适用范围，具体应用中，要根据雷达信号接收机特点和显控要求及实际杂波特性规律选择抑制方式。

4结束语

雷达探测不受地形，天气情况影响，而且探测距离远，准确性与可靠性高，能应于海洋探测、地理探测、航空探测等众多领域。但随着雷达数字化的发生，接收机采样数据量越来越大，使得信号处理机显控难度随之提高，准确性出现下降，杂波处理面临挑战。因此，在实际应用中，要根据杂波特性与显控要求，合理选择滤波技术，保证显控质量。

作者:陈兵 单位:四川九洲电器集团有限责任公司

参考文献:

[1]梁成壮.雷达伺服系统功能仿真和性能测试软件平台研制[D].西安电子科技大学,2014,04:203-204.

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关键词：激光雷达；工程测绘； 应用

随着上世纪80年代激光机技术的突破，推进了激光技术的进一步发展。激光雷达采取与激光测距器类似的原理和构造进行研制，其工作在由红外到紫外光谱段的探测系统中。由于激光雷达的不断改进，其重复频率快、峰值功率高、体积小、波长范围广，目前已在工程测绘的多个领域得以应用。

激光雷达测绘技术概述

激光雷达是在光频波段工作的雷达，且与微波雷达的工作原理相近，利用光频波段的电磁波向目标地点发射探测信号，然后再将接收到的同波信号和发射信号进行比较，进而得知目标的方位、距离、高度等具置，以及其运动状态信息，以实现对目标的跟踪、探测和识别。激光测距机是简化的激光雷达形式，在激光测距技术的基础上，实现方位配置、测量俯仰状态、自动跟踪激光目标等，以此构成完整的目标探测与跟踪激光雷达。一般情况下，激光雷达由激光接收机、激光发射机、伺服控制系统、信息处理系统、操控显示终端组成，且激光雷达可根据不同方法进行分类：如果按照发射波形与数据处理的方式，可分为连续波激光雷达、脉冲激光雷达、脉冲压缩激光雷达、脉冲多普激光雷达、动目标显示激光雷达及成像激光雷达等；如果按照安装的平台划分，则分为机载激光雷达、地面激光雷达、航大激光雷达以及舰载激光雷达等；根据完成的不同任务，分为靶场测量激光雷达、火控激光雷达、障碍物回避激光雷达、导弹制导激光雷达、飞机着舰引导激光雷达。

在实际应用中，激光雷达可以单独使用，也可与微波雷达、红外电视、可见光电视、微光电视等组合使用，让系统既能搜索到远距离目标，也可实现目标精密跟踪，在当前工程测绘中应用广泛。

激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

2.1基础测绘

在基础测绘中，包含数字正射影像、数字线划地图以及数字栅格地图。对于数字正射影像与数字线划地图来说，其生产离不开高精度三维信息的技术支持。例如，数字正射影像就是在精确的地形信息基础上，实现数字微分纠正而获得。由于数字摄影测量工作的程序较复杂，对设计要求与技术路线也非常严格，同时对生产人员提出更高的技能要求。而机载激光雷达技术所提供的地面三维坐标，则可以满足高精度影像微分纠正的要求，让数字正射影像生产更加容易，并不需要数字摄影测量平台，极大降低成本，在一般遥感图像处理系统中就可以实现规模化生产。另外，高精度的激光点云数据，可直观反映地物、植被等三维信息，充分利用这些资源，实现更加精准的判读与测量，提高数据的采集效率与质量。

2.2精密工程的测量

很多精密工程的测量，都涉及到测量目标的采集，并获得三维坐标信息或者三维物体模型，例如在水文测量、建筑测量、沉降测量、电力选线、文物考古、变形测量等行业中。地面激光雷达和机载激光雷达就是解决这类问题的有效方法。利用数码相片获得纹理信息，并与构筑物模型实现叠加，以构建三维模型，可有效实现对景观的规划分析、物体保护、形变测量、规划决策等。例如激光雷达技术在铁路设计、公路设计中提供的高精度地面高程模型，可便于线路的设计与施工方法精确计算。在电力线路设计过程中，利用激光雷达技术的成果数据可以对整个线路有所了解，包括公共区域内的地物、地形等要素；在电路线维护或抢修时，根据电力线路中的激光雷达数据点，以及对应地面点的高程，计算出任意位置线路距离地面的高度，方便维护与抢修；另外，在树木的密集区内，也可利用激光雷达估算出需要砍伐树木的面积与木材量。

2.3数字矿山的构建

数字矿山的建立既满足环境友好型、经济节约型社会需要，也对促进矿山可持续发展具有重要作用。近年来，我国矿业及矿业城市遇到了生存与发展的困境，而矿山生态环境、资源枯竭等问题严重，矿山系统内的功能受到局限，矿山的人力、物力、财力都有所影响。

若想解决这些问题，必须加强对数字矿山的重视。利用激光雷达数据滤波迅速提取矿区内的相关数据，建立起三维虚拟地面模型，并确定建筑物的合理区域，提取建筑物的顶面信息，以重建建筑物模型。建筑物的模型和地面的分层组合建模、匹配融合等，实现塌陷区的生态环境与经济评价，对由于沉陷造成的土地侵蚀与裂缝进行分析，调查沉陷区的建筑物破坏情况，以及检测滑坡地质灾害等。

2.4电力传输与管道布图

在直升机平台上工作的激光雷达系统，最适用于测量传输线路。由于直升机可以沿着电力线或者管道传输的走廊飞行，比固定翼飞机节约成本，并且直升机可以随时根据需要调整高度和速度，以获得更为精准的数据。如果在激光雷达应用平台中同时使用录像机、数字相机及其他传感设备，既可实现激光雷达测量，也可同步进行线路检查及制图工作。

2.5森林工业的应用

机载激光雷达系统最早应用的商业领域即森林工业，由于森林业发展与国土管理都需要森林及其树冠下端地形的准确数据，而传统技术中很难获得树高及树的密度的精确信息。机载激光雷达与卫星成像不同，当利用这种技术勘测树冠下的地形时，还可同时获得树的高度。在对数据的后处理中，独立的激光返回值可分为地面返回值与植被返回值两部分，并以此计算出更多林业相关信息，如树高、材质、树冠覆盖以及生态环境等，这些都是传统摄影测量或者地面测量无法获得的信息内容。

2.5规划城市建设

自从进入21世纪，数字电视已成为各地力争构建的信息化目标。空间信息则成为数字城市的基础平台与框架，也是规划城市建设的重要内容。通过激光雷达测绘技术的应用，可以获得高精度、高分辨率的数字正射影像与数字地面模型，为城市规划与发展提供宝贵的空间信息资源，也是构建数字城市的重要技术支持。

另外，若想构建数字城市，还需要满足可测量、真三维、高精度等要求，具有真实效果的城市三维模型是管理城市的虚拟平台。如果应用传统技术，若想实现城市三维建模，工艺比较复杂，且工作量大、工作效率低，最终效果不理想，对数字城市的服务深度与宽度有所影响。如果利用激光雷达测绘技术，对地面建筑物进行空中激光扫描或者地面多角度激光扫描，则可迅速获得高精度、高密度的三维点坐标，再加上软件的后期处理，即实现点云数据的模型构建与纹理映射，全方位构建城市三维模型，对数字城市建设的基础数据持续性、历史性提供保障。

由上可见，激光雷达测绘技术将成为未来工程测绘的发展方向，具备更多的优势。通过激光雷达测绘技术与其他测量技术的配合使用，将提高工程测绘的效率与质量。但是目前我国在激光雷达的数据处理方面技术尚不成熟，仍需进一步深入研究。

参考文献：

[1]朱筱茵.基于激光雷达的数字化精密测量技术研究[J].长春理工大学：光学工程.2010

[2]郑永超、赵铭军、张文平、赵春生、沈严.激光雷达技术及其发展动向[J].红外与激光工程.2006（z3）

[3]李磊、郑永超、彭凤超、邓全.地形测绘激光成像雷达技术研究[J].红外与激光工程.2006（z3）

[4]蒙祥达、李新科.机载激光雷达技术及其在电力工程中的应用[J].广西电业.2007（9）

[5]马江芹、谭泽立.激光雷达控制系统的设计与系统联合调节的优化[J].计算机测量与控制.2009（9）

[6]屈增风、勒辰飞、赵远、孙秀冬.新型光纤激光雷达的结构理论分析与作用距离计算[J].红外与机关工程.2009（2）

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【关键词】工程测绘；激光雷达；测绘技术；应用

一.激光雷达测绘技术概述

在进行测绘的过程中激光雷达测绘技术主要是通过电磁波的应用对所要进行测量的地点进行数据的收集与分析。激光雷达测绘技术是将现代激光雷达技术与工程测绘相结合的一种新型工程测绘方法。

1、激光雷达测绘技术的特点。激光雷达测绘技术在进行应用的过程中具有以下几个方面的特点：（1）测绘结果更加的准确。激光雷达测绘技术是现代社会中最先进的测绘技术之一，其在测绘的范围以及测绘的精准程度上都具有着一定的优势。尤其体现在测绘的精准度方面，与传统的测绘技术相比更是取得了质的突破，使得测绘结果更加的准确，对工程顺利进行起到了良好的保障作用。（2）测量内容更加丰富。激光雷达测绘技术由于借助了电磁波的应用，使得测绘功能进行了进一步的拓展，可以借助电磁波的穿透力，对目标地点的空间，体积，质量等多方面的要素进行测绘，大大丰富了传统建筑工程测绘的内容，为工程的施工提供可更加全面的参考资料。（3）更加具有时效性。由于自然环境处在不断变化的过程中，因此在进行测绘的过程中，一些测绘地点其会随着时间的推移而进行一定的更改，这会对测绘结果产生影响，并可能对建筑工程的施工产生一定的阻碍。

2、激光雷达测绘技术应用过程中应注意的问题。激光雷达测绘技术在我国建筑行业进行应用的时间相对较短，因此在使用的过程中有关工作人员应对一些问题产生重视，避免使用过程中出现不必要的失误。具体来说包括以下几个方面：（1）注意对激光雷达测绘设备的维护。激光雷达测绘设备是应用激光雷达测绘技术的基础，因此在实际的工作中有关人员应对激光雷达测绘设备产生一定的重视，制定出有效的设备维护方案，针对设备进行周期性的维护与检修。（2）强化技术的应用。激光雷达测绘技术是一项新技术，其在进行技术应用的过程中工作人员不仅要熟练设备的操作，同时还要对技术的理论知识进行了解，并且对技术应用过程中的注意事项，应用规范等进行一定的掌握。因此有关工程施工单位应对工程测绘人员进行一定的培训工作，强化其对激光雷达测绘技术的应用，以保障测绘工作的顺利进行。

二、激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

1、基础信息收集。建筑工程测绘工作首先就是要对目标测绘地点进行基础数据的收集，因此在工程测绘中进行激光雷达测绘技术的应用，其首要的工作任务就是对基础信息进行收集，具体来说在基础信息收集的过程中激光雷达测绘技术主要有以下几个方面的应用：（1）形成数字影像。数字影像的形成是收集目标测绘地点基础信息的主要工作之一，激光雷达测绘技术在这一方面具有着突出的优势，其可以借助数字坐标，通过三维影像的构建完成数字摄影工作，进而形成数字影像，为基础资料的收集与整合打好基础。（2）形成测绘地图的雏形。测绘地图的形成并不是一蹴而就的，其是通过多次测绘，反复验证而来。借助激光雷达测绘技术进行基本数据的收集，主要是为了形成测绘地图的雏形，通过对数字影像的分析与整合，对测绘地图进行基础性的绘制，输入基本的测绘信息。（3）对工作效率进行一定的提升。激光雷达测绘技术其在速度与精确度上有着突出的表现，因此在进行基础信息收集的过程中，其可以有效的对传统测绘技术中的一些不足进行完善，使得基础测绘工作的完成更加的高效快捷。

2、精密信息测量。除了一些基础信息的收集与整合外，在进行建筑工程测绘工作的过程中，有时还要进行一些高精密的测量工作，这些测量工作单靠传统的测量技术很难有效的完成，因此需要激光雷达测绘技术给予一定的支持，具体来说在进行精密信息测量的过程中激光测绘雷达技术主要应用在了以下几个方面：（1）对施工地点进行规划。在进行工程测绘的过程中，一些工程在具体的规划方面仍有一定的不足，又由于受到环境的限制，使得工程的具体设计以及工程实际范围难以进行划分。而激光雷达测绘技术的应用可以对这些问题进行一定的解决，激光雷达技术并不是单纯的测绘技术，其可以进行一定的数据分析，模型构造，因此在进行测绘的过程中通过精密信息的收集，激光雷达测绘技术会自动生成三维立体模型，并提供工程的具体规划方案，这对于工程的设计以及范围的划分起到了一定的参考作用。（2）进行景观的保护。建筑工程施工地区可能存在着一些具有代表性的景观或者植被等，在进行施工的过程中如不进行有效的规划就很可能对施工地区的景观造成一定的破坏。激光雷达测绘技术在应用的过程中，对于建筑施工地点内部的景观进行了全面的分析，对于一些需要进行保护的景观给予了划分并制定出了一定的保护策略，这对于完善全局规划，保护工程景观有着一定的帮助作用。

3、进行数字高程建模。数字高程建模是近几年来建筑工程施工过程中经常使用的一种建模方式，其可以使建筑工程的施工更加的科学化，合理化。通过数字高程建模建筑工程施工单位可以对具体施工过程中的各项施工因素进行分析与明确，例如施工过程中土方量的统计，地形通视情况的掌握等。将激光雷达测绘技术应用到建筑工程测绘工作中，其可以借助激光点的应用迅速的对建筑工程区域进行数据的收集，并快速建立其三维坐标，通过数据的分析与整合，构建出符合建筑工程施工需要的数字高程模型。这在一定程度上缩短了高程建模的速度，同时还可以最大限度的保障数字高程建模的准确性。

4、模拟城市建设。建筑工程的施工是城市建设的一部分，为了使城市中建筑工程的施工更加的合理化，科学化，有关部门将激光雷达测绘技术进行了一定的推广，将其应用到了城市建设规划工作当中。通过激光雷达测绘技术的应用，有关部门可以对整个城市或是城市中想要进行规划的区域进行有效的测绘，并在数据收集全面后进行数字城市的建设，以此来对未来城市的发展规划进行模拟，为政府提供更加合理的城市建设方案。同时也为城市中建筑工程的展开提供了更大的保障，使其可以更加顺畅的投入建设当中。

结束语

将激光雷达技术与现代工程测绘相结合，是对现代工程测绘技术的一次有益发展，其对于提高建筑工程测绘的精确度，促进建筑工程顺利进行等都有着一定的积极作用。在对建筑工程激光雷达测绘技术研究的过程中，激光雷达测绘技术在我国建筑行业正处于推广阶段，其与传统的建筑工程测绘技术相比在很多方面都具有着一定的优势，更加适合现代建筑行业发展的需要。

参考文献：

[1] 谢卫良.探讨激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用[J].科学与财富，2013（9）：34-37

篇10

关键词：机载激光雷达；DEM；管道工程设计

0 前言

当前，油气资源在国民经济中扮演了越来越重要的角色。在油气管道建设工程中，设计工作作为工程的最初环节，决定了油气管道的工程走向、工程造价、运营维护及环境影响等诸多方面。为设计工作提供良好的基础测绘数据，包括DOM、DEM和DLG，是道设计人员在选线、设计施工方案、计算征地拆迁量等必不可少的依据。

机载激光雷达技术，即LiDAR，是一种综合利用激光、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（IMU）的数据采集技术。利用机载激光雷达技术结合航空摄影测量技术，能够以相对较低成本为管道设计选线提供高精度的参考数据。

笔者参与了某国家级长输天然气管道的设计工程的设计选线数据采集工作，针对该项目需求进行了实验工作，利用机载激光雷达技术与航空摄影测量技术，获取了大量高质量原始数据，并利用TerraSolid等软件对原始数据进行处理，获得了DOM、DEM等数据，为设计选线工作提供了高质量的空间地理信息数据，取得了令人满意的实验成果。

1 激光雷达测量系统技术原理

1.1 激光雷达测量原理

激光雷达使用的是由激光器发射激光以光速传播，当激光发射到被测量物体的表面时，一部分反射激光被接收器所接收，计算出激光器发射点到反射物体的距离，再结合激光雷达系统瞬时位置与姿态，即可得到测点的三维坐标。

1.2 激光雷达的系统构成

常见机载激光雷达系统通常由激光发射器，光学系统，接收器，GPS/DGPS，IMU（惯性测量单元），飞行计划和管理系统，数据采集和存储系统等部分组成。

1.3 机载激光雷达数据

机载激光雷达数据通常包括激光点云数据、回波强度图像数据。另外，为了便于对激光点云数据进行处理和应用，目前大多数的机载激光雷达系统中都集成有高分辨率航空数码相机，因此，航空数码影像数据亦可看作是机载激光雷达数据集的一部分。

2 机载激光雷达数据获取及预处理

2.1 飞行区域的确定

机载激光雷达测量工作与传统航空摄影测量类似，需要进行大量前期设计规划工作。在前期工作中，设计人员已根据卫星影像、历史数据及实地初步核实结果，确定了管道中线初步方案，以中线方案作为激光雷达航空摄影测量区域中线，以中线两侧各1km范围为飞行区域。

2.2 数据获取

本实验中采用有人飞行平台，搭载Leica ALS70机载激光雷达系统，搭配Leica ADS80航空数码相机，采用Leica Mission Pro进行飞行计划的编排评估，采用Leica Flight Pro进行飞行控制，并根据飞行计划向国家有关部门进行了空域申请的工作。整个数据获取工作历时2个月，获取了整个测区原始激光波形数据、航片数据、GPS观测数据和IMU姿态数据，为后续数据处理打下了坚实的基础。

2.3 数据预处理

激光点云数据的预处理工作，是后续数据处理工作的基础。预处理的目的是将机载激光雷达系统获取的原始波形数据，通过检校场检校数据、结合GPS观测数据和IMU瞬时姿态数据进行联合解算，获得点云数据，并以交换格式进行存储的过程。

在本实验中，还存在航空数码相机获取的航片数据，同样需要进行预处理。航空数码相机与激光雷达系统使用同源的检校数据、GSP观测数据和IMU瞬时姿态数据，采用相机自带软件系统进行自动解算。

3 激光点云数据处理

本实验中，采用芬兰TerraoSolid公司出品的TerraSolid作为激光点云数据处理软件进行数据处理。

3.1 点云数据的分割

激光雷达点云数据是以Las文件为存储和处理单元。由于点云数据量非常大，而当前点云处理软件往往在容量上有限制，因此在处理点云数据前，必须先对整个区域的激光点云进行分块处理。以本实验为例，处理硬件为2GB大小内存，能够同时处理500万点，在实际操作中，我们将分块大小设置为每1平方公里一个块。在本实验中，使用的TerraPhoto与TerraScan模块进行的自动分块。

3.2 点云分类前预处理

分块后的点云数据在进行分类处理前，需要利用TerraScan模块进行一系列预处理，将精度较低的点数据从数据集中剔除，提高数据整体精度。

（1）建立航迹线与点的对应关系。利用TerraScan中自带的宏命令，将航迹线和点进行对应。

（2）建立自定义分类代码。TerraSolid系统内置了一系列常用分类代码。根据具体应用也可对分类代码进行增删和修改。本实验根据需求，重新定义了点云分类代码，如下表1：

（3）剔除低精度数据。在点云模型中，存在每条航带中偏离航迹线较远的点，由于这部分点变形较大，精度不高，所以需要在预处理中进行剔除。

3.3 点云数据分类

激光点云数据的分类又称为滤波，是点云模型处理中最核心的操作，其目的是将看似散乱无章的点云数据模型，通过数学算法和人工判读，按照规则进行分离，从而识别地面、建筑、植被、水面等不同地物对象。

针对点云模型的自动滤波分类，已有较多的成熟算法，但在实际应用中，自动滤波还存在一定问题，需要辅以人工分类。

3.2.1 自动滤波

在TerraScan中内置了一系列算法，主要基于成熟度最高的形态学和坡度的滤波方法，能够完成50%以上的工作，其主要步骤如下图1。

（1）识别并剔除异常离散点。这些异常离散点是明显脱离整个模型的点数据，一般是数据获取和预处理时，由于软硬件系统及周围环境造成的异常数据，

（2）识别地面点。剔除异常离散点后，局部最低点可认为是点云模型中的地面点和建筑表面点。

（3）识别植被点。该步骤是将植被点从Default层点云中分类出来，并可根据需要将植被点进一步分类为高、中、低三种类型的植被点。

（4）识别建筑点。完成以上步骤后，建筑点被分类在高植被层中，可通过软件内置方法将建筑点从植被中分类出来。

经过上述自动滤波步骤，点云模型已经被初步分类为异常离散点、地面点、高中低植被和建筑等层。由于自动滤波结果受点云模型和环境影响较大，不能作为最终成果，因此还需要进行人工分类。

3.2.2 人工分类

（1）制作快速正射影像。在人工分类之前，必须先生产快速正射影像，作为人工分类参考底图。快速正射影像的生成主要包括以下几个步骤：1）模型关键点（Model Key Points）的生成。生成关键点后，再将模型关键点合并回地面点，以免影响后续操作； 2）快速正射影像生成。该步骤主要使用TerraTscan和TPhoto模块进行自动进行快速正射影像的生产。

（2）快速正射影像生成后，即可进行人工分类。在人工分类操作时按照以下步骤进行：1）识别点云自动分类造成的错误，如在DEM Surface中的空洞区域和明显错误区域，叠加图中识别点云与影像明显不符的区域，作为人工修改区域； 2）选中人工修改区域，在剖面图中根据影像或点云模型特征选中分类错误的点，将点重新分类为正确的类； 3）对比影像和surface，反复修改每块Block地面点生成的surface，直至没有明显的错误问题为止。所有Block中的点云修订完成后，即可进行DEM出图。

3.4 DEM生产

点云分类完成后，可利用TerraScan的导出功能进行DEM生产。在导出窗口中设置DEM间隔、坐标系统和导出文件格式后，可按照点云分块导出DEM，也可利用软件宏批量导出DEM。至此，基于激光雷达点云数据的DEM生产完成。

3.5 DOM、DLG数据的生产

基于激光点云的高精度的DEM生产完成后，可采用传统正射影像生产流程进行DOM生产，并用DOM作为底图进行DLG的提取。

4 结论

机载激光雷达技术作为一种较新的航空遥感技术，已经在长输油气管道工程中得到了一定的应用。虽然在应用中还存在一定的缺陷，但是随着数据处理算法的逐步发展，机载激光雷达技术必将在管道工程领域得到更广泛的因公。

参考文献：

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