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1 引言
激光雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术[1-2]。三维成像激光雷达作为一种主动成像系统，与被动成像系统相比具有可获得高精度距离信息以及不受光照条件限制的优势；与微波成像系统相比，具有角分辨力高、测量精度高、抗干扰能力强以及系统易小型化的优点；在目标识别、分类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优势，因而被广泛应用于军事、航空航天以及民用三维传感等领域。自上世纪六七十年代起，随着激光技术和探测器件的发展，发达国家率先在激光雷达三维成像领域进行了研究，各种距离测量技术和三维成像体制蓬勃发展。激光雷达三维成像系统按照成像体制可以分为扫描式成像系统和面阵成像系统两种，按激光距离测量体制可以分为直接脉冲测距、相位式测距以及线性调频测距等类型。不同体制的激光雷达三维成像系统具有不同的优缺点，本文就这些成像体制的原理、特点以及国内外发展现状进行了总结和梳理。
激光三维成像本质上是通过测量光脉冲或调制信号往返于雷达和目标之间的飞行时间来获得距离信息(Z轴)，同时通过扫描或者多点对应测量获得垂直于光束方向平面内的方位信息(X、Y轴)，因此，在对激光成像体制探讨之前，有必要对激光测距的基本原理进行了解。
2 测距原理
激光雷达要实现目标距离测量，必须确保能够接收到足够的回波信号，而计算激光回波信号的依据则是激光雷达方程，通用的激光雷达方程：
\({P_{\rm{R}}} = \frac{{4{P_{\rm{T}}}}}{{{\rm{ \mathit{ π} }}\theta _{\rm{T}}^2{R^2}}} \cdot \frac{{\int {\rho {\rm{d}}A} }}{{\Omega \cdot {R^2}}} \cdot \frac{{{\rm{ \mathit{ π} }}{D^2}}}{4} \cdot {\eta _{{\rm{Atm}}}} \cdot {\eta _{{\rm{Sys}}}} + {P_{\rm{b}}}, \)(1)
其中：PR是接收回波功率，PT是发射激光功率，Pb是背景辐射和噪声功率；R是目标与雷达之间距离，θT是发射天线视场角/光束发散角；ρ是目标表面对激光的反射率，dA是目标表面面元，Ω是目标光散射立体角；D是接收天线孔径/直径，ηAtm是传输介质的双程透过率，ηSys是光学系统透过率。
其直观物理意义：
\(\frac{{4{P_{\rm{T}}}}}{{{\rm{ \mathit{ π} }}\theta _{\rm{T}}^2{R^2}}}\) 为激光发射功率分摊在被光斑覆盖到的目标表面积上的部分， \(\int {\rho {\rm{d}}A} \) 为目标将该部分照射功率向外散射的总散射功率， \(\frac{1}{{\Omega {R^2}}} \cdot \frac{{{\rm{ \mathit{ π} }}{D^2}}}{4}\) 为目标散射功率被雷达天线孔径接收的部分；在这整个过程中还需要考虑光信号功率在雷达系统内部和自由空间中传播的损耗。由式(1)可见，在外部条件一定的情况下，激光发射功率越高，接收孔径越大，背景噪声抑制越好，系统的信噪比越高，这也是雷达系统设计的要点。
激光测距的方法有很多种，除了直接利用计时电路对激光脉冲的飞行时间进行测量外，还可以通过对发射激光信号的幅值、频率、相位等进行调制，从而间接获得目标的距离。目前较为常用的激光测距技术大致可以分为直接脉冲飞行时间探测、幅度调制连续波探测以及频率调制连续波探测三种。除直接探测技术外，相干探测也可用来进行测距，但相干探测一般用于相对位移测量，在绝对距离测量上存在较多问题，在三维成像中较少应用，这里不对其展开论述。
2.1 直接脉冲飞行时间探测
直接脉冲飞行时间探测顾名思义就是直接测量激光脉冲从发射到经目标散射后返回雷达的往返时间t，已知激光在大气中的传输速度c，得到被测目标的距离r=ct/2[3]，如图 1所示。根据雷达系统选择线性探测器或者单光子探测器，又可以将直接脉冲测距技术细分为线性探测和光子计数探测。线性探测模式下，探测器的电脉冲响应与入射光强呈线性关系，可以采用恒比定时、阈值鉴别法等高精度时间测量技术获得激光脉冲的往返飞行时间。而在光子计数探测模式下，探测器工作在盖革模式，具有单光子级灵敏度，一个信号光子即能触发一次电脉冲响应，但此时探测器只能响应回波信号的有无，不能提供信号的强度信息。光子计数模式一般用于远距离探测，回波信号弱，光子数很少，此时探测器对回波信号的响应可以认为服从泊松分布[4]，当入射到探测器的信号和噪声的总光电子数为m时，理论上产生k次光子事件的概率密度为
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\(p(k) = {{\rm{e}}^{ - m}}{m^k}/k!。\)(2)
至少有一次光子事件发生即代表探测器响应到回波信号，因此探测到信号或噪声光子事件的概率为
\(P(k > 0) = 1 - p(k = 0) = 1 - {{\rm{e}}^{ - m}}。\)(3)
对于线性探测器，其输出的回波信号为随时间变化的电压值，经过A/D采样后，每一发激光脉冲都能获得一个随时间变化的回波波形，探测电路带宽足够高时能够获得目标纵深剖面的回波强度轮廓，又称为全波形探测，在信噪比足够高时能够获得更为丰富的目标信息。对于线性探测的激光雷达回波信号，我们关注的是回波功率与信噪比，为了获得更远的探测距离系统应提高发射脉冲的峰值功率，同时降低探测电路的噪声。与线性探测相比，光子计数探测更高的灵敏度使得其在远距离或者微弱信号探测领域的应用越来越广泛。对于光子计数的激光雷达回波信号，我们关注的是回波光子数与噪声计数，为了获得更远的探测距离系统应提高发射脉冲的单脉冲能量，同时抑制噪声光子计数，而对于工作在白天的激光雷达系统来说，噪声光子中占主导地位的是日光背景噪声计数，因此采用窄带宽、高带外抑制的光学滤波器件，同时尽量减小接收光学系统的接收视场角是光子计数探测激光雷达系统的关键。对于探测灵敏度极高的光子计数探测激光雷达，也称为“单光子”探测激光雷达，这是指其接收灵敏度达到了能够响应单个光子能量的程度，但实际上，仅仅能够响应单个光子是不足以完成实际探测的，因为系统必然会存在噪声，如探测器的暗计数、背景噪声计数等，必须要把实际的回波光子计数与这些噪声计数区分开来才能实现探测，这可以通过系统的优化设计以及信号处理算法的改进来实现。
直接脉冲测量激光雷达发射的一般为纳秒级脉宽的激光脉冲，优点是作用距离远、探测时间短，理论上单发脉冲即可完成测距，尤其随着光子计数探测器的发展与成熟，使得雷达系统可以实现上百公里甚至上千公里的测量；缺点主要是其测距精度相对较低(主要受限于发射激光脉冲宽度和探测器响应时间抖动)，一般可以达到厘米量级，不适合要求毫米甚至亚毫米量级的高精度测量领域。
2.2 幅度调制连续波探测
幅度调制连续波(Amplitude modulation continuous wave，AMCW)激光雷达一般又被称为相位式激光雷达，与直接脉冲探测不同，其发射的是连续激光信号，并对激光发射信号的幅值进行调制，通过检测回波信号与发射信号之间的相位差来进行测距[5]。如图 2所示，当正弦信号的调制频率为f时，可以测到发射信号与接收信号的相位差为
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\(\Delta \phi = 2{\rm{ \mathit{ π} }}ft = 2{\rm{ \mathit{ π} }}f\left( {\frac{{2r}}{c}} \right)。\)(4)
因此，目标的距离即为
\(r = \frac{{\Delta \phi c}}{{4\pi f}}。\)(5)
由于鉴别的相位差只能在0~2π之间，超过2π的整周期将会带来距离模糊的问题。并且，当测量电路的鉴相精度一定时，发射信号的调制频率与雷达测距精度成正比，与探测的最大不模糊距离成反比。因此，雷达的探测距离与测距精度之间是相互矛盾的。为了解决这一问题，相位式激光雷达通常采用多个调制频率同时发射，通过较高的调制频率提高测距精度，通过较低的调制频率提高系统的最大不模糊距离，又称为“多测尺”测量[6-7]。
相比于直接脉冲测量技术，相位式测距精度较高，一般可达毫米量级，但由于其发射的是连续信号，平均功率远低于脉冲信号的峰值功率，这就限制了系统的探测距离。另外，由于其必须采集完整的周期信号，这就使系统的探测时间较长。
2.3 频率调制连续波探测
频率调制连续波(Frequency modulated continuous wave，FMCW)探测是上世纪末发展的一种较新的测距体制[8-9]，它调制的是发射激光的光频率(波长)，可以避免幅值调制带来的发射功率损失。对于频率调制激光雷达，由于回波信号与发射信号存在时间差t，将回波信号与本振信号进行混频后，通过平衡探测器就可以得到他们的差频信号fif：
\({f_{{\rm{if}}}} = \frac{{4rB}}{{Tc}}, \)(6)
其中：r为目标距离，B为调制带宽，T为调制信号的周期。
当对发射的信号进行对称三角波线性调频时，可以同时获得被测物体的距离和速度信息。当目标或激光雷达平台在波束往返时间内运动时，受多普勒效应影响拍频信号也会发生偏移。因此，通过提取“上啁啾”和“下啁啾”的拍频频率，可以确定目标距离和速度。由式(6)可以得到目标的距离：
\(r = \frac{{Tc}}{{4B}}\left( {\frac{{f_{{\rm{if}}}^ + - f_{{\rm{if}}}^ - }}{2}} \right), \)(7)
式中： \(f_{{\rm{if}}}^ + \) 为上变频的差频信号频率， \(f_{{\rm{if}}}^ - \) 为下变频的差频信号频率。
同时能够得到被测物体在雷达视线方向的相对速度：
\(v = \frac{\lambda }{2}{f_{\rm{d}}} = \frac{\lambda }{2}\left( {\frac{{f_{{\rm{if}}}^ + + f_{{\rm{if}}}^ - }}{2}} \right), \)(8)
式中：λ为发射激光的波长，fd为多普勒频移。
相比于AMCW技术，FMCW技术没有调制功率损失且测距精度更高，调制带宽足够高时其测距精度甚至能够达到微米量级，其突出的优点是能够同时进行目标距离和多普勒径向相对速度的测量。其缺点为调频激光器较为昂贵，系统成本高，激光调制过程存在非线性效应，校正过程加剧了系统复杂程度。另外，由于其调制的是光频率对于高精度测距必须考虑传输介质的色散影响，并进行补偿。
3 激光雷达三维成像
激光三维成像可以理解为是对每个二维像素点的激光测距，在单点激光测距的基础上，对每个测距点的方位信息同步进行测量，即可实现三维成像。而方位信息的获取可以通过单点扫描和面阵器件成像两种方式。
3.1 扫描式三维成像激光雷达
扫描式三维成像激光雷达由单点激光测距系统配以光束扫描装置构成，是目前发展相对成熟的三维成像激光雷达技术，在地形测绘、大气环境检测、导航和防撞、空间交会对接、汽车自动驾驶等领域的应用十分广泛。扫描式激光雷达要求实现每个点的快速测距，因此大多采用直接脉冲探测的方式。扫描装置的作用是控制雷达光轴指向不同方向，依次测量目标上各点的距离，同时记录光束指向的方位-俯仰角，这样就可以得到目标的距离-角度-角度图像(rang-angle-angle)，又称为三维图像。需要注意的是，激光雷达系统一般同时存在两个相互平行的光轴，即发射光轴和接收光轴，扫描装置必须能够同步对这两个光轴进行扫描，因此一般扫描式雷达多设计为发射-接收同轴，并且为了保证接收到足够的回波功率，扫描镜的光学有效孔径不能过小，这在很大程度上限制了系统的扫描速度。为了提高系统的扫描速度，在单点扫描的基础上，人们发展了线扫描、点阵扫描等方式[10-12]。
目前，可用于激光雷达系统的扫描方式中较为成熟的是机械式扫描，主要有摆镜扫描[13-15]、万向节扫描[16-17]、转镜扫描[18-20]、双光楔扫描[21]等类型，通过电机驱动镜面转动，并利用几何光学的原理实现光束的偏转，具有大扫描视场和高扫描效率，是近些年最常见、应用最广泛也是最成熟的成像激光雷达扫描方式。其中MEMS[22-24]扫描是最新发展的一种扫描方式，其通过微型反射镜的快速振动来实现光束扫描，扫描速度较传统的机械扫描可以大幅提高，同时很好地克服了机械扫描系统体积大的缺点，可以实现系统的小型化，因其扫描结构“微观”化，无可见的机械运动部件，所以也被称为“混合固态”扫描方式，目前仍存在接收光路较为复杂，微振部件影响系统使用寿命的缺陷[25]。对于MEMS扫描方式，最大的问题是，若采用收发同轴扫描的方式，则受微型反射镜尺寸的限制，其接收光学口径较小，探测距离受限；而若采用发射扫描、大视场接收的方式，则背景噪声过强，同样导致探测距离受限。双光楔扫描通过两块具有一定楔角的光学平板绕光轴转动来实现折射光束的空间偏转，适用于较大口径的激光雷达系统，一般用于远距离探测成像。另外，近年来光学相控阵技术[26](optical phase array，OPA)的发展为激光发射光束的快速扫描提供了一种新的手段，然而激光雷达除发射外还需对回波信号进行同步接收，目前技术上还有待成熟。扫描成像激光雷达从搭载平台来看主要分为星载扫描成像激光雷达、机载扫描成像激光雷达、车载成像激光雷达等。
3.1.1 星载成像激光雷达
星载扫描成像激光雷达主要用于空间交会对接、飞行器的导航着陆以及星载对地三维成像等。2005年MDA Space Mission[27]以及2013年中国科学院上海光学精密机械研究所[28]均提出使用二维扫描镜作为扫描机构，如图 3所示，分别具有10°×10°、30°×30°、120°×120°的最大扫描视场角，并利用二维扫描镜扫描角度可调的特点，实现空间自主捕获、定位和追踪合作目标，激光雷达系统工作距离覆盖范围从十几米到十几千米。
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2011年欧洲航天局(The European Space Agency)提出使用万向节作为扫描机构，实现了20°×20°的扫描角度，成像帧频不小于1 Hz[29]，如图 4所示。机械扫描三维成像激光雷达因其体积小、质量轻、功耗低、精度高、技术成熟等优点，广泛应用于空间交会对接和飞行器导航着陆。
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我国的空间交会激光雷达虽然起步较晚，但发展迅速，由中国科学院光电技术研究所和中电科27所联合研制的激光雷达已多次成功应用于我国空间站和神舟系列飞船的交会对接，技术指标已达国际领先水平。
美国国家航天局(NASA)一直致力于发展地球观测系统，测量冰盖质量平衡、冰盖高度和海冰厚度，云和气溶胶高度，以及陆地地形和植被特征等研制的ICESat和ICESat2星载激光雷达成像系统均已成功发射，完成既定任务[30-34]。ICESat在单像素测距的基础上，利用卫星平台的运动，实现对地表的单点扫描成像。ICESat于2003年1月13日发射成功，采用线性探测体制，在轨工作7年后，于2010年由于主要载荷失效最终导致任务终结，完成了对地球表面绝大部分地区的激光测绘工作。ICESat2同时发射三对六束激光，采用光子计数探测，每对间隔3.3 km，沿轨光斑间隔70 cm，测量地形高度变化小于4 mm。ICESat2已于2018年9月15日发射成功，预计在轨工作3年。为了实现更高的横向测量精度，NASA正在研制LIST(LiDAR surface topography)雷达系统，其采用1000像元的光子计数探测器方案，将能够实现5 m的横向分辨率和分米级的测距精度[35]。图 5为NASA星载激光雷达系统发展路线图。
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星载激光雷达平台运行轨道较高，需要探测的距离较远(400 km左右)，对系统的发射功率和接收口径有较高的要求。同时，星载激光雷达受平台载荷的限制，对系统的体积、功耗、质量又有严格的约束，因此具有更高灵敏度的光子计数激光雷达逐渐成为其技术发展方向。而随着对三维成像效率要求的提高，星载激光雷达系统逐渐从单点探测向着线阵推扫或面阵式成像发展，系统的横向分辨率和测距精度不断提高，系统的发展也越来越成熟。
3.1.2 机载成像激光雷达
机载扫描成像激光雷达主要应用于地形测绘、电力巡线、水下探测、遮蔽目标探测等领域。奥地利的Riegl、瑞士的Leica、加拿大的Optech和国内的海达数云、北科天汇等公司，已经有许多定型的商业化产品。以Riegl公司为例[18]，目前主要有VQ、LMS、VUX等系列的机载激光雷达，均使用反射式旋转多面转镜作为扫描机构、角分辨率均可达到0.001°、测距精度小于25 mm，VQ与LMS系列具有60°的扫描角度、VUX系列扫描角度可达330°，如图 6所示。
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1995年Fibertek公司[21]研制出了用于直升机防撞的激光雷达系统(HLR)，如图 7所示，以两个双楔形硅棱镜组成二维扫描器，可以探测到440 m外直径1 cm的电线。
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2003年MIT为了对隐藏在树林下的坦克等目标成像，提出利用衍射光学元件将光束分成32×32的阵列[12]，采用32×32 GM-APD作为探测器，并采用异向旋转的双光楔作为扫描部件，提高图像分辨率；最终通过150 m的飞行试验验证了系统具有5 cm横向分辨率和40 cm的距离分辨率，能够精确识别伪装的目标。此外，2007年约翰霍普金斯大学应用物理实验室[17]也提出采用可调整的Optech ALTM 3100商用激光雷达系统配以双轴万向节扫描装置，使用步进凝视探测模式，识别测量树木、丛林下的遮蔽目标，如图 8所示。
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NASA在机载扫描成像激光雷达领域也取得了丰硕的成果，2001年“Microaltimeter”首次完成了扫描单光子雷达(single photon LiDAR, SPL)的空中演示[36]。此后，在此基础上研发了满足低、中、高空探测的“Leafcutter”[37]、HRQLS[11](high resolution quantum LiDAR system)、HAL[38](high altitude LiDAR)等机载成像激光雷达系统。
机载扫描成像激光雷达系统是目前应用最广泛、发展最成熟的激光雷达系统，国内外的多家激光雷达公司都已经推出成熟的机载激光雷达系统，在城市地形测绘、电力巡线、水下探测等领域有着广泛的应用。根据机载平台的实际应用特点，目前机载激光雷达的最大测距范围一般为3 km~...