通过采用专门设计的激光系统和基于门控数字全息的新方法，使得激光雷达能够透过遮蔽物（如叶子和网）来观察。图片由美国海军研究实验室提供

激光在20世纪60年代第一次出现之后不久，激光雷达——名字起源于“光”和“雷达”的结合——就因为其特有的精度被利用来测量时间和距离。激光雷达很快成为（3-D）三维测量的标准方法，现在被用于许多传感领域，例如用在自动驾驶汽车中。

通常通过来自飞机的激光扫描地面，激光雷达通过测量光从扫描区域反射回来的时间计算出了距离，从而获得高分辨率的地形参数。

随着激光和电子技术的发展，激光雷达能够克服真实环境中一些不可避免的限制因素和遮蔽效应（如动态天气模式）。来自华盛顿特区海军研究实验室的研究人员提供了一种方法，通过专门设计的激光系统和基于门控数字全息的新方法，可以让激光雷达增强能力，透过其他地形遮挡因素如叶子或网线。来自海军研究实验室的Paul Lebow在2017年6月26日至29日在加利福尼亚州旧金山举行的光学学会成像和应用光学大会上介绍这项工作。

Lebow说：“这是试图采用树叶穿透激光雷达解决问题。实际上可以用它来检测类似树冠这种遮蔽物后面的三维图像，例如在灾难救援的情况下寻找受困人员。可以使用激光雷达通过树叶照明，并获得足够的反射光线，以便能够重建一个三维的地形图，看看下面发生了什么。”

到目前为止，激光雷达很难测量隐藏在叶子后面的表面。在这些情况中，大多数初始光被舍弃，相机只检测到来自地面的光，因为打到叶子的光线永远不会到达地面。此外，遮挡和反射的光线信号很强，淹没了从地面返回来的微弱信号。

“我们已经应用一个称为光相位共轭的过程一段时间了，通过叶片的开口投射激光束，通过部分遮拦可以看到。”Lebow说，“由于技术的发展，这个过程可能是在最近五年才真正可行。我们20年前使用非线性光学材料的方式，是一个很艰难的过程。现在一切都可以通过使用数字全息和计算机生成的全息图做到。”

据Lebow和他的同事Abbie Watnik的描述，这种新系统使用一种特殊设计的激光器，仅用了一年半就研制出来了，但它是一个十分必要的部件。Abbie Watnik也是海军研究实验室成员和文章作者。

Watnik说：“我们系统工作的关键在于传感器上两个激光束之间的干涉，我们发送一个激光束到目标，当光束返回击中探测器的同时，我们用另一种激光束与其局部发生干涉。我们需要保证这些光束之间是完全相干的，使它们发生干涉，所以我们必须有一个专门设计的激光系统，以确保在相机干涉时获得相干性。”

使用脉冲宽度为几纳秒的脉冲激光器，以及具有类似时间分辨率的门控测量结果，全息系统选择性地阻挡从遮拦物反射的那些最先到达的光线。然后相机只测量从下面部分隐藏的表面回来的光线。

Lebow表示：“我们以前使用CW（连续波）激光器做了这个演示，但是现在我们正在使用脉冲激光器和一个非常快速的门控传感器，可以在适当的时间开启，基本上只对我们的目标返回的光线响应。激光器的设计使得参考脉冲与从目标返回的信号脉冲之间的时差完全可调，以适应从几英尺到几公里的距离。”

Watnik说：“这意味着，我们既可以在实验室桌面上使用这套激光系统，也可以在室外使用与该范围相同的激光器。”

这个基于实验室阶段的初级系统已经证明了其实力和潜在的现实价值。使用穿孔索引卡模拟（实验室安全的）树叶，不仅能够对穿孔索引卡隐藏的内容成像，而且它们的建模也能够重新创建 “叶子”的拓扑结构。

Watnik说：“我们能够利用我们的真实数据，验证我们的计算机模型是如何使用空间光调制器来匹配的，所以我认为这是一个有趣的验证结果。”

Watnik和Lebow以及他们的研究小组希望继续这个项目，并对他们的原型进行必要的修改，使树叶穿透激光雷达系统能够在外场使用。

Lebow表示：“如果我们获得资金，这将是我们的下一个计划。我们已经有几个其他不是专门针对激光雷达的后续项目，例如光束转向和其他数字全息工作，基于非常相似的属性和原理，通过雾和浑浊的水进行成像。”

来源：https://m.phys.org/news/2017-06-forest-trees-lidar.html

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