The evolution of LiDAR

Current airborne linear-mode LiDAR systems, such as the Leica Geosystems ALS series, capture 1 million points per second. Increasing the pulse repetition rate is the best way to achieve dense point clouds at lower costs, as the flying speed can be increased. The pulse frequency, however, is constrained by parameters such as energy consumption and eye safety. Single Photon LiDAR (SPL) technology enables a much higher pulse rate to be achieved, since much less energy is needed per pulse.

激光雷达systems are typically constructed from a number of components:

• 范围调查系统
• 扫描光学元件指导激光脉冲
• 一个位置和方向系统，以记录激光脉冲的起源点。

这些系统在每个发射的激光脉冲中使用相对较高的能量。每个脉冲都从飞机到地面，从那里反映回扫描仪。

通过使用每个脉冲能量更多的能量，可以记录更强的反射，因为飞机下方的地形会反射更多的光子。线性模式系统的输出令人印象深刻，这些系统提供具有高空间和辐射测量精度的数据。但是，该技术确实对可以实现的最大有效脉搏率施加了一些局限性。

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更高的脉搏率

脉冲重复率是定义数据采集期间可接受的飞行高度和飞行速度的重要参数。较高的脉冲重复率可以使飞行更快，同时保持相似的点密度。

随着脉冲老鼠e of linear-mode LiDAR systems increases, so, too, does the electrical power consumption. In addition, there will be greater heat generation by the lasers used.

脉搏率更高所需的越来越高的平均光输出能力是工程挑战。除了准确性和脉搏重复率外，传感器设计不仅需要考虑总电力消耗和系统冷却，还需要考虑大小，重量和眼睛安全。

为了迈出机载激元系统开发的下一步，必须减少每个脉冲所需的能量。这可以通过更改范围调查系统的性质和技术来实现。包括SPL系统在内的下一代激光雷达技术依赖于新的范围调查技术来实现较低的能耗和较高的脉搏率。

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From space to earth

SPL技术最初是针对地球卫星范围开发的，已证明可以使用每个脉冲中的激光能量最少生成准确的范围测量。与当前可用的线性激光痛系统相比，SPL系统包含一个激光分离器，将每个激光脉冲拆分为10x10小型激光束（Beamlets）的阵列。对于这100个束，光子的行进时间单独测量地面和背部。在SPL系统中部署的高度敏感的光子检测器的添加使得可以检测单个返回光子所需的能量要少得多。

SPL系统每秒可以产生60,000个脉冲。由于每个脉冲分为100束，因此这会导致6.0 MHz的有效脉搏速率 - 明显高于线性模式LIDAR可以实现的脉冲率。

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多个分数回报

线性模式LIDAR系统允许从完整返回波形内各种目标反射的峰进行注册，可以处理以检索多个返回。由于SPL系统不会捕获连续波，而是计算单个光子，因此无法使用这样的完整波形。但是，由于很短的频道恢复时间为1.6纳秒，仍然有可能检索多个回报。

This means that the photon counter is reset every 1.6 nanoseconds to count if any new photons return from the beamlet. These are then regarded as a new return. The result is a true multi-return LiDAR system with short inter-return separations of 24 centimetres. As a result, SPL systems can acquire high density point clouds of 12 to 30 points per square metre with many returns underneath canopies.

The point density varies inversely with the flying height. If the flying height is doubled, the covered swath will double, but the point density will be cut in half. An SPL instrument flying at 200 knots at 4,000 metres above ground will produce a point density of roughly 20 points per square metre.

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介绍the Leica SPL100

线性模式LIDAR仍然是机载映射的行业标准，但是SPL技术正在接受大型项目。例如，美国地质服务（USGS）3D高程计划（3DEP）旨在以高质量的激光雷达数据的形式系统地收集增强的高程数据，并探索了SPL技术。该系统已证明可以符合USGS QL1数据的准确性标准，该数据对应于非植根区域的高度精度优先大于10 cm。

With this in mind, Leica Geosystems introduced its first commercially available SPL airborne systems in the Leica SPL100 earlier this year. The newest sensor in the company’s airborne portfolio is the first to be released using Sigma Space technology since its acquisition by Hexagon in 2016.

新的SPL100是新的真人秀解决方案的一半，即Real-Terrain。亚博ag真人规律与HXMAP（可扩展的后处理工作流软件）结合使用，新解决方案可以有效地收集和快速处理大面积LIDAR数据集。SPL100采集和HXMAP数据处理所获得的效率使得诸如密集植被映射和变化检测等应用的更大，更频繁的LiDAR数据获取能够。

“ SPL技术最多是我们的飞行伙伴和客户的先前产品效率的10倍。现在可以在大面积上提供极高的高点密度，从而使我们周围的世界数字化以前无法详细介绍。”约翰·韦尔特（John Welter），莉卡（Leica Geosystems）内容和工程服务以及地理空间解决方案部门主席。“莱卡·雷特林（Leica Realterrain）是提供高质量的机载信息的下一个演变；既可以推进该领域，又塑造了数字现实的未来。”

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LIDAR的未来

SPL技术在准确性和辐射能力方面继续随着时间的推移而发展。这将导致SPL技术适合的应用领域的扩展。

还可以预期，SPL系统的有效脉搏速率将继续提高，就像在过去的二十年中，线性模式系统的有效脉搏速率稳步改善一样。由于目前的性能水平为每秒600万分，SPL系统可能会在不到十年的时间内每秒捕获10亿点。

Bringing down the cost per point through higher effective pulse rates is the best way to address large-area, high-point-density projects in the future. As the use of SPL technology becomes appropriate in more and more applications, we will see positive changes throughout industries, such as increased efficiency in resource management, more effective infrastructure planning and better preparation for natural disasters.

这个故事的一个版本首次出现在Gim International中。