激光雷达技术在军事领域应用现状及发展趋势

樊博璇 陈桂明 常 亮 常 东 赵 喆

激光雷达技术在军事领域应用现状及发展趋势

樊博璇陈桂明常 亮常 东赵 喆

（1.火箭军工程大学，西安 710025；2.火箭军装备部驻西安地区第一军事代表室，西安 710025）

激光雷达技术因其同步、快速、高精度的特点，在军事领域掀起了一场技术革新。文章详细介绍了激光雷达在军事领域的应用现状，特别强调了在军事领域的应用优势。最后，归纳了在虚拟训练、战场侦察、装备全寿命数字化管控3个军事领域的发展趋势。

激光雷达；侦查探测；军事应用；三维建模

1 引言

近几十年来，世界各国对于激光雷达技术在军事领域的研究不断深入，使激光雷达的发展理论日趋成熟，在军事上已用于弹道导弹防御、精密跟踪、制导、靶场测量、火控、振动遥测、侦察、水下探测等领域。国外从90年代开始大规模应用激光雷达技术，目前已渗透至测绘、文化产业、工业设计、能源、交通等多个领域，国内在测绘、文物保护等领域应用较多，其他领域处于科研、探索阶段。在军事领域，美、德、日已展开应用，我国基本没有采用激光雷达技术的三维逆向工程应用案例，尤其在装备三维数字化、战场侦察、目标识别等方面仍主要依靠人工或影像途径。

本文介绍了激光雷达在军事领域的应用现状，特别总结了近年来其在军事方面的应用优势，并且分析了激光雷达在军事领域的发展前景，重点展望了其在装备全寿命数字化逆向工程中的应用。

2 军事应用现状

2.1 侦察成像激光雷达

激光雷达因其高精度、高分辨率、高自动化、高效率，以及多重反射特性的优势，测量时可同时获取地面及其表面植被、电力线路等覆盖物的精确三维坐标，已成为重要的侦察手段。1992年，美军演示了远距离使用主动三维成像激光雷达探测识别空中和地面的目标。其在Pack Tack吊舱安装了CO激光雷达，发射机和接收机共用一个孔径，CO激光器的输出功率100W、光束发散度100mrad，采用的256焦平面凝视阵列的工作波段在3.8～4.5μm，灵活的光束控制反射镜的分辨率为4mrad，可利用距离剖面、目标外部变化、三维激光雷达成像和高分辨率红外成像实现目标识别。美国Le Siang公司研制的ILR100激光雷达，部署在待侦察区域上空飞行的航空器上，可在飞机显示器上实时显示获得的三维影像，或发送至地面站（见图1）。

图1 机载激光雷达扫描方式

2.2 水下探测激光雷达

激光雷达可分辨水下目标的形状和尺寸，具有一定的水下探测能力，而透水激光雷达系统更可穿透水体而量测水底的地形起伏。

20世纪60年代末，第一个激光海水测深系统研制成功。迄今美国、澳大利亚和瑞典等国家都推出了实用型海洋激光雷达，发展了三代机载海洋激光雷达系统。1988年美军一艘护卫舰被水雷击沉，在此之后美国Kaman航天公司开始研制Magiclamp机载水下探测激光雷达。该激光雷达发射机采用Nd:YAG激光器，使用蓝绿激光宽光束发射器，电子选通像增强CCD光电检测设备和精确脉冲定时发生器，具有与点阵扫描非成像激光雷达类似的扫描机构。Magic lamp激光雷达可以在海面上500m以下的高度工作，低空分辨率和信噪比较高而视场有限。探测时，只需使用机载激光器向海面发射激光脉冲，就可显示水下目标的形状等特征，实现快速探测目标并准确定位。Magic lamp激光雷达在海湾战争期间成功地发现水雷，有效降低了美军的损失。

美国Northrop公司研制的ALARMS机载雷达探测系统，能够实时自动检测并显示可疑的水下目标，可以24h工作，三维定位能力和定位分辨率高。

2.3 寻的制导激光雷达

上世纪70年代中期，激光雷达精确的制导性能开始被应用到导弹系统，激光雷达可以提供高分辨率图像，热能辐射干扰小，激光雷达寻的器能形成目标的三维影像，确保准确地识别目标。美军着重研制的激光雷达制导武器“宝石路”，成为了早期最成功的激光雷达精确制导武器之一。这种激光雷达制导炸弹的目标命中率相比以往炸弹高出约40%，被成功应用在越南战场上。

此后，美国空军Wright实验室研制了用于制导的固态激光雷达导引头，能凭借反射回来的激光波束，定向追踪目标物。其先使用追踪模式工作，以750m的扫描宽度、100Hz的频率精确自主扫描，捕获目标后转变为扫描宽度为100m的攻击模式。其使用的自主目标捕获与识别算法，能够区分弹道导弹、雷达盘型天线、炮弹等，具有先进的特征提取功能，最大化提升了武器装备的命中效率，支持了空军的小型灵巧炸弹和海军先进的巡航导弹的研制。其在1997年的飞行试验中成功识别出了“飞毛腿”导弹目标。

美国Lockheed Martin公司研制了一种低成本小型制导子弹药，制导依靠惯性GPS激光雷达导引头，能够自主攻击地面目标。这种子弹药可由多种主战撒布器投放，攻击机动导弹发射架、坦克装甲车辆、地空导弹阵地等。美陆军正在研制能用于子弹药的小型激光雷达的经济有效的寻的器技术，以能够攻击轻型装甲。美军新型子弹药尺寸空间更小，对寻的器的尺寸也提出了更高要求，美陆军正在发展新的将探测器与脉冲捕获电子系统集成的方法，并考虑采用声光扫描器、相控阵扫描器或转楔扫描器等技术代替常平架扫描器技术，以及将普通光学系统升级为全息衍射光学系统。

2.4 直升机避障激光雷达

低空飞行的直升机容易撞到山丘或建筑物等地面障碍，世界各国都在研制直升机用的避障激光雷达来解决这一问题。美陆军和Rothrop Grumman公司联合研制的直升机超低空飞行避障系统已在两种直升机上进行了试验。该系统通过探测直升机前方较大范围区域，并将地面障碍物信息实时显示在头盔或平视显示器上，保障安全飞行。另外，Fibertek公司在美陆军指导下，研制了已安装在UH-1H直升机上的直升机激光雷达系统。该激光雷达由二极管泵浦的1.54μm固体激光器、接收机、扫描器等组成，探测能力更强，可探测到电力线等障碍物。

CLARA激光雷达由德国Dassault公司和英国Marconi公司联合研制，其以CO激光器为基础，具有目标测距、地形跟踪以及活动目标指示功能，还可作为直升机载障碍报警系统，能探测标杆和电力线等障碍，对前方5mm电缆可提前10s报警，是恶劣天气中的重要补盲手段。Hellas障碍探测激光雷达由德国Daimler-Benz公司研制，其使用1.54μm固体成像激光器，能够探测300～500m距离以内，直径大于1cm粗的电线。1999年1月德军订购了25部Hellas障碍探测激光雷达，安装在其新型直升机上。

2.5 生化污染探测激光雷达

传统的生化污染探测装置由士兵操作，士兵一边探测一边前进，不仅探测速度慢，而且士兵存在风险。很多国家正在采取措施应对生化武器威胁。由于每种生化污染物质只吸收某特定波长的电磁波，根据这一特性，可使用激光雷达技术进行生化污染的遥测识别。

俄罗斯研制的KDKhr-1N地面激光远距离毒气报警系统，可实时远距离测定毒剂气溶胶云的距离、中心角坐标、高度、厚度以及毒剂其它相关参数。其工作时，由激光雷达激光发射机采用气溶胶光学定位方法探查大气，记录毒剂散射的激光辐射。德国研制的VTB-1型遥测化学战剂传感器技术更加先进，利用微分吸收光谱学原理遥测化学战剂，包括两台可在9～11µm间可在40个频率上调节的连续波CO激光器，既安全又准确。

2.6 大气监测激光雷达

在高空投掷炸弹和其它兵器时会受到风的干扰。激光雷达可通过测量大气中颗粒的后向散射实时测量风场。利用这一特性，美空军利用机载激光雷达测量飞机与地面间的实时风场，风场图按100m分层，速度精度在0.5m/s以内，通过调整投掷点，补偿风的影响，实现了从3000m以上高空的精确投掷。

此外，飞机后的紊流会给与其相遇的飞机造成一定危险，激光雷达能够在飞机与紊流相遇前对紊流阵风进行探测，为军用飞机提供安全保障。英国国防鉴定与研究局研制了能对飞机后微爆风切变和尾流速度进行测量的激光雷达，利用这种激光雷达实时监测飞行跑道，能够在保证安全的前提下增加飞机通过量。B-2轰炸机配备的激光雷达，采用低截获概率激光发射机和激光接收机，能够检测飞机后有无暴露这种隐形轰炸机的凝结尾流，一旦探测到突然出现的凝结尾流，则立即报警。

3 在军事领域的应用优势

由数量制胜转变为质量制胜，是现代战争发生的显著变化之一，国家安全利益已超出传统的领土、领空、领海范围，对于未知战场环境的有力侦察以及有效决策，是决定未来战争走向、打赢信息化战争的重要基础。

a. 激光雷达测量数据精度高，可对目标进行细节分析，并为精准打击提供可靠依据。

激光雷达的数据精度主要取决于惯性导航系统与激光发射器的性能。目前，一般民用激光雷达系统在飞行高度1000m的情况下可达到10cm以内的地表点，常被用于检测分析建筑物、道路、桥梁等地物的位置、高度、轮廓等信息。而军用激光雷达使用的惯性导航及激光脉冲设备配置较民用更为高端，可提供厘米甚至亚厘米级精度的测量数据。军用激光雷达不仅可对大尺度战场场景进行快速侦查、记录、重建，还可对如装甲车、战斗机等小型目标的高度、宽度、长度、轮廓、口径等关键参数进行量化分析与型号匹配，为目标精确打击提供快速可靠的情报，如图2、图3所示。

图2 三维可测地形成像示例图

图3 激光雷达战场地表信息示例图

b. 激光雷达可提供三维点云数据，自动化程度高。

通过激光雷达技术探测到的目标以密集三维激光点（又称激光点云）的形式被记录，如图4所示。与二维的光学影像相比，激光雷达提供了额外的深度信息，基于三维图形的模式识别算法较基于二维图形的算法则更为精确，其受光影噪音及遮挡噪音的影响较小，从而降低了对人工识别的需求。战场环境中的装备往往经过色彩伪装，与周围场景具有类似的色彩与纹理，给基于光学影像的图像分析算法带来了很大困难。而基于三维激光点云的识别算法主要分析目标的空间结构，可独立胜任色彩隐蔽目标的识别。此外，离散的三维点云也可直接根据空间方位参数投影转换至二维深度影像数据，无缝与光学影像融合进行多源数据融合的目标分析与。

图4 激光雷达成像后的坦克图像

c. 激光雷达具有多回波性，有利于隐蔽目标探测。

作为一种主动式数据探测技术，激光雷达脉冲可穿透一部分较薄障碍物，如植被、伪装帆布等，并获得障碍物背面物体的激光反射，能量较大的激光脉冲还可穿透较厚的障碍物，或穿透多层薄障碍物。通过分析激光雷达的多回波信息以及回波变化信息，可对隐藏在森林区域的敌方目标实现侦测。

d. 激光雷达可获取目标反射强度信息，用于目标物质分析。

除了三维空间坐标和多回波信息，激光雷达还同时记录了激光被目标表面反射后光波的振幅，又称为反射强度信息。激光雷达反射强度与激光飞行距离（已知）、入射角度（可计算）以及反射面的物质具有确定数学关系。最新研究成果已经可以通过激光雷达反射强度推算出目标表面的物质类型，如泥土、岩石、木材、金属等，通过对战场环境激光雷达数据反射强度的分析，可将自然环境与人造物体有效区分，甚至可推算出人造物体表面的金属类别，与几何信息配合可分析出其具体类型及型号。

4 在军事领域的发展趋势

近些年，激光雷达在测绘市场所占的份额不断扩大，其应用的领域和深度也日益拓宽和加深，我国学者也投入到激光雷达技术的研究中，但总体而言，我国无论在激光雷达的硬件研制及理论研究，还是在实践应用方面都落后于西方发达国家，许多新体制激光雷达仍在研制或探索之中。虽然目前已有多种激光雷达系统投入使用，但激光雷达仍有很大发展应用空间，尤其是激光雷达的研究工作将主要集中在虚拟装配和战场侦察等逆向数字化工程应用方面。

基于三维激光雷达的武器装备逆向数字化工程的主要优点有：

a. 精度高。采用三维激光雷达进行中距测量的误差可小于1cm，进行近距测量的误差可小于1mm或亚毫米，进行手持拍摄的误差则可达到微米级。相较于传统方法，三维激光雷达可直接还原三维坐标，比二维影像资料信息更加精准。

b. 效率优。采用三维激光雷达进行逆向测量可以提高10倍以上的工作效率，同一个武器装备零部件如半个小时完成逆向建模，则传统影像方法需要影像从不同角度进行匹配和拟合，整体流程大约相差十倍以上，而传统正向CAD需要图纸，且效率精度较三维激光雷达都较低。

c. 模式新。三维激光雷达逆向建模采用非接触式交互还原模式，无需任何前置性资料即可对武器装备直接还原，尺寸可从厘米级至千米级。此外，还可在不可动、不可进场景以及全天候无人机航拍大场景等特殊情景中使用。

d. 应用广。三维激光雷达关于武器装备的逆向数字化工程应用是一种崭新的底层技术革新，可用于虚拟装配、标准化装备库建设、营房管控、战场侦察、特征识别、实时变化对比、质量检验和毁伤评估等多个领域，很多应用有待开发，在国防建设中潜力十足。

4.1 虚拟训练

从上世纪80年代以来，世界各军事大国十分重视虚拟训练系统的建设，纷纷制订了一系列的研究计划，投入巨资开展相关技术的研究。我国自上世纪90年代以来，也积极开展虚拟现实技术在军事上的应用研究。实践资料表明，我军在使用虚拟维修训练系统后，参训人员有了更多的时间参与、分析、判断装备情况，维修效率比传统方式提高10～20倍。使用中小型激光雷达设备可快速逆向采集装备的高精度三维点云数据,在虚拟维修领域可以克服传统的纯正向开发中所面临的图纸不全、分辨率不足、精度不高等固有缺陷，可大幅提升装备维修、装配培训效果。基于激光雷达逆向重建的虚拟训练作为一种崭新的模拟方式，必将发挥更大的作用。

4.2 战场侦察

激光雷达三维成像能力强，其数据经简单处理即可得到侦察区域多层次的三维图像，在时效性方面具有明显优势。与光学和微波成像相比，激光雷达成像能够在侦察区域目标的同时获得目标高程数据。激光雷达数据图像所包含目标的位置、体积、形状等三维立体信息可充分反映目标的几何信息，但不能充分反映目标光谱信息；而可见光/红外电视数据图像包含丰富的目标光谱信息，但对目标的几何信息只能是二维的平面位置信息。将激光雷达数据图像与可见光/红外图像相融合，可发挥出各自的优势，提升战场态势感知能力，如图5所示。

在进行战场侦察时，三维激光雷达还可用于对目标的自动扫描识别。激光雷达可快速对目标进行激光扫描，获取目标的三维点云模型数据，并进行基于量测参数或空间分析的智能目标识别，如图6所示。

图6 三维自动目标识别

4.3 武器装备全寿命数字化管理

20世纪末的几场高技术局部战争充分证明，高技术条件下的军事对抗，不再取决于装备的总体规模和个别武器的先进性，武器装备建设要强调体系建设，强调整体作战能力，注重装备全寿命管理，优化武器整备体系结构的完整性和适应性。装备全寿命管理中，装备研制生产、训练使用直到退役报废实行一体化管理，把追求装备战技性能、全寿命费用、研制进度和综合保障最佳匹配作为目的，以及装备各分系统、部件之间甚至过往同类型号的协调发展，贯穿全寿命过程，统一标准形成一个整体。

但目前的装备制造企业大多采用人力生产思想开展生产组织，并在此基础上完成大规模武器装备的生产任务。人力生产具有不确定性且信息处理能力有限。而且武器装备全寿命管理期间会经历很多单位，传统阶段管理容易忽略阶段之间的继承性和衔接性，现阶段无法解决在统一平台同一标准下进行管理，因此，利用装备真实三维数字化平台进行统一管理尤为重要。将三维激光雷达技术人与装备全寿命各场景有机结合，通过逆向数字化管控可靠地、有效地、可重复地在装备全寿命各场景稳定运作，帮助装备制造单位提升生产过程中的质量稳定性，优化生产效能。

4.3.1 装备虚拟装配

武器装备目前正向大型化、复杂化、智能化发展。大型复杂武器装备由数以万记的部件组成，装调繁琐，它对产品的装配工艺以及设计效率都有极高的要求。传统装配是依据实物模型来完成的，面对日趋复杂的武器装备，装配工程显得尤为浩大。若发生任何微小的错装现象都可能导致重新拆装，将大大降低整体装配效率。通过对大型复杂武器装备采用虚拟装配技术，能够将合格的装配仿真分析结果输出，实现设计与工艺协同，并验证工艺可行性，提升装配效率。

图7 武器装备虚拟装配流程示意

武器装备虚拟装配仿真的一般流程：首先，利用激光雷达扫描成像以及计算机点云解算建模，建立装备零部件的三维数字化标准库，并标注各个部件零件的装配关系及形状特征，建立虚拟装配的工件元素；然后，根据装备装配工艺大纲和工艺参数，建立虚拟装配步骤，优化装配关系顺序，确定虚拟装配序列节点；最后，在虚拟现实交互硬件的辅助下，可完成装配者对武器装备的装配和拆卸学习、练习和考核，并且在虚拟装配中采集各类装配问题，整理为问题特征信息进行分析和调整，使武器装备的工艺工序更加合理化，最终满足零部件生产要求，如图7所示。

4.3.2 装备数字化质检

装备产品外观缺陷检测是产品质检中的难题之一，目前质量缺陷检测主要是工人针对产品的形状、颜色的变化，通过经验比对来识别并分类，而非科学定量分析，增加了武器装备质量可靠性风险。

针对这一亟待解决的问题，可以采用三维激光雷达技术形成一种有效的光学测量系统与测量方法，准确识别产品是否存在缺陷及缺陷类型，并在图像上标注缺陷位置。检测前，通过最大限度地从样本数据中提取收集装备产品的CAD模型、生产工艺、缺陷成因、缺陷分布、质量标准等参数信息，获得符合装备数字化质检要求的先验特征信息，测量的最终结果能够量化成为入射孔径、景深、视场角、亮度、照度等光谱信息，并通过光学成像分析系统，将检验结果量化成为各类参数，最后通过与先验特征信息进行比较和评估，确认产品缺陷位置和性质，生成检测报告，如图8所示。

图8 装备数字化质检流程

比较和评估过程中，建立激光雷达光学微观分析系统对于研究不同材料表面的处理工艺和形态构造，具有很好的指导性。例如，在非金属材料缠绕工艺产品中会因应力不均出现一种表面缺陷，但在人眼视觉下只能判定这种缺陷为“具有不一致颜色变化的表面差异”。在这种情况下，利用光学折返特性原理，采用激光雷达光学微观分析系统，对产品进行多时相的2D和3D微观扫描，进一步比对生成的图像就能发现光学折返射特性的变化差异，最终将与先验信息对齐后的准确图像输出，判断出表面缺陷的特征。此外，3D多时相性边界对比和特征实时变化对比，可用于武器装备的实时毁伤效果评估以及周期性的形变分析检测。

5 结束语

激光雷达技术虽已取得飞跃性的发展，但要想真正成为战略武器系统的一部分，还面临着巨大的瓶颈，目前激光雷达较高的技术壁垒和成本价格，使其推广和产品落地受阻。尽管如此，激光雷达的军事应用水平从根本上代表着未来军备的发展方向。其将来在军事上的应用极可能对我军的整体作战战略以及作战方式产生颠覆性的影响力。相信假以时日，在前沿技术的推动下，激光雷达必定能在未来战争中担任更为重要的角色。

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Application Status and Development Trend of Lidar Technology in Military Field

Fan BoxuanChen GuimingChang LiangChang DongZhao Zhe

(1. Rocket Force Engineering University, Xi’an 710025; 2. The First Military Representative Office of the Rocket Force Equipment Department in Xi’an Area, Xi’an 710025)

Lidar technology has set off a technological innovation in the military field because of its synchronization, speed, and high precision. The article introduces the application status of Lidar in the military field in detail, and especially emphasizes the application advantages in the military field. Finally, it summarizes the development trends in three military fields, namely virtual training, battlefield reconnaissance, and full-life digital management and control of equipment.

lidar；reconnaissance and detection；military application；three-dimensional modeling

TN958.98

A

樊博璇（1987），博士，兵器科学与技术专业；研究方向：武器系统运用与保障工程。

2021-04-13