激光雷达原理ppt课件

I P (r) U P (r) 2 I00
r r0 r r0
R-光束横截面积的极坐标（圆 对称性）； R0-光电探测器光敏面半径； UP(r)-均匀光束振幅分布函数； I0-常数因子
光束宽度是对发射激光束轮廓角度展幅的
度量。
激
束宽由光束内光强下降到波束峰值光强所
光
指定百分比的位置决定，或由内接收功率 达到发射总功率所指定百分比时的角弦来
束
决定。习惯上使用半宽度代替整个束宽。
的
当发射光束均匀照明一个圆形输出孔径时， 衍射极限的束宽为
物
p

2.44
d
理
高斯光束的有效束宽定义为e-2(0.1359)
描
峰值功率处的整个宽度。
述
衍射极限发射光束的有效束宽为
G

2 arctan0
r

1


r w0

2
US (r,是t) 入射光辐射电场振幅，是入射光的角频率。根据波印 亭法则，光辐射场平均功率：
P

1
Re(
E
A2

E
)dA

1 2
S
Us
2 dS
若光探测器的负载电阻RL，则光探测器输出的电功率为：
i e P e U (r,t) 2 dS
h 2h S
式中：S为光探测器光敏面积。光探测器输出的光电流为：

1
/
2
在远场，即时，高斯光束的束宽可以近似
激
G

2 w0
光
爱里斑的宽度定义为：第一个暗环（第一个 最小值）的角弦，
束
光束质量一般定义为
Q M T
的
M实际发射机束宽(rad);
物
T理论衍射极限发射机束宽(rad)
理 描
均匀照明时非衍射极限波的发射束宽为 2.44 Q d
激光脉冲发射到接收信号回波的时间
光

180后向散射分布函数
雷
P0
激光器发射功率
达

发射激光脉冲宽度
方
r0
光电探测器光敏面半径
程
2
激光发射束散角
2
接收光学系统视场角
Et , Er
激光发射时或在处归一化振幅
后 向 散 射 激 光 雷 达 方 程
在考虑高斯光束情况下，即：
Et

exp
r2 (z)2
Байду номын сангаас
达
接收信号光能量：
方
ES PS T
程
接收信号光光子数：
一
NS ES / h
般
其它参量定义：
形
Ar—光学天线有效接收孔径；R—激光雷达作
式
用距离；or—接收光学系统效率；t—发射
光学系统效率；T2—双程大气透过率
激 光 束 的 物 理 描 述
激光束归一化函数：在激光雷达设计和分 析中，经常遇到三种典型的光束形状： 高斯光束 爱里光束 均匀光束（平面波）。
激 光 束 的 物 理 描 述
I A (r)

U A (r)
2

I
0

2
J
1(

)

2
-光波波长； F-光学天线的有效焦距； D-光学天线的有效孔径； F-光学天线系统的“F”数, F=(f/d)； J1()-第一类贝塞尔函数, =(r/F)； UA(r)-爱里斑振幅分布函数；
IG (r)

UG (r)
2

I0
exp
2r 2 w2 (z)

w(z)2 w02[1 (r / w02 )2 ]
R(z)2 w02[1 (r / w02 )2 ]
wO-高斯光束的束腰半径; wZ-高斯光束模场半径 ； z-高斯光束波前距束腰距离 R(z)-高斯光束波前曲率半径 UG-高斯光束振幅分布函数
述
高斯分布的非衍射极限波的发射束宽为：


2Q arctan0
r

1

r 0
2 1/ 2


不
短脉冲/扩展目标：与发射能量和(D/R)2成比例
同
目
标
未截断零深度硬目标：与发射能量和(D/R)2成比例
的
激
光
截断零深度硬目标：与发射能量、(D/R)4和(1/2)成比
PS
i 2 RL

(
e h
)
2
P
2
RL
光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方
直 接 探 测 理 论
直接探测系统的信噪比
设入射到光电探测器的信号光功率为Ps , 噪声功率为Pn， 光电探测器输出的信号电功率为Sp，输出的噪声功率为Np， 由光电探测器的平方律特性可知：
S p N p (e / h )2 RL (Ps Pn )2 (e / h )2 RL (Ps2 2Pn Ps Pn2 )

exp(z
)
( 2 )z2
Er

exp
r2 (z)2

exp(z)
( 2 )z2
P(z) P0

(c 8z2
)r02
G(z) exp(2z)
G(z)



2 2
2

exp

(
2
b2
2)z2

PR

激
光
雷
达
方
激光雷达接收的信号功率等于:发射激光功
程
率分布与目标后向散射系数的卷积,再考
一
虑
般
光学天线、大气传输衰减等因素。
形
激光雷达方程一般形式可用下式描述：
式
激光发射功率归一化函数
激
Jt (x, y)dxdy 1
光
探测目标后向散射函数：
雷
(x, y, r) d (x, y, r) / dr
一、激光雷达方程
相干激光雷达
信号的幅度和位相
非相干激光雷达
激
信号的幅度
光
雷
达
原
理
激
激光雷达方程描述激光发射和接收的物理 光学过程
光
它包括以下四个环节：
雷
激光到目标的传输；
达
目标对激光的反射；
方
散射光到探测器的传输；
程
接收机对散射光的收集。
物
理
过
程
光反射角及光束形成示意图
SNR2eI (1
S
B)f
1/ 2
Ib KORL(r02 )( 2 )S
I Ib Id
二、直接探测理论
直 接 探 测 理 论
光电探测器的平方律特性
假定入射的光辐射电场为 E(r,t) E(r,t) eˆU (r,t) exp(it)
偏eˆ 振方向上的单位矢量，
雷
例
达
距
离
方
程
在小角近似情况，激光雷达方程可以表示为：
后 向
P(z) (z) (z)cr02 2
P0
8
Et (r, z)Er (r b, z)d 2r
r x, y

b b,0
散
(z) 在z处散射系数
射
z ct 激光雷达作用距离
2
激
t