固态激光雷达研究进展
Opto-Electronic Engineering 光 电 工 程 Review
2019年，第46卷，第7期
190218-1 DOI: 10.12086/oee.2019.190218
固态激光雷达研究进展
陈敬业，时尧成*
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310058
摘要：激光雷达可以高精度、高准确度地获取目标的距离、速度等信息或者实现目标成像，在测绘、导航等领域具有重要作用。本文首先介绍了从机械式向全固态过渡的微机械系统激光雷达解决方案；其次针对激光雷达全固态的发展需求，介绍了面阵闪光、相控阵激光雷达的基本原理和典型实现方法，从液晶、光波导材料等研究方向阐述相控阵激光雷达研究现状；最后总结了目前激光雷达存在的问题及不同的解决方案，并对未来发展趋势进行了展望。 关键词：激光雷达；微机电系统；闪光；光学相控阵 中图分类号：TN249 文献标志码：A 引用格式：陈敬业，时尧成. 固态激光雷达研究进展[J]. 光电工程，2019，46(7): 190218 Research progress in solid-state LiDAR
Chen Jingye, Shi Yaocheng*
State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China
Abstract: Light detection and ranging (LiDAR) system can be used to capture the distances and speeds of the tar-gets with high resolution and high accuracy, and can also form imaging. It is important for the applications such as mapping, and navigation, et al. This paper introduces the LiDAR solution based on micro-electromechanical system (MEMS) is a transitional scheme from mechanical one to solid-state. Meanwhile, in terms of the requirement of sol-id-state, the principles of Flash and optical phased array LiDAR are introduced in this paper. At the same time, the miniaturization trend of LiDAR is presented with optical phased array based on liquid crystal (LC) and integrated optical waveguides. At last, the performances and open issues of the solutions for LiDAR are concluded and the development trends of LiDAR are summarized with outlook. Keywords: LiDAR; MEMS; Flash; optical phased array Citation: Chen J Y, Shi Y C. Research progress in solid-state LiDAR[J]. Opto-Electronic Engineering, 2019, 46(7): 190218 1 引 言
雷达技术作为人类感知世界的“眼睛”，具备对于
人类视觉范围以外、中远距离的环境感知的能力，在
现代军事和民用领域都扮演着重要的角色[1-4]。众所周 知的毫米波雷达、微波雷达、超声波雷达等传统技术
发展历程较长，技术相对成熟，激光雷达(LiDAR)相比
传统雷达的工作频段，光频段的波长较短，因而可以
极大提高雷达的距离分辨力、角分辨力、速度分辨力，
—————————————————— 收稿日期：2019-05-05； 收到修改稿日期：2019-06-06 基金项目：国家自然科学基金资助项目(11861121002) 作者简介：陈敬业(1993-)，男，博士研究生，主要从事集成光电子器件的研究。E-mail：jingyechen@zju.edu.cn 通信作者：时尧成(1981-)，男，博士，教授，主要从事光通信、光互连、片上相控阵激光雷达、集成光电子器件的研究。 E-mail：yaocheng@zju.edu.cn 光电工程 DOI: 10.12086/oee.2019.190218
190218-2 并且得益于激光的高方向性和高相干性，可以实现远
距离抗干扰探测与测距。激光雷达测距和测速具有不
同的工作方式，测距一般可以通过飞行时间法和三角
法实现，调频连续波的探测方法则可以实现速度、距
离的同时测量。通过高灵敏的探测手段，可以精确获
得目标的距离、速度等信息，在导弹制导、测绘、无
人驾驶等领域发挥重要的作用[5-7]。
通常激光雷达可以分为两大类：机械式激光雷达
和固态激光雷达。机械式激光雷达采用机械旋转部件
作为光束扫描的实现方式，可以实现大角度扫描，但
是装配困难、扫描频率低。固态激光雷达，目前的实
现方式有微机电系统(micro-electro-mechanical system,
MEMS)、面阵闪光(Flash)技术和光学相控阵(optical
phased array, OPA)技术。MEMS采用微扫描振镜，达
到了一定的集成度，但是受限于振镜的偏转范围；
Flash技术已有商用，但是视场角受限，扫描速率较低；
OPA扫描技术是基于微波相控阵扫描理论和技术发展
起来的新型光束指向控制技术[8]，具有无惯性器件、
精确稳定、方向可任意控制等优点，成为近年来研究
的热点，液晶、集成波导光学相控阵等固态技术方法
层出不穷。激光雷达在无人驾驶、机器人等人工智能
领域也将向着小型化的趋势发展。
本文围绕激光雷达在智能等领域向着固态、小型
化发展路线，综述了国内外的研究进展。第2部分简
要介绍了激光雷达的工作原理；第3部分介绍了
MEMS激光雷达技术原理及方案；第4部分介绍了
Flash激光雷达技术原理及研究；为向更高集成度方向
发展，第5部分着重介绍了OPA激光雷达技术原理及
典型方案，具体从液晶(liquid crystal，LC)、电光材料、
绝缘体上硅(Silicon on insulators，SOI)等材料平台分别
介绍了近年来的研究现状。最后，第6部分对于所述的激光雷达技术方案作总结，比较其优缺点，总结发
展趋势及做出展望。
2 基本原理
激光雷达可以高精度、高准确度地获取目标的距
离、速度等信息或者实现目标成像。如图1所示是激
光雷达的发射和接收在同一系统中的工作原理。激光
通过扫描器单元形成光束角度偏转，光束与目标作用
形成反射/散射的回波。当接收端工作时，可产生原路
返回的回波信号光子到达接收器，接收端通过光电探
测器形成信号接收，经过信号处理得到目标的距离、
速度等信息或实现三维成像。可见，光束扫描器和探
测系统的实现方式便是研究重点，需求从机械式向小
型化全固态方向发展。
3 MEMS激光雷达
微机电系统(MEMS)可达到一定的集成化要求，引
起了人们的广泛关注。如图2所示，目前已逐渐商用
的MEMS激光雷达是采用微振镜结构进行激光束偏
转[9]，微振镜需要具有平整的光学镜面，将机械式激
光雷达的旋转部件微缩，增加集成度。
二维扫描的MEMS微振镜是激光雷达的关键器
件，主要可以通过电热效应、静电效应、电磁效应和
压电效应驱动。有研究小组通过对电热双压电晶片驱
动的微振镜加热，金属铝的形变大于介质硅，从而形
成微结构的振动[10]。实验可以施加电压2.3 V，获得
9°的偏转角。但是电热效应引起微振镜偏转通常响应
速度较低，有实验通过施加12 mW的电功率，响应速
度只有74 Hz[11]。电磁效应驱动的MEMS系统需要在
内部封装可动磁性物质或者可动线圈产生磁场[12]，如
图3所示，通过施加磁场形成洛伦兹力使得线圈产生
图1 激光雷达工作原理图 Fig. 1
Schematic of the LiDAR system
Laser
Computer Photodetector Scanner Tx
RxRx
Synchronization 光电工程 DOI: 10.12086/oee.2019.190218
190218-3 偏转，从而驱动MEMS振镜偏转，响应速度可以超过
10 kHz。压电效应需要异质材料的介入，压电材料(PZT)
具有高效率、响应速度快等优点[13]。日本研究小组采
用电镀的方法在硅上沉积PZT薄膜，加工形成MEMS
结构并进行光学扫描[14]，实验获得11.2 kHz的响应速
度，39°的视场角。静电效应驱动MEMS具有尺寸小、
可单片全集成的优点，受到广泛研究。通常，采用静
电效应驱动微反射镜的方式需要在真空环境下，以获
得更高的驱动效率[15]，10 V电压驱动可以实现大约10°
的扫描角度。瑞典KTH的研究小组近期验证了一种
新方法[16]，如图4所示，通过MEMS改变光栅周期实
现衍射光角度偏转，在20 V电压驱动下达到5.6°的扫
描角度，功率消耗在微瓦量级。
MEMS振镜用于激光雷达系统，需要具备大孔径
以满足激光雷达分辨力等需求。静电驱动7 mm直径
尺寸的双轴可偏转MEMS振镜[17]，采用简单易行的飞
行时间(time of flight，TOF)的测距方法，测量了距离
0.5 m至80 m的目标，视场角30°，扫描频率550 Hz。如图5所示，为进一步提高LiDAR光学口径，采用2×7
的微振镜阵列[18]，等效综合口径334 mm，填充因子
80%，其中发射端信号是一维扫描的强度调制连续波，
接收端是大孔径的振镜组，扫描角度60°，扫描频率
250 Hz。单个微振镜可以做到20 mm的直径尺寸[19]，
实验验证在两个轴上均可以达到7.2°的光束扫描角
度，压电驱动MEMS的谐振频率在1 kHz左右，100 W
的激光能量没有对MEMS镜面产生破坏。
相控阵技术是MEMS实现激光雷达功能的另一
个解决方案，其基本原理是，MEMS的微小移动产生
光程差，多个具有不同相位的出射光束在远场干涉形
成光束偏转[20]。韩国Byung-Wook Yoo等人的研究小
组对此方案进行研究，如图6所示，在硅基上制备具
有8×8高对比光栅的MEMS结构相控阵[21]，优化的性
能表现为10 V电压即可产生1.7π的相移，具有0.5
MHz的响应速度，采用透镜系统扩大视场，测量得到
远场总视场角为9.14°×9.14°。
图3 电磁驱动MEMS结构图[12] Fig. 3 Schematic of the MEMS based on electromagnetic actuator[12]
大气探测激光雷达的进展研究
２０１０年第５期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ０机械与电子０ 科技信息
大气探测激光雷达的进展研究
李强
（连云港师范高等专科学校物理与电子工程系 江苏连云港２２２００６）
【摘要】激光雷达是以光频３－作的雷达，与普通雷达相比，它具有较高的速度及角度分辨率、较高的测量精度以及较强的抗干扰能力。文 章综述了激光雷达的分类、发展简史、发展动态及其在大气探莉ｌ领域的应用，并重点介绍了我国大气探测激光雷达系统的应用及研究成果。
【关键词】激光雷达；发展；大气探测
Ｔｈｅ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｌｉｄａｒ
ＬＩ Ｑｉａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ Ｊｉａｎｇｓｕ，２２２００６，Ｃｈｉｎａ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｌｉｄａｒ ｉｓ ａ ｒａｄａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｏｒｄｉｎａｒｙ ｒａｄａｒ，ｉｔ ｈａｓ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ａｎｇｕｌａｒ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｅｒ
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ａ ｓｔｒｏｎｇ ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ，ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，Ｌｉｄａｒ ｏｎ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ ａｒｅ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｌｉｄａｒ；Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ
激光雷达的现状与发展趋势
激光雷达的现状与发展趋势
作者：杨栋
来源：《中国信息化·学术版》2012年第12期
【摘要】文章主要简述了激光雷达的现状及其在军事、气象、测风、医学、水土保持等方面的广泛应用，进而分析阐述了激光雷达的发展趋势。
【关键词】激光雷达；发展趋势；应用；星载激光雷达
【中图分类号】TN958.98
【文献标识码】A
【文章编号】1672-5158（2012）12-0025-01
引言
激光雷达是一种可以精确、快速获取地面或大气三维空间信息的主动探测技术，应用范围和发展前景十分广阔。以往的传感器只能获取目标的空间平面信息，需要通过同轨、异轨重叠成像等技术来获取三维高程信息，这些方法与LiDAR技术相比，不但测距精度低，数据处理也比较复杂。正因为如此，LiDAR技术与成像光谱、合成孔径雷达一起被列为对地观测系统计划中最核心的信息获取与处理技术。激光雷达是将激光技术、高速信息处理技术、计算机技术等高新技术相结合的产物。
一、激光雷达的工作原理
激光雷达是一种雷达系统，是一种主动传感器，所形成的数据是点云形式。其工作光谱段在红外到紫外之间，主要发射机、接收机、测量控制和电源组成。工作原理为：首先向被测目标发射一束激光，然后测量反射或散射信号到达发射机的时间、信号强弱程度和频率变化等参数，从而确定被测目标的距离、运动速度以及方位。除此之外，还可以测出大气中肉眼看不到的微粒的动态等情况。激光雷达的作用就是精确测量目标的位置（距离与角度）、形状（大小）及状态（速度、姿态），从而达到探测、识别、跟踪目标的目的。
二、激光雷达的现状及应用
激光技术从它的问世到现在，虽然时间不长，但是由于它有：高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等几个极有价值的特点，因而在国防军事、工农业生产、医学卫生和科学研究等方面都有广泛的应用。LiDAR技术在西方国家发展相对成熟，已经投入商业运行的激光雷达系统（主要指机载）主要有Optech（加拿大）、TopSys（法国）和Leica（美国）等公司的产品。
应用于激光雷达系统的光学相控阵技术研究进展
第２９卷 第３期 哈尔滨师范大学自然科学学报 ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥＳ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢＩＮ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ 应用于激光雷达系统的光学 相控阵技术研究进展木 于 淼 （牡丹江师范学院） 【摘要】综述了应用于激光雷达系统的光学相控阵技术的研究进展，介绍了 相控阵激光雷达的发展现状；重点介绍了基于不同电光材料的光学相控阵技术的 发展，其中包括ＬｉＮｂＯ 电光晶体材料，Ａ１ＧａＡｓ光波导材料，ＰＬＺＴ电光晶体材料以 及液晶材料． 【关键词】激光雷达系统；光学相控阵技术；光学器件 ０ 引言 光学相控阵技术是一种新型电控光束指向 的技术，它具有实时性，非机械性，模块化等诸多 特点¨Ｊ，名称是从微波相控阵技术中借鉴得来 的．在扫描的过程中传统的机械式激光雷达存在 着惯性大，响应速度慢等诸多缺点，而光学相控 阵激光雷达则是采用了新的速度快、灵活性好、 精度高的扫描方式 Ｊ．在观测高速运动目标、跟 踪多目标和实现多种雷达功能等方面都突显出 了很强的优势，因此在军事、民用领域以及科学 研究中应用前景非常宽广，成为雷达发展的主要 方向 ． Ｒｏｒａｔｏｒ Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ 图１ 多重双折射棱镜实现大角度扫描 收稿日期：２０１３—０４—１１ 牡丹江师范学院青年指导项目资助（Ｑｚ２０１２１６） １ 相控阵激光雷达的发展现状 美国国防计划局的支持下，罗科韦尔公司 利用双折射棱镜实现激光雷达中的大角度偏 转 Ｊ，图１为利用多重双折射棱镜实现大角度扫 描的图示，光束一次经过偏振旋转器，可以实现 光束向某一方向偏转，具有特定方向的光束再经 过双折射棱镜，这样偏振旋转器与双折射棱镜共 同作用，并且多重级联就可以实现大角度的偏 转． 美国空军实验室在２００５年公布了他们设计 的光学相控阵雷达系统 Ｊ，图２（ｂ）为该激光雷 达系统的结构图，其中光学移相器的大小为 ４ ｃｍ，此激光雷达系统最大的特点在于它的光束 发射系统是１００ ｋｗ的光纤激光器阵列由很多个 ４ ｗ的光纤激光器构成，图２（ａ）为光纤激光器 阵列结构图． ２００４年开始，雷声公司就开始研制电扫描 激光光束控制技术用来应用于激光成像以及激 光通信等领域，并设计出了重量大概为２ ｋｇ的 可编程控制的相控阵激光雷达 Ｊ．其距离分辨率
激光雷达全套解决方案(3篇)
第1篇
一、引言
随着科技的飞速发展，激光雷达（LiDAR）技术在自动驾驶、测绘、机器人、无人机等领域的应用越来越广泛。激光雷达通过发射激光脉冲，测量光与物体之间的距离，进而获取目标物体的三维信息。本文将详细介绍激光雷达全套解决方案，包括激光雷达的工作原理、分类、关键技术、应用领域以及未来发展前景。
二、激光雷达工作原理
激光雷达利用激光发射和接收系统，测量光与物体之间的距离。其基本原理如下：
1. 激光发射：激光雷达发射器发射一束激光脉冲，脉冲的光能量在短时间内集中，具有较高的强度。
2. 光传播：激光脉冲在空气中传播，遇到物体时发生反射。
3. 光接收：激光雷达接收器接收反射回来的光信号。
4. 时间测量：激光雷达测量发射激光脉冲到接收反射光信号所需的时间，根据光速和测量时间，计算出激光脉冲与物体之间的距离。
5. 数据处理：将测量到的距离信息进行处理，生成目标物体的三维点云数据。
三、激光雷达分类
根据激光雷达的工作原理和应用场景，可分为以下几类：
1. 激光雷达按波长分类：
（1）短波激光雷达：波长在1064nm以下，如355nm、532nm等，主要用于军事、工业等领域。
（2）长波激光雷达：波长在1064nm以上，如1550nm等，主要用于汽车、无人机等领域。
2. 激光雷达按测量距离分类：
（1）短距离激光雷达：测量距离在100m以内，如汽车前向激光雷达。
（2）中距离激光雷达：测量距离在100-500m之间，如无人机激光雷达。
（3）长距离激光雷达：测量距离在500m以上，如测绘激光雷达。 3. 激光雷达按扫描方式分类：
（1）机械扫描激光雷达：通过旋转或摆动镜片等机械部件，改变激光束的扫描方向。
（2）相位激光雷达：通过测量光波相位差，实现激光束的扫描。
（3）固态激光雷达：采用半导体激光器，无需机械部件，具有体积小、功耗低等优点。
四、激光雷达关键技术
1. 激光器技术：激光器是激光雷达的核心部件，其性能直接影响激光雷达的性能。目前，常用的激光器有固体激光器、气体激光器和半导体激光器。
1.6μm波段单频激光器技术研究进展
嫩 与光电子学进展 Ｌａｓｅｒ＆Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ⑥２０１３《中国激光》杂志社
１．６ ＩＪＬｍ波段单频激光器技术研究进展
王 然 高春清
（北京理工大学光电学院，北京１０００８１）
摘要 １．６ ｍ波段单频激光器在测风激光雷达、差分吸收激光雷达、空间光通信以及光学参量振荡器抽运源等方
面都有重要的应用价值。概述了目前全固态激光器实现单频输出的主要技术方法，分别给出了微片腔法、扭转模
腔法、腔内插法布里一珀罗（Ｆ—Ｐ）标准具法、环形行波腔法、耦合腔法、单块非平面环形腔法实现单频激光输出的工
作原理和主要实验结果，重点介绍了１．６ ｍ波段全固态单频激光器国内外发展状况。
关键词激光器；１．６ ｍ波段；单频激光器；人眼安全激光
中图分类号Ｏ４３６ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５ｏ．０８０００６
Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ １．６ ｍ Ｒｅｇｉｏｎ Ｓｉｎｇｌｅ・Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｌａｓｅｒｓ
Ｗａｎｇ Ｒａｎ Ｇａｏ Ｃｈｕｎｑｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ １．６ Ｆｍ ｓｉｎｇｌｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｌａｓｅｒｓ ｈａｖｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｗｉｎｄ ｌｉｄａｒｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｌｉｄａｒｓ．ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｕｍｐｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ．Ｗｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｔｏ ｇｅｔ ｓｉｎｇｌｅ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｉｃｒｏ－ｃｈｉｐ ｃａｖｉｔｙ，ｔｗｉｓｔｅｄ ｍｏｄｅ ｃａｖｉｔｙ，ｔｈｅ ｃａｖｉｔｙ ｗｉｔｈ Ｆ—Ｐ
激光雷达技术在森林高度反演中的研究进展
第源源卷第圆期圆园员怨年猿月摇林摇业摇调摇查摇规摇划云燥则藻泽贼陨灶增藻灶贼燥则赠葬灶凿孕造葬灶灶蚤灶早灾燥造援源源摇晕燥援圆酝葬则援圆园员怨凿燥蚤院员园郾猿怨远怨辕躁郾蚤泽泽灶郾员远苑员鄄猿员远愿郾圆园员怨郾园圆郾园园远激光雷达技术在森林高度反演中的研究进展邱世平渊崇左市林业勘测设计院袁广西南宁缘猿园园园员冤摘要院遥感技术被广泛应用于我国森林资源袁森林生态环境的监测中遥区别于传统光学遥感技术的是激光雷达渊蕴蚤凿葬则冤属于主动遥感袁对森林的空间结构袁特别是对森林高度的探测能力有着巨大的优势遥文中介绍了激光雷达测量树高的原理尧特点和应用袁对激光雷达在测量树高上的应用研究进行回顾袁对激光雷达森林高度的测量应用前景进行了分析和展望遥关键词院激光雷达渊蕴蚤凿葬则冤曰森林高度反演曰测量树高曰冠层高度曰森林结构参数中图分类号院杂苑缘苑曰栽晕怨缘愿郾怨愿摇摇文献标识码院粤摇摇文章编号院员远苑员原猿员远愿渊圆园员怨冤园圆原园园圆远原园源引文格式院邱世平郾激光雷达技术在森林高度反演中的研究进展咱允暂郾林业调查规划袁圆园员怨袁源源渊圆冤院圆远原圆怨袁猿缘郾匝陨哉杂澡蚤责蚤灶早郾砸藻泽藻葬则糟澡孕则燥早则藻泽泽燥枣蕴蚤凿葬则栽藻糟澡灶燥造燥早赠蚤灶云燥则藻泽贼匀藻蚤早澡贼陨灶增藻则泽蚤燥灶咱允暂郾云燥则藻泽贼陨灶增藻灶贼燥则赠葬灶凿孕造葬灶灶蚤灶早袁圆园员怨袁源源渊圆冤院圆远原圆怨袁猿缘郾砸藻泽藻葬则糟澡孕则燥早则藻泽泽燥枣蕴蚤凿葬则栽藻糟澡灶燥造燥早赠蚤灶云燥则藻泽贼匀藻蚤早澡贼陨灶增藻则泽蚤燥灶匝陨哉杂澡蚤责蚤灶早渊悦澡燥灶早扎怎燥陨灶泽贼蚤贼怎贼藻燥枣云燥则藻泽贼则赠杂怎则增藻赠葬灶凿阅藻泽蚤早灶袁晕葬灶灶蚤灶早缘猿园园园员袁悦澡蚤灶葬冤粤遭泽贼则葬糟贼院栽澡藻则藻皂燥贼藻泽藻灶泽蚤灶早贼藻糟澡灶燥造燥早赠澡葬泽遭藻藻灶憎蚤凿藻造赠怎泽藻凿蚤灶贼澡藻皂燥灶蚤贼燥则蚤灶早燥枣枣燥则藻泽贼则藻泽燥怎则糟藻泽葬灶凿枣燥则藻泽贼藻糟燥造燥早蚤糟葬造藻灶增蚤则燥灶皂藻灶贼蚤灶悦澡蚤灶葬援阅蚤枣枣藻则藻灶贼枣则燥皂贼则葬凿蚤贼蚤燥灶葬造燥责贼蚤糟葬造则藻皂燥贼藻泽藻灶泽蚤灶早贼藻糟澡灶燥造燥早赠袁蕴蚤凿葬则蚤泽葬糟贼蚤增藻则藻皂燥贼藻泽藻灶泽蚤灶早袁憎澡蚤糟澡澡葬泽早则藻葬贼葬凿增葬灶贼葬早藻泽蚤灶凿藻贼藻糟贼蚤灶早贼澡藻泽责葬贼蚤葬造泽贼则怎糟贼怎则藻燥枣枣燥则藻泽贼袁藻泽责藻糟蚤葬造造赠贼澡藻澡藻蚤早澡贼燥枣枣燥则藻泽贼援栽澡蚤泽责葬责藻则蚤灶贼则燥凿怎糟藻凿贼澡藻责则蚤灶糟蚤责造藻袁糟澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽葬灶凿葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶燥枣造蚤凿葬则蚤灶皂藻葬泽鄄怎则蚤灶早贼则藻藻澡藻蚤早澡贼袁则藻增蚤藻憎藻凿贼澡藻葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶则藻泽藻葬则糟澡燥枣造蚤凿葬则袁葬灶凿葬灶葬造赠扎藻凿贼澡藻葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶责则燥泽责藻糟贼燥枣贼澡蚤泽贼藻糟澡灶燥造燥早赠援运藻赠憎燥则凿泽院蕴蚤凿葬则曰枣燥则藻泽贼澡藻蚤早澡贼蚤灶增藻则泽蚤燥灶曰皂藻葬泽怎则蚤灶早贼则藻藻澡藻蚤早澡贼曰糟葬灶燥责赠澡藻蚤早澡贼曰枣燥则藻泽贼泽贼则怎糟贼怎则藻责葬鄄则葬皂藻贼藻则泽收稿日期院圆园员愿原员园原园愿郾第一作者院邱世平渊员怨愿猿原冤袁男袁广西梧州人袁工程师郾研究方向院林业调查规划设计尧森林资源监测和猿杂技术在林业上的应用郾员引言森林是地球生态系统中的重要组成部分袁其结构复杂多样袁物种资源丰富袁其强烈的能量转换和物质循环对全球气候环境变化有着巨大的影响咱员暂遥森林生态系统在许多方面有着不可忽视的作用袁如提供物质资源袁保护生物多样性袁调节气候尧涵养水源尧防止土地退化等遥林高是林业调查中最基础的调查因子袁被广泛应用于林地规划尧林地生产力评估尧立木材积以及碳储量的计算中咱圆袁猿暂遥传统的森林调查林高需要外业实地作业观测遥目前如使用全站仪等测量树高其误差为渊员豫耀圆豫冤咱源暂袁但仅能获得单个点位上的树高结果遥随着猿杂技术的发展和应用袁遥感尧
车用测距雷达研究进展
科技论坛 ・４３・ 车用测距雷达研究进展 周丹 （吉林机电工程学校，吉林吉林１３２０００） 摘要：车用雷达由于自身成本等因素的制约，仅装配在少数高档轿车上。随着汽车向安全、节能与环保的方向发展，车用雷达作为 先进汽车安全控制系统的关键组成部件之一，必将拥有广阔的市场前景。开展车用雷达及其相关技术的研究，对于提高我国道路交通的 安全，降低交通事故发生率，促进我国智能交通系统的发展具有重要意义。 关键词：车用雷达；技术；研究 统计表明，７ ￣９Ｏ％的交通事故是由于驾驶员操作失误造成的。在 美国、日本等国家，消费者选购汽车的着眼点已把驾驶汽车的安全程度 放在第—位。如果抛开驾驶的熟练程度和驾驶经验外，最有效的 氐事 故的方法就是让车具有碰撞报警或主动避撞功能。随着人们对交通安 全的不断重视，推动了汽车前向碰撞报警系统（ＦＣＷＳ）、前向主动避撞 系统（ＦＣＡＳ）、自适应巡航控制系统（ＡＣＣ）等先进车辆主动安全技术的 飞速发展。上述系统的共同点是通过车用测距雷达测量主车与目标车 之间的距离、相对速度以及相对方位角等信息，并将其传送给系统的控 制单元。车用测距雷达俗称车用雷达，是实现汽车主动安全技术的关键 技术之一，是当前智能交通、信号处理以及传感器工业的研究热｜ 。 １车用雷达分类及概况 按测量介质不同，可将车用雷达分为超声波雷达、红外雷达、激光 雷达以及微波雷达。超声波雷达、红外雷达因其探测距离相对较短，目 前，主要应用于汽车倒车控制系统。 激光雷达和微波雷达因其具有测量距离远、精度高等优点，被广泛 应用于车辆主动安全控制系统。 激光雷达的优点是结构相对简单，具有高单色性、高方向性、相干 性好、测量精度较高、探测距离远、能识别道路状况、价格便宜等特点。 缺点是测量性能易受环境因素干扰，在雨、雪、雾等天气Ｊ晴况下，测量性 能会有所下降，受测量原理限制只能传递相对距离信息。按测量原理不 同可分为脉冲式激光漫４距雷达和相位式激光测距雷达两种。 微波雷达探测距离远、运行可靠、测量ｌ生能受天气等外界因素的影 响较小，可以获得主车与目标车辆间距离、相对速度，有些雷达还可获 得相对方位角和以及相对加速度等信息，但价格比较昂贵。按测量原理 不同，可分为脉冲调频（ＰＦＭ）和调频连续波（ＦＭＣＷ）。 当前，微波雷达的使用频率主要集中在２３－２４，６０－．６１，７６－７７ＧＨｚ 三个频段，波长均为毫米级，也称微波雷达为毫米波雷达。在这些特殊 频段上，微波的辐射能量在大气中具有很大的衰减特ｌ生。２４ＧＨｚ雷达信 号在大气中传播的衰减系数约为０．２ｄＢ／ｋｍ，６０ＧＨｚ约为１５ｄＢ／ｋｍ， ７７ＧＨｚ约为ＯＡｄＢ／ｋｍｏ整体上是随频率的升高而＿卜升．ｆｎ存 ３个频 段内南于大气『ｆｌ水揍 瓴分ｒ的暇收和Ｉ敞 ｆ１ 川ｊ”ＪＩ１．。ｆ 良城火 ，他 得雷达信号的传播被 制 一个较 的地ｌＩ 之 ，从 ｔ ＪＩ以』 降低 对其他车辆雷达或无线电设备的影响，并减少对周围人体的辐射。 ２车用雷达的研究进展与应用 雷达技术首先应用于军用，随着全世界对道路交通安全、汽车安全 技术的不断重视，雷达技术开始转为民用，主要用于交通的管制、雷达 测速以及汽车主动安全技术方面。 车用毫米波雷达的研究始于２０世纪６０年代。典型代表是德国 ＡＤＣ公司生产的ＡＳＲＩＯ０毫米波雷达采用脉冲测距方式。戴姆勒奔驰、 日产、福特等汽车公司广泛开发的汽车主动避撞系统以及自适应巡航 系统多采用该款雷达。 防撞雷达系统的基本原理：线性ＦＭＣＷ雷达结构简单，比较适宜 测量近距离目标，故作为目前车用防撞雷达的普遍选择方式。其基本原 理可以描述为信号的瞬时频率随时问线性变换，当前方有单目标回波 时，发射信号和反射信号将进行混频，混频后得到的信号中含有目标的 相对距离和相对速度的信息。 如图１所示，图１ａ为发射信号和点目标的回波信号，当和前方目 标间有相对速度时，信号的回波中含有频移，图１ｂ为中频输出的混频 信号，通过对中频信号的处理即可获得目标的相对速度和相对距离的 信息。现记ｆ 作为发射信号中心频率，Ｂ为频带宽度，Ｔ为扫频周期，调 制信号为三角波，Ｃ为光速，Ｒ和ｖ分别为目标的相对距离和相对速度。 在发射信号的上升段和下降段，中频输出信号可以表示为 ， 一 铷＋ 根据（１）和（２ Ｊ曲式，可以获得 前方目标的相对距离Ｒ和相对速度 Ｖ为： 露＝ ～ （３） （４） 激光雷达的研究始于２０世纪 ７０年代。日本对该项技术的研究处 于世界领先水平，先后研制了单光 （１） （２） ｆ ｌ ． ＝＿｜＿一 ｛ 图１点目标回波波形 束激光雷达、一维扫描式激光雷达、二维扫描式激光雷达。 该雷达通过将激光雷达扫描回来的图像在竖直方向上进行分割， 初步实现了对目标车辆上下坡道的判别与跟踪。 该雷达不仅对动静态物体具有很强的辨识能力，而且，对在转弯、 上下坡情况下也具有很高的分辨能力，可分辨路标、车辆、交通标志、车 道线，减少在车辆上下坡时引起的目标丢失。 ３车用雷达存在的问题及发展趋势 车用雷达首先要解决的技术难题就是减少雷达的误报。由于车辆 在道路中行驶状况十分复杂，并线、移线、转弯、上下坡以及道路两旁的 静态护栏、标志牌，还有各种恶劣天气的影响等，使得雷达对主目标的 识别十分困难，误报率很高。尽管某些雷达具有二维，甚至三维的目标 探测能力，但迄今为止，没有任何一个传感器能保证在任何时刻提供完 全可靠的信息。要想完全解决好雷达的误报问题，还需要采取多传感器 之间的信息融合技术。如美国Ｄｅｌｐｈｉ公司的汽车防撞系统就采用了激 光雷达、微波雷达和机器视觉等多种传感器的信息融合，实现了信息分 析、综合和平衡，利用数据间的冗余性和互补挣『生进行容错处理，克服 单一传感器可靠性低、有效探测范用小等缺点，有效地降低了雷达的 误报率。 生产雷达的主要材料ＧａＡｓ和ＳｉＧｅ的价格一直居高不下，成为车 用雷达推广应用的瓶颈。另外，雷达及天线的小型化与成本造价之间也 同样存在矛盾。美国飞思卡尔（Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ）半导体公司率先采用新型硅 锗双极ＣＭＯＳ材料工艺生产毫米波雷达的核心部件——射频芯片，使 生产雷达的价格大为降低。ＭＭＩＣ的最新发展，使固态收发模块在雷达 中的应用达到实用阶段。可将固态收发模块中的有源器件和无源器件 制作在同一块砷化镓基片上，从而大大提高了固态收发模块的技术性 能，使成品的一致陛好、尺寸小、重量轻。可以预见，随着新材料、新工艺 在雷达中的不断应用，使价格低廉、商Ｉ生能的车用雷达的实现和普及成 为可能。 雷达必须满足电磁兼容性（ＥＭＣ）要求，即雷达在其电磁环境中须 符合要求运行，并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰。 目前，世界上还没有统一的车用雷达使用频带。日本是世界上唯一将车 用雷达的频段确定在６０￣６１ＧＨｚ的国家。近几年，又将７６－７７ＧＨｚ频段 作为车用雷达系统使用频段。在欧洲，欧盟委员会决定，从２００５年下半 年至２０１３年期间，在整个欧盟范围内，将２４ＧＨｚ作为车用雷达的使用 频带。考虑到其他无线通信业务的发展，２０１ ３年以后，将频带调整为 ７９ＧＨｚ。在美国则使用２３ ２４，７６－－７７ＧＨｚ两个频带。因此，需要对车载雷 达规定统一的专用频带，从技术上保证车用雷达在无 （下转２１ ８页）
大气探测激光雷达技术研究分析
大气探测激光雷达技术研究分析
摘要：激光雷达被用来测距，接着逐渐被用于制导及跟踪。随着气候环境问题日益突出，大气探测激光雷达问世，其具有时空分辨率高、探测精度高的特点，为测量大气中气溶胶、气体组分、温度和风速等参数提供了可靠的技术支持。基于此，以下对大气探测激光雷达技术发展进行了探讨。
关键词：大气探测；激光雷达技术；发展综述
1引言
地球大气层是人类生存和发展的基本环境条件。地球大气层从低到高分为对流层、平流层、中层、热层和逃逸层。与人类日常生活密切相关的天气现象主要发生在对流层，航空航天技术的迅速发展已将人类活动范围不断扩大到对流层上方的上层大气圈，导航和其他高科技技术也使得高层大气在技术领域的作用越来越重要。例如，由于太阳紫外线辐射变化、太阳风能离子和低大气波动的干扰，上层大气的密度不断变化。高层大气对低轨道飞船有牵引作用，大气密度的变化直接影响飞船的轨道高度和使用寿命。随着空间科学、大气科学和计算机科学的发展，对高层大气的感知和理解也不断加深。相关研究结果表明，高层大气在大气耦合和全球气候变化等重要问题中发挥着重要作用。研究发现[1]，中上层大气和热层的温度随着温室气体的排放而降低，而中上层大气的温度可以作为监测全球温度变化的指标。执行高层大气探测的需求变得更加迫切。然而，与高层大气相比，上层大气的探测更困难，探测手段更少，使得探测数据相对稀缺。大气探测激光雷达利用激光与大气的相互作用，通过遥感技术主动测量大气参数，在大气科学研究、环境监测、天气预报等领域发挥着越来越重要的作用。与无线电和微波等电磁波相比，激光光子的波长更短，单个光子的能量更高，这使得激光与大气中的原子和分子之间的相互作用机制更加频繁，探测效率也更高。大气密度随高度呈指数下降，对流层上方的上层大气密度远低于下层大气。激光雷达探测高层大气通常需要更强的激光发射、更大散射截面的探测机制、更大等效孔径的光学接收望远镜、更强背景抑制能力的滤光器和更高动态范围的光电探测器。目前，高级大气探测激光雷达的体积和功耗都比较大，成本和维护成本都比较高，部署平台主要基于地面和车辆。全固态激光技术、超窄带滤波器技术和组合望远镜技术的发展和成熟，逐渐提高了激光雷达探测上层大气基本参数如密度、温度和风场的能力。它实现了全时和高度的探测，扩大了时空覆盖范围，提高了时空分辨率，并开始用于中上层大气模型的开发，服务于邻近空间的环境保护。
空间固体激光器的研究进展
第３７卷第５期 ＶＯ１．３７ ＮＯ．５ 红外与激光工程
Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２００８年ｌ０月 ０ｃｔ．２０ｏ８
空间固体激光器的研究进展
毕进子，夏文兵，刘丹，杨中国，陈卫标
（中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００）
摘 要：近年来，空间激光技术由于在地球科学和深空探测等领域具有重要的应用前景而引起了
广泛的关注。回顾了国外空间固体激光器的发展状况和历程，总结了空间固体激光器在各领域的应用
情况，以激光雷达和激光高度计为主，介绍了空间固体激光器的性能、指标及其发射后出现的问题。最 后简要分析了空间固体激光器研制的关键技术及发展趋势。
关键词：空间激光器； 激光雷达； 固体激光 中图分类号：ＴＮ２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—２２７６（２００８）０５—０８１８－０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒｓ
ＢＩ Ｊｉｎ—ｚｉ，ＸＩＡ Ｗｅｎ－ｂｉｎｇ，ＬＩＵ Ｄａｎ，ＹＡＮＧ Ｚｈｏｎｇ—ｇｕｏ，ＣＨＥＮ Ｗｅｉ－ｂｉａｏ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｒ）ｔｉｃｓ ａｎｄ Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８００，Ｃｈｉｎａ）
Ａ ｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｃｅｎｔｌｙ，ｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐａｉｄ ｔｏ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ ｄｅｅｐ ｓｐａｃｅ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｓｐａｃｅ—
ｂｏｒｎｅ ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒｓ ａｂｒｏａｄ ｗｅｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｐａｃｅｂｏｒｎｅ ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ ｌａｓｅｒ ｉｎ ｍａｎｙ ｆｉｅｌｄｓ ｗｅｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔａｋｉｎｇ ｌａｄａｒ ａｎｄ ｌａｓｅｒ ａｌｔｉｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，
固态激光雷达原理
- 1 - 固态激光雷达原理
固态激光雷达（SolidStateLidar）是与传统的探测器相比，效率更高的新型探测系统，它可以用来实现遥感探测和测距测量等。目前，固态激光雷达在未来的研究方向上已受到广泛关注，因为它拥有强大的能力，可以用于实现精确的探测和测量。
固态激光雷达的工作原理，主要是利用一个可以在短时间内产生足够的能量的激光光源，将其发射到目标物体上。此，在激光束与目标物体的接触时，由光能激发出的目标物体表面的反射光子将被激光雷达探测器探测，从而实现数据的收集。
一般来说，固态激光雷达的激光发射器由多种元件组成，如激光管、激光头和激光线圈等。中激光管是固态激光雷达中最重要的部件，因其具有极高的功率和对目标物体的表面精确控制的能力。光头是电激发器的容器，可将激光管中的电子蓄积的能量转化为可见的激光特征的出射能量。另外，激光线圈可以生成用于调节激光源的电势，使得激光源出射出更多的电量。
此外，固态激光雷达还可以通过激光源滤波器来实现准确的激光二极管滤波，这不仅可以使激光雷达检测的准确度更高，而且还可以减少探测器在测距时误差的可能性。
因此，固态激光雷达的使用可以在多个领域都发挥着重要的作用，如安全监控、自动驾驶等。可以创造安全而可靠的环境，以减少自动化的安全隐患。外，固态激光雷达也可以用于视觉导航，以及实现精确的物体跟踪和探测。 - 2 - 总的来说，固态激光雷达的出现为许多领域的研究提供了新的可能性，它可以提供准确快速的探测和测量能力，从而帮助我们在未来取得更大的进步。此，固态激光雷达在未来将继续受到重视，将给人们带来更多的福利。