激光雷达基本知识(1)..
激光雷达系统基础知识单选题100道及答案解析
激光雷达系统基础知识单选题100道及答案解析1. 激光雷达系统利用（）来测量距离。
A. 电磁波B. 超声波C. 激光D. 红外线答案：C解析：激光雷达系统是利用激光来测量距离的。
2. 激光雷达的工作原理主要基于（）。
A. 光的折射B. 光的反射C. 光的衍射D. 光的干涉答案：B解析：激光雷达通过发射激光并接收反射回来的激光来工作，主要基于光的反射原理。
3. 以下哪种不是激光雷达系统的应用领域（）？A. 自动驾驶B. 气象监测C. 医学成像D. 量子物理研究答案：D解析：量子物理研究通常不直接使用激光雷达系统，而自动驾驶、气象监测和医学成像中会用到激光雷达。
4. 激光雷达系统的精度主要取决于（）。
A. 激光波长B. 激光频率C. 激光脉冲宽度D. 接收系统灵敏度答案：C解析：激光脉冲宽度越窄，测量精度通常越高。
5. 激光雷达系统中用于发射激光的部件是（）。
A. 激光器B. 探测器C. 放大器D. 滤波器答案：A解析：激光器负责发射激光。
6. 以下哪种激光雷达类型测量速度最快（）？A. 固态激光雷达B. 机械旋转式激光雷达C. 混合式激光雷达D. 难以确定答案：B解析：机械旋转式激光雷达可以在短时间内扫描较大的范围，测量速度相对较快。
7. 激光雷达系统的分辨率与以下哪个因素无关（）？A. 激光束发散角B. 扫描频率C. 激光功率D. 目标距离答案：C解析：激光功率主要影响探测距离和信号强度，与分辨率关系不大。
8. 激光雷达系统在大气环境监测中可以测量（）。
A. 风速B. 湿度C. 气压D. 以上都可以答案：D解析：激光雷达可以通过不同的技术手段测量风速、湿度、气压等大气参数。
9. 以下哪种技术可以提高激光雷达系统的抗干扰能力（）？A. 编码调制B. 增加激光功率C. 提高接收灵敏度D. 扩大扫描范围答案：A解析：编码调制可以使激光雷达系统具有更好的抗干扰性能。
10. 激光雷达系统的最大探测距离主要受（）限制。
简述激光雷达的结构原理分类及特点
简述激光雷达的结构原理分类及特点激光雷达（Lidar）是一种利用激光技术进行距离测量的雷达系统。
其原理是通过向周围环境发射激光脉冲，然后根据激光的反射时间和强度来计算目标物体的距离和其他相关信息。
激光雷达的结构主要包括激光器、光电探测器、转台和数据处理器等组件。
激光器负责发射激光脉冲，光电探测器用于接收激光的反射信号，转台则负责控制激光束的方向。
数据处理器则负责处理和分析接收到的信号，计算目标物体的位置、速度等信息。
激光雷达的工作原理是利用光的速度是已知的而目标物体的距离就是激光反射的时间与光速的乘积，从而计算目标物体的距离。
当激光束发射出去后，它会遇到目标物体并被反射回来。
激光雷达的光电探测器会接收到反射回来的光信号，并测量其时间。
通过将时间与光速相乘，就可以得到目标物体的距离。
根据不同的应用需求和工作原理，激光雷达可以分为以下几种类型：1.机械式激光雷达：机械式激光雷达使用旋转转台来扫描激光束的方向，从而获得周围环境的三维点云数据。
机械式激光雷达具有扫描速度较快，成本相对较低等特点，但由于机械部件的限制，其可靠性和寿命相对较低。
2.固态激光雷达：固态激光雷达是使用固态光电元件来控制激光束的方向，而不需要机械转台。
固态激光雷达具有较高的可靠性和寿命，并且可以实现更高的扫描速度和分辨率。
3.接收器式激光雷达：接收器式激光雷达是将激光发射器和接收器集成在一个设备中，可以在较短距离内测量目标物体的距离和速度，适用于自动驾驶和安全监测等应用。
激光雷达具有以下几个特点：1.高精度：激光雷达可以实现高精度的距离测量，通常可达到几毫米的级别。
这使得它在自动驾驶、地图绘制等应用中具有重要的作用。
2.高分辨率：激光雷达可以提供高分辨率的三维点云数据，可以对目标物体进行精确的定位和识别。
3.长距离测量：激光雷达可以在较长的距离范围内进行测量，通常可以达到几百米或更远的距离。
4.快速扫描：激光雷达可以实现快速的扫描速度，可以在较短的时间内获取大量的数据。
激光雷达的工作原理与应用
激光雷达的工作原理与应用激光雷达（Lidar）是一种利用激光发射器和接收器来测量距离、速度和方向等信息的远距离感知技术。
激光雷达在自动驾驶、机器人导航、环境监测和三维建模等领域都有广泛的应用。
本文将介绍激光雷达的工作原理、组成结构和应用。
一、激光雷达的工作原理激光雷达利用激光器发射一束高强度激光束，通过接收反射回来的激光信号来进行测量。
其工作原理可以简单地分为三个步骤：发射、接收和信号处理。
1. 发射：激光雷达通过激光器发射一束脉冲激光光束。
这个激光光束通常是红外线激光，因为红外线光在大气中传播损耗小。
2. 接收：激光光束照射到目标物体上，并被目标物体表面反射。
激光雷达的接收器接收反射回来的激光信号。
3. 信号处理：接收到的激光信号通过光电二极管（Photodiode）或光纤传感器转换成电信号。
然后，这些电信号经过放大、滤波和数字化等处理，得到目标物体的距离、速度和方向等信息。
二、激光雷达的组成结构激光雷达通常由发射器、接收器和信号处理器等组成。
1. 发射器：激光雷达的发射器是用来发射激光脉冲的关键部件。
发射器通常由激光二极管或固体激光器等构成。
激光发射的功率和频率会影响到测量距离和精度。
2. 接收器：激光雷达的接收器是用来接收反射回来的激光信号的部件。
接收器通常包括光电二极管或光纤传感器等。
接收器的灵敏度和抗干扰性会影响到激光雷达的性能。
3. 信号处理器：激光雷达的信号处理器负责接收、放大和数字化等处理激光信号。
信号处理器通常包括模拟信号处理电路和数字信号处理电路。
通过信号处理，可以提取目标物体的距离、速度和方向等信息。
三、激光雷达的应用激光雷达具有高精度、远距离、快速测量和全天候工作等特点，因此在各个领域都有广泛的应用。
1. 自动驾驶：激光雷达是自动驾驶系统中的重要传感器之一。
它可以实时获取道路和障碍物的信息，帮助车辆进行精确的定位和避障。
2. 机器人导航：激光雷达在机器人导航中扮演着关键的角色。
激光雷达的时序逻辑
激光雷达的时序逻辑
激光雷达（LIDAR）的时序逻辑是指它在工作过程中生成和处理数据的顺序和时间逻辑。
下面是激光雷达的基本时序逻辑：
1.发射脉冲：激光雷达通过发射激光脉冲来探测周围环境。
这些脉冲会以一定的频率被发射出去。
2.光束传播：激光脉冲从激光雷达的发射器中发射出来，并沿着预定的方向传播。
3.目标反射：激光脉冲与周围物体相互作用，其中一部分光被目标物体反射回激光雷达。
4.接收脉冲：接收器接收到反射回来的光信号。
5.时间测量：激光雷达使用内部时钟记录发送激光脉冲和接收反射信号之间的时间差。
通过这个时间差和光速的知识，可以计算出目标物体与激光雷达之间的距离。
6.数据处理：激光雷达将收集到的数据进行处理，通常会进行滤波、去噪和目标检测等操作，以提取出有用的信息。
7.输出数据：处理后的数据可以被输出到其他系统中，比如自动驾驶汽车的感知系统或地图制作软件中，用于创建环境地图或进行目标检测和跟踪等任务。
激光雷达通常以很高的速率工作，能够快速地扫描和探测周围环境，以提供实时的信息。
其时序逻辑的稳定性和精确性对于其在自动驾驶、机器人导航和环境感知等应用中至关重要。
激光雷达基本知识(1)培训资料共65页文档
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
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激光雷达基本知识(1)培训资料
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
简述激光雷达的结构、原理、分类及特点。
简述激光雷达的结构、原理、分类及特点。
激光雷达是一种高精度、高分辨率、高可靠性的测量设备，广泛应用于自动驾驶、地形测量、工业检测等领域。
本文将从激光雷达的结构、原理、分类及特点等方面进行简述。
一、激光雷达的结构激光雷达通常由激光器、光学系统、控制系统、接收器、信号处理器等组成。
1. 激光器：激光器是激光雷达的核心部件，通常采用半导体激光器或固体激光器，能够发射高功率、高频率的激光束。
2. 光学系统：光学系统包括发射光学系统和接收光学系统。
发射光学系统负责将激光束聚焦成一束细小的光束，以便将激光束精确地照射到目标物体上。
接收光学系统负责收集目标物体反射回来的激光信号，并将其转化为电信号。
3. 控制系统：控制系统是激光雷达的智能核心，负责控制激光器的发射和接收，以及激光束的聚焦和扫描。
4. 接收器：接收器是激光雷达的另一个核心部件，负责接收目标物体反射回来的激光信号，并将其转化为电信号。
接收器的性能直接影响激光雷达的精度和分辨率。
5. 信号处理器：信号处理器负责对接收到的激光信号进行处理和分析，提取目标物体的位置、距离、速度等信息，并将其传递给控制系统进行下一步处理。
二、激光雷达的原理激光雷达的原理是利用激光束与目标物体之间的相互作用，通过测量激光束的反射或散射来确定目标物体的位置、距离、速度等信息。
当激光束照射到目标物体上时，部分激光束会被目标物体吸收，部分激光束会被目标物体反射或散射。
接收器收集到反射或散射的激光信号后，通过计算激光束的传播时间和速度，可以确定目标物体的距离和速度。
同时，通过对激光束的反射或散射特征进行分析，可以确定目标物体的位置、形状等信息。
三、激光雷达的分类激光雷达可以按照使用的激光类型、扫描方式、工作原理等多种方式进行分类。
以下是常见的分类方式：1. 激光类型：根据激光类型的不同，激光雷达可以分为固体激光雷达和半导体激光雷达。
固体激光雷达通常使用固体材料作为激光介质，具有高功率、高频率等优点；半导体激光雷达通常使用半导体材料作为激光介质，具有体积小、功耗低等优点。
激光雷达概述
激光雷达概述随着GPS和IMU（惯性导航技术）的发展，使精确的即时定位、定姿成为可能，很多厂商发现，这家伙用来干测绘非常适合，所以近年来激光雷达就被推到了各位的面前。
一、激光雷达和雷达的区别他们的区别就和名字一样简单易懂，激光雷达就是，发射激光的雷达。
在原理上基本类似，只是激光雷达发射的是一条直线的光束，而雷达发射出去的是一个锥状的电磁波波束。
按照用途，我们可以把激光传感器分为两类，即避障级和高精度测绘级，通过对比我们可以发现在一些关键参数上，如角分辨率、视场角、测量距离、测量速率、测量精度、多次回波技术、多周期回波技术等，这两类激光传感器有较大差别。
接下来我们着重聊一下测绘激光雷达。
它是将激光传感器、GNSS、IMU和相机集成在一起的一个系统，通过各个传感器的参数标定，可以精确计算出传感器之间的位置偏差，以及不同坐标系间转换所用到的旋转角，从而将获取的点云数据的相对坐标转换成大地坐标。
二、测量型激光雷达系统组成在使用激光雷达做测绘时，我们一般可以采用汽车、无人机、有人机等移动平台作为载体，将移动中的激光原始数据、GNSS数据、IMU数据，后期通过Post-processing模式的后处理得到厘米级精度POS数据，基于POS和原始激光数据生成我们常常看到的激光点云成果。
三、搭载平台的选择（一）直升机或者固定翼飞机追求效率直接装到直升机或者固定翼飞机上！测量效率直接拉满，但由于直升机或固定翼飞的较高，所以精度就差一些，一般在10CM左右，做大面积地形测绘可选取这种手段。
（二）旋翼无人机测区适合飞行，且对精度有要求，就用旋翼无人机。
使用旋翼无人机效率略逊于固定翼无人机，但在精度控制方面更能得心应手，可以达到5cm精度。
机载激光雷达是一种万金油的组合，无论何种地形都能一显身手。
（三）车载模式特定城区或者街道环境，选用车载模式。
激光雷达车载模式，只能扫描道路两边200米内的数据，扫描区域受限，一般道路改扩建项目或者带状地形图项目可以使用此种作业模式，100米内的精度在5cm。
LiDAR基础知识
这种模式中点密度是不均匀 的, 因为由于摆镜的减速使得 点倾向于向细长列的终端靠 拢. 使用电流计在在某种程 度上消除了这一问题
曲折 或 蜿蜒型模式
扫描机制
基本技术与原理- 测量
平行线模式
一个旋转的多面镜引导激光脉冲沿着平行线横穿细长列 。只在扫描方向上 生成数据点。这种模式的好处是可以获取在地面上散步均匀的点 。
因为LiDAR点散步整个树冠，所以人 们使用LiDAR数据开发用于估计生物 量的模型。 穿透树冠点的百分比信息可以与叶面 积指数 (LAI) 建立关联。
使用激光测距的原理
脉冲激光:
连续波激光（CW laser）
基本技术与原理-平台
• 为了实现精确的长距离测量，激光脉冲应具备以下特性：
– 大功率: 这样接收器可接收到可用的反射
– 短脉冲长度: 在时间测量方面，不确定性更少 – 高准直度: 因为光斑更小，所以不确定性更少 – 窄光谱: 小的带通滤波器用以减小噪声 – 对人眼安全: 当波长减小时，激光会变得更加危险 – 地物的激光光谱反射性: 这样反射（信号）是可用的.
通过对模拟波形间歇性地采样，获取全波形
全波形数字化
商业系统
公司
Optech International Inc Leica Geosystems Riegl
国家
加拿大 美国 澳大利亚
产品
ALTM Gemini,ALTM Orion ALS50,ALS60 VQ-480, LMS-Q560
TopoSys
基本技术与原理
机载LiDAR系统部件
• • • • • 平台 扫描仪发射-接收单元 差分 GPS 惯性测量单元(IMU) 计算机
基本技术与原理-平台
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3. 激光雷达的优点
工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。
激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒
一
频率非常高，因而速度分辨率极高。
基
工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效 频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。
本
有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲
知
（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达
本
勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、
知
激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、
识
微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、
激光相控阵雷达等。
2. 激光雷达与微波雷达的异同
激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它
是在微波雷达技术基础上发展起来的，两
一
者在工作原理和结构上有许多相似之处
基
工作频率由无线电频段改变成了光频段， 雷达具体结构、目标和背景特性上发生了
③动目标指示雷达（目标的多普勒信息）;
基
④成像雷达（测量目标不同部位的反射强 度和距离等信号）;
本
⑤差分吸收雷达（目标介质对特定频率光
知
的吸收强度）等。
识
用微波相控阵原理的激光相控阵雷达
利用微波合成孔径原理的激光合成孔径
雷达。
6. 激光雷达的应用
① 跟踪
② 成像制导
一
③ 三维视觉系统
基
④ 测风
识
度、可靠性、成本和技术成熟程度等。
从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光
器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二 极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。
② 光电探测器。
适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电
二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉
一
汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器
一
缺点是体积大、价格高； 检流计式振镜扫描器，扫描角15；
基
声子偏转器，利用声光效应使入射光线产
本
生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描
知
角不大，一般在3左右
压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的描器。
光学相位扫描
MEMS扫描器
5. 激光雷达的基本体制
雷
变化以及各种干扰的影响。根据稳定的激光雷
达
达三维图像所预测的目标特征和所发展的目标
识别算法软件，真实、准确和可靠，使导引头
能以极低的虚警率可靠地自动识别目标。
能提供目标的三维图像，同时提供目标的距离
和速度数据。这一特点能使导引头全方位识别
目标，特别是一些形状大同小异的目标，还能
激
在实战中选择最佳的角度接近目标。
激
稳定CO2激光器作为信号源，经一台窄
光
带CO2激光放大器放大，其频率则由单
边带调制器调制。孔径为1.2m的望远镜
雷
发射接收。
达
氩离子激光与上述雷达波束复合，用于
对目标进行角度跟踪，而雷达波束的功
能则是收集距离――多普勒影像，实时
处理并加以显示。
火 池 激 光 雷 达
美国战略防御局和麻省理工学院于1990
一
毫米波作为载波的雷达，大约出现1935年
基
左右。 最早公开报道提出激光雷达的概念是:
本
1967年美国国际电话和电报公司提出的，
知
主要用于航天飞行器交会对接，并研制出
识
原理样机;1978年美国国家航天局马歇尔航
天中心研制成CO2相干激光雷达.
激光雷达(LADAR-Laser Detection And
达
的巡航导弹先进制导技术（CMAG）预研计划结束。 CMAG计划的预研成果已应用在空中发射的先进战略
巡航导弹AGM-129上，可使AGM-129导弹命中目标的
径向偏差概率提高到３米，比原来巡航导弹的30米提
高了很多。
AGM-129A实物照片
② ATLAS研究计划
在CMAG计划基础上，90年代初美国空军和
本
变化。微波天线由光学望远镜代替；接收
知
通道中微波雷达可以直接用射频器件对接
识
收信号进行放大、混频和检波等处理，激
光雷达则必须用光电探测器将光频信号转
换成电信号后进行处理。
信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷
达中的成熟技术。
一 基 本 知 识
表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较
宏
观
跟踪测量精度 评
Ranging)是以激光作为载波的雷达，以
光电探测器为接收器件，以光学望远镜为
早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-Light
Detection And Ranging)，这里所谓
的光实际上是指激光。现在，普遍采用
一
LADAR这个术语，以区别于原始而低级
基
的LIDAR。 以后世界上陆续提出并实现：激光多普
光
2. 激光成像雷达的应用:
成
巡航导弹、航空导弹、灵巧弹药等精确制导。
像
隐蔽物侦察 移动机器人等三维视觉系统
雷
航路导引，
达
精确末制导
地形跟随和障碍物回避
目标自动识别和敌我识别
目标上瞄准点的选择
① CMAG研究计划
1977年美国国防部高级研究计划局和美国空军航空系
和地面目标。
激
采用CO2激光成像雷达，由海军空战中心设
光
计，组装在Pack Tack吊舱中。
成
CO2激光器输出功率100W、光束发散度
像
100mrad
雷
发射机和接收机共用一个孔径和分辨率
达
4mrad的灵活的光束控制反射镜。
在P-3C试验机上进行了飞行试验，可以利
用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红
达
后者成功地获得了距离约800千米处目标
的图像。
1. 激光成像雷达
激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，
激
如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强 度，并将数据以图像的形式显示，获得
光
辐射几何分布图像、距离选通图像、速
成
度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。
像
2. 扫描激光成像雷达
非扫描激光成像雷达
雷
达
年3月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西
火
洋海岸发射的探空火箭进行了跟踪实验。 在二级点火后6分钟，火箭进入亚轨道，
池
即爬升阶段，并抛出其有效负载，即一
激
个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞
光
行器的可充气气球。目标最初由L波段跟
踪雷达和X波段成像雷达进行跟踪。并将
雷
这些雷达取得的数据交给火池激光雷达，
激
海军制定了“先进技术激光雷达导引头”
光
（ATLAS）的研究计划。
成
计划由美国空军赖特实验室主持，预计90年 代末进入装备应用。
像
1991年11月，美国通用动力公司和休斯公司
雷
研制成ATLAS’CO2成像激光雷达制导系统。
达
1992吊舱式结构的ATLAS’CO2成像激光雷
达系统吊挂在试验飞机上完成了第一阶段的
本
⑤ 大气环境监测
知
⑥ 主动遥感
识
7. 研究内容及关键技术
① 激光器技术
② 探测器及探测技术
一
③ 大气传输特性
基
④ 激光雷达理论
本
⑤ 信号处理技术
知
⑥ 数据处理技术
识
⑦ 控制技术
⑧ 光学系统设计与加工技术
⑨ 机械设计与加工技术
二、应用前景
二
应 用 前 景
1. 侦察用成像激光雷达 2. 障碍回避激光雷达 3. 大气监测激光雷达 4. 制导激光雷达 5. 化学/生物战剂探测激光雷达 6. 水下探测激光雷达 7. 空间监视激光雷达 8. 机器人三维视觉系统 9. 其他军用激光雷达
达
激光雷达寻的器搜索范围370×900m，获
取目标三维影像，分辨率15cm，确保准确
地识别目标。
激 光 成 像 雷 达
激 光 成 像 雷 达
激 光 成 像 雷 达
条纹管激光成像雷达
2000年美国空军实验室和美国国家海洋管理
激
(NOAA) 提出条纹管成象激光雷达(Streak Tube
光
Imaging LIDAR,STIL)
成
像
雷
达
6. Jigsaw计划
2000~2003年美国国防部高级研究计划署
① 弹道导弹防御激光雷达 ② 靶场测量激光雷达 ③ 振动遥测激光雷达 ④ 多光谱激光雷达
三、发展概况
“火池”(Firepond)激光雷达，是由美国
麻省理工学院林肯实验室(MIT)于60年代
火
末研制的。70年代初，林肯实验室演示 了火池雷达精确跟踪卫星的能力。
池
80年代末的火池激光雷达，采用一台高
基
③ 光学天线 透射式望远镜（开普勒、伽利略）
本
反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）
知
收发合置光学天线
识
收发分置光学天线 自由空间光路
全光纤光路
波片（四分之一、二分之一）
分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片
④ 光学扫描器。
多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的
转动来扫描，优点是扫描线性好、精度高，
激光雷达技术（1）
基本知识、应用前景、发展概况
哈尔滨工业大学航天学院 王春晖
课 程 主 要 内 容
1. 绪论 基本知识、应用前景、发展概况
2. 激光雷达基本理论 雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等