激光雷达在大气环境监测中的应用
激光雷达在大气环境监测中的应用
鲁岸立sc12002044
摘要：本文介绍了RAMAN激光雷达、多普勒激光雷达、MIE激光雷达的工作原理。并讨论了它们在气象和环境监测中的应用。
1.RAMAN激光雷达
RAMAN散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。散射光频率的改变
v~因入
r
射光和受作用的分子不同而异。分析该散射光的频率和强度的光谱图可以得到大气分子的相关信息,所以Raman 散射激光雷达可以用来测量环境中某种污染气体的浓度分布,接收系统用的是光谱分析仪,以便接收污染分子散射的不同Raman 散射波长的回波信号。
图1 RAMAN激光雷达结构原理图
图2 典型的污染物分子相对于激光频率的振动-转动拉曼散射频率
变化
在实验中用RAMAN激光雷达测量了羽油烟和机动车尾气的组成成分。RAMAN激光雷达使用的是波长337.1nm的激光作为探测光。首先给出正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成分的光谱图。
图3 正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成
分的光谱图
图3中每个箭头对应一特定分子的拉曼散射线的中心波长。正常大气中的主要成分包括N2,O2,水汽分子，CO2在光谱图中可以方便的检测出来。
在得到正常大气气体的光谱图之后，用激光雷达337.1nm波长激光分析羽油烟气体和机动车尾气中各种成分的拉曼频移，从而得出羽油烟气体具体组成。
图4 羽油烟气体中各组分分子的拉曼光谱图
图5 机动车尾气中各组分分子的拉曼光谱图
由探测结果可以看出，羽油烟气体和机动车尾气中除了包括N2,O2,水汽分子，CO2
还探测到了SO2,CO,H2S等有害气体。
RAMAN激光雷达不仅可以检测分析污染气体成分，还可以进行气溶胶探测。中科院安徽光机所在原有的一台Mie散射激光雷达的基础上，增加了一个
Raman 通道，从而可以接受空气分子（如N 2分子）的RAMAN 散射回波信号。 Raman 激光雷达方程
（1） 其中，),(R R z p λ是激光雷达接收的Raman 散射回波信号，R λ是2N 分子的Raman 散射波长（在该雷达系统中R λ=607nm ）；K 是激光雷达常数；)(z g R λ是607nm 通道的几何因子；
)(2z N N 是距离激光雷达z 处的2N 分子数密度；),(πλσL Ra d d Ω
为2N 分子的后向微分Raman 散射截面，可以认为是一个与高度Z 无关的量；),(L a z a λ和),(L m z a λ分别为高度z 处的大气气溶胶和空气分子在波长L λ上的消光系数。),(R a z a λ和),(R m z a λ分别为高度Z 处的大气气溶胶和空气分子在波长R λ上的消光系数。空气分子的消光系数可以利用瑞利散射理论
从探空数据和标准大气模式中计算得到。
由于该激光雷达只用来测量)(z g R λ=1范围内的大气气溶胶的消光系数，因此忽略（1）式中的几何因子项)(z g R λ，求解得到大气气溶胶消光系数),(L a z a λ
（2）
其中，K 是大气气溶胶的Angstrom 指数，对于对流层大气气溶胶，一般假设为
1。从（2）式中可以看出，2N 分子数密度随高度的变换率对反演的大气气溶胶
消光系数有直接的影响，2N 分子数密度可以从探空资料中获得。这种从Raman 回波信号中反演大气气溶胶消光系数的方法被称为Raman 方法。
随着激光雷达技术和拉曼光谱技术的发展，RAMAN 激光雷达的应用将越来越广泛。最近有学者用RAMAN 激光雷达测得了卷云中的冰水含量。
2.多普勒激光雷达
多普勒激光雷达利用激光多普勒效应,通过测量散射频率相对于发射激光频率的多普勒频移量测量大气风速按照探测方式获得风场的时空变化.设目标相对于系统运动的径向速度为v , 当受到波长为λ的激光照射时, 由于其运动而引起的回波光信号多普勒频移为λ/2v f d ±=.式中的正负号与目标相对于系统的运动方向有关,当目标与系统相向运动时, 取正, 反之取负。显然,目标的多普勒频移量与2 个因素有关: 一是目标运动速度; 二是激光雷达的工作波长。波长选定后, 多普勒频移量就只与目标的运动速度有关。
多普勒测风激光雷达可分为相干探测和直接探测2种体制。相干探测测量的是回波信号和发射的激光信号之间的差频信号, 而直接探测测量的是接收信号和发射的激光能量信号的相对能量变化。与直接探测相比, 相干探测不仅可实现更高的探测灵敏度和测量精度, 而且还可实现某些直接探测技术所不能实现的功能.
香港天文台于2002年将一台红外相干多普勒激光雷达介绍给香港国际机场用于风数切变预警。
图6 香港国际机场的地理环境及红外相干多普勒激光雷达部署位置
图7 香港国际机场红外相干多普勒激光雷达测得的风切变流场
图6中(a):相干多普勒激光雷达在PPI?1测得的高山气流尾波
(b):相干多普勒激光雷达在PPI?1测得的加速间隙流，标记为J
(c):相干多普勒激光雷达在PPI?5.4测得的高山气流尾波
（d):相干多普勒激光雷达测得在PPI?0西海风与陆地东风交汇波谱
（e):相干多普勒激光雷达在azimath?
95测得的跨山气流
（f）：相干多普勒激光雷达在PPI?1测得的水压跳变下的反涡旋再流通气流
3.MIE激光雷达
偏振米散射激光雷达是一个用激光作为发射器的遥感探测系统。它发射的光脉冲进入大气并在大气中传播时, 其射线遇到大气中的粒子和分子后会向四面八方折射和反射,也就是发生散射现象。不同高度不同粒子的散射光波长不同, 所以利用光电接收器接收激光遇到粒子后形成的后向散射光, 再对接收信号进行光谱分析就可以获得大气中不同高度上的不同微粒的分布特征, 进而实现大气污染物的跟踪监测.
在广东环境保护Bureau楼顶层部署了一台双波长MIE激光雷达。利用它测出当地7月20、21、22、23三天内大气C元素相对变化和相对湿度的变化。
图8
小结：随着激光雷达相关科学的发展和科技的进步,激光雷达在探测的空间范围、物质种类、时间持续等方面将有巨大的发展潜力,激光雷达将朝着更加精细化和定量化的方向发展。这一技术在不久的将来会得到更加广泛的应用,它在环境监测方面将会扮演不可替代的重要角色。同时,利用各国激光雷达网得到的系统的、长期和稳定的各种监测资料,可以直接进行气候变化的研究,特别是近年星载激光雷达和星载雷达首次获取的气溶胶和云的垂直分布廓线,可以在一定程度上提高气象和气候模式的模拟水平。随着世界上不同地区激光雷达资料的长期和系统的积累,它们必将在气候模式与天气预报模式的资料同化系统中发挥越来越重要的作用,从而为气候和气候变化的研究做出贡献。
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激光雷达应用
激光雷达具备独特的优点，如极高的距离分辨率和角分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。这使得激光雷达能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。 自1961年科学家提出激光雷达的设想，历经 40余年，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，进而研发出不同用途的激光雷达，如精密跟踪激光雷达、侦测激光雷达、侦毒激光雷达、靶场测量激光雷达、火控激光雷达、导弹制导激光雷达、气象激光雷达、水下激光雷达、导航激光雷达等。激光雷达已成为一类具有多种功能的系统。目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学和生物战剂探测和水下目标探测等军事领域方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。它在工业和自然科学领域的作用也日益显现出来。 一、军事领域应用 侦察用成像激光雷达 激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，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，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。 美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达，安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地区的上空以120～460m的高度飞行，用GaAs激光进行行扫描。获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。1992年，美国海军执行了“辐射亡命徒”先期技术演示计划，演示用激光雷达远距离非合作识别空中和地面目标。该演示计划使用的CO2激光雷达在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、高分辨率红外成像和三维激光雷达成像，识别目标。同时，针对美国海军陆战队的战备需求，桑迪亚国家实验室和Burns公司分别提出了手持激光雷达的设计方案。这种设备能由一名海军陆战队队员携带，重量在2.3～3.2kg之间，可以安装在三脚架上；
激光雷达在气象和大气环境监测中的应用
激光雷达在气象和大气环境监测中的应用 摘要：在目前，激光雷达属于运用非常广泛的现代光学遥控设备，是传统雷达 与现代激光技术相融合的产物，在大气环境监测中占据较为重要的地位。文章主 要探讨了激光雷达在气象和大气环境监测中的应用。 关键词：大气环境监测；激光雷达技术；应用要点 前言 激光雷达融合了激光技术和光学以及信息解析方面的知识，将其融入一种现 代化遥感方法。激光雷达在探测波长方面有所缩短，并且波束定位性非常强，所 以自身拥有较强的分辨率与灵敏度，可以精准测量盲区。通常激光雷达能在一定 程度上达到对大气环境、海洋以及陆地的探测，在各个区域占据非常重要的作用。 1.激光雷达概述 在对大气环境中污染物进行监测时，需有效分析气象原因，探测大气中的成分。一般激光雷达可以有效检测出气溶胶与云粒子详细的分布情况，并且可以检 测出大气成分、污染环境气体，有效管理污染源于城市上空的扩散情况。激光发 射和回波信号以及采集、控制等都属于激光雷达系统。激光束和大气物质相互的 作用，便能产生一定的回波信息，其中大气探测激光雷达实施大气探测是较为重 要的一点[1]。激光雷达在探测大气环境时，主要探测的是云、雾、能见度、大气 气溶胶等方面，当探测器夹杂着被测物质相关的信息，便可对其实施分析，获得 相应的大气物理要素。 当前，我国激光雷达获得了非常大的进步，在我国研究院大气物理研制出新 型的激光雷达，与此同时，携带着能见度较高的YAG雷达。在研究院中，研究出 的激光雷达具有非常强的优势。中科院研究中的激光雷达技术获得了较为明显的 成绩。前后研制出我国第一台测污激光雷达，分别为监测乙烯JC-1激光雷达、平 流层气溶胶探测L625激光雷达等。 2.激光雷达在气象中的应用 为了达到气象的需求，取得相应的区域性大气参数三维空间分布，在国际激 光雷达中，逐渐建立了许多区域性面积空间，来覆盖地基激光雷达观测网。其中 主要有全球大气成分探测网、独联体激光雷达观测网等[2]。近阶段，在世界范围内，正计划建立全球大气气溶胶激光雷达观测网。主要目的便是评估全球气候变化、空气质量评估等，可以合理应对突发事件。 激光雷达根据运载平台，可以将其分为地基固定式、车载式以及机载式等方式。像地基固定式、车载式、记载式等区域，在观测区域中，都拥有相应的区域 约束，非常不容易实施全球区域内的连续观测。然而，研究气候过程中，只实施 局部大气探测是不可以，但是，采用星载式激光雷达便能从根源解决此难题[3]。 在当前，许多地方都在研究星载激光雷达，例如：美国、日本等发达国家，都提 出了使用星载LDAR发展计划，其中美国是最初的使用者，它可以对全球云、气 溶胶垂直结构等方面实施全面的观测。基于技术原因，发射时间会有所推迟。 3.大气环境监测中激光雷达技术的运用 在以往，激光雷达属于新兴遥感探测技术，在空间分辨率、测量精度等方面 都拥有很大的优点，并慢慢应用到了大气科学、环境、气候等领域。依照探测物 质不一，可以对其进行分类，从而介绍如何使用激光雷达技术。当前的激光雷达 技术在技术方面难度非常大，实际应用中仍然会存在以下缺点，例如：受到大气 光的影响，会降低光的传输效应，导致遇到以下雨、雪、等天气都没有办法进行
激光雷达基础知识
什么是色散呢？ 当光纤的输入端光脉冲信号经过长距离传输以后，在光纤输出端，光脉冲波形发生了时域上的展宽，这种现象即为色散。以单模光纤中的色散现象为例，如下图所示： 如何消除色度色散对DWDM系统的影响： 对于DWDM系统，由于系统主要应用于1550nm窗口，如果使用G.652光纤，需要利用具有负波长色散的色散补偿光纤（DCF），对色散进行补偿，降低整个传输线路的总色散。 光的衍射 光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的途径而绕到障碍物后面传播的现象，叫光的衍射（Diffraction of light）。 光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。
物理学中，干涉（interference）是两列或两列以上的波在空间中重叠时发生叠加从而形成新的波形的现象。 光的干涉 光的干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象。定义：两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象，证实了光具有波动性。 两束光发生干涉后，干涉条纹的光强分布与两束光的光程差/相位差有关：当相位差为周期的整数倍时光强最大；当相位差为半周期的奇数倍时光强最小。从光强最大值和最小值的和差值可以定义干涉可见度作为干涉条纹清晰度的量度。 只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。 大气气溶胶 大气气溶胶是液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并参与各种化学循环，是大气的重要组成部分。雾、烟、霾等都是天然或人为原因造成的大气气溶胶。 大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液态颗粒物的总称，粒子的空气动力学直径多在0.001～100μm之间,非常之轻,足以悬浮于空气之中，当前主要包括6 大类7种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶（黑碳和有机碳气溶胶）、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。 散射特性：气溶胶质点能发生光的散射，这是使天空成为蓝色，太阳落山时成为红色的原因。 多普勒频移 当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。 多普勒效应造成的发射和接收的频率之差称为多普勒频移。它揭示了波的属性在运动中发生变化的规律。 主要内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）。多普勒频移，当运动在波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）。 多普勒频移及信号幅度的变化等如图所示。当火车迎面驶来时，鸣笛声的波长被压缩（如图2右侧波形变化所示），频率变高，因而声音听起来尖利刺耳。当火车远离时，声音波长就被拉长（如图2左侧波形变化所示），频率变低，从而使得声音听起来减缓且低沉。
激光雷达测距基本知识与其应用
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 引言 (1) 1雷达与激光雷达系统 (2) 2激光雷达测距方程研究 (3) 2.1测距方程公式 (3) 2.2发射器特性 (4) 2.3大气传输 (5) 2.4激光目标截面 (5) 2.5接收器特性 (6) 2.6噪声中信号探测 (6) 3伪随机m序列在激光测距雷达中的应用 (7) 3.1测距原理 (7) 3.2 m序列相关积累增益 (8) 3.3 m序列测距精度 (8) 4脉冲激光测距机测距误差的理论分析 (9) 4.1脉冲激光测距机原理 (9) 4.2 测距误差简要分析 (10) 5激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用 (10) 6结束语 (11) 致谢 (12) 参考文献 (12) -
激光雷达测距原理与其应用 摘要:本文简单介绍激光雷达系统组成，激光雷达系统与普通雷达系统性能的对比，着重阐述激光雷达测距方程的研究。针对激光远程测距中的微弱信号检测，介绍一种基于m序列的激光测距方法，给出了基于高速数字信号处理器的激光测距雷达数字信号处理系统的实现方案，并理论分析了脉冲激光测距机的测距误差。了解并学习激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用。 关键词：激光雷达；发射器和接收器特性; 伪随机序列; 脉冲激光；测距误差 Applications and Principles of laser radar ranging Student majoring in Optical Information Science and Technology Ren xiaonan Tutor Shang lianju Abstract:This paper briefly describes the composition of laser radar systems, laser radar system and radar system performance comparison of normal, focusing on the laser radar range equation. Laser Ranging for remote signal detection, presents a introduction of a sequence based on laser ranging method m, gives the high-speed digital signal processor-based laser ranging radar digital signal processing system implementations, and theoretical analysis of the pulse Laser rangefinder range error.We understand and learn application of Laser radar in the mobile robot and other aspects. Key words：Laser radar; Transmitter and receiver characteristics；Pseudo-random sequence；Pulsed laser；Ranging error. 引言：激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，激光具有亮度 高、单色性好、射束窄等优点,成为光雷达的理想光源,因而它是目前激光应用主要的研究领域之一。激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。利用激光作为遥感设备可追溯到30多年以前，从20世纪60年代到70年代，人们进行了多项试验，结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距。激光雷达测量技术是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用.LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称，通常指机载对地激光测距技术，对地激光测距的主要目标是获取地质、地形、地貌以及土地利用状况等地表信息。相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。随着LIDAR传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR数据将提供更为丰富的地表和地物信息。激光测距可分为星载(卫星搭载)、机载(飞机搭载)、车载(汽车搭载)以及定位(定点测量)四大类，目前激光测距仪已投入使用,激光雷达正处在试验阶段,某些激光雷达已付诸实
浅谈激光雷达技术在林业上的应用
浅谈激光雷达技术在林业上的应用 摘要：近年来激光雷达在很多领悟非常受欢迎，更值得一提的是这种技术非常 受森林工作者的欢迎，在森林参数测量方面发挥着非常重要的作用。激光雷达的 成像机理和一般的光学遥感大不相同，它对森林地形以及森林植被分布形式的勘 测能力极强。在对森林高度进行探测时这种优势呗发挥的淋漓尽致，更重要的是 激光雷达具有的这种优势是很多遥感设备无法比拟的。 关键字：林业应用；激光雷达技术；遥感技术 引言 自然界的所有结构中没有比森林更大，更复杂的结构了，森林拥有着自然界 中的很多资源，这些自然资源包括碳水化合物和森林植被所需的所有营养。不管 人类发展到什么程度森林结构都不可能会被其他结构所替代，因为只有森林结构 完整，才能够保证自然界的生态平衡。在通常情况下，要想更好的保证生态平衡，就必须要对森林的很多参数就行测量和分析，但是运用普通的参数测量方法只能 够获得一些简单的数据，这些数据在对大片森林的研究上并不能发挥太大作用。 因此，要想获得大片森林的区域数据，就必须运用远程传感器来实现。另外，激 光技术可以说是一种新的探测技术，它的能力非常强。激光技术不仅可以帮助科 研人员获得所需研究物体或者结构的高度信息，而且可以给出精准的数据信息。 正因如此，在军事研究领悟激光技术也不可或缺。 一、激光雷达技术的测量工具和系统介绍 在数据研究领领域有一种最基本的测量工具，这种测量工具就是激光测距仪。这种仪器在使用时必须要使用激光，而且它的工作频率比家中微波炉的工作频率 高出很多倍。 平常的雷达系统，它的高度都不会超过70英尺，另外，对每一个雷达系统而言，它们都具有一个激光系统，并且这个激光系统是连续的。激光在使用的过程中，它的细节其实是时间决定的，每一刻都代表一个不同的时间。在森林参数测 量过程中运用激光技术可以不仅可以得到树木花草的结构，而且激光还可以凭借 其信号远远大于木材信号的优势来得到整个森林的结构，这也给森林研究人员在 森林结构研究方面带来了极大的便利。 一个大的激光雷达系统是由很多小的激光探测系统组成的，而每一个激光探 测系统就是一个小的激光雷达系统。另外，激光的大小并不是固定不变得，它会 随着飞行高度的变化而不断变化，但是一般情况下激光的大小最大不会超过0.9m。有的时候激光之所以能感觉到树叶，是因为最小的激光非常小，也正因为这个特点，激光雷达系统必须要增加方向上的频率。 二、激光雷达技术在林业上的应用 林业研究领域的很多数据都是靠激光测量出来的，这些数据小到森林中一棵 树的枝干结构信息，大到一个森林的整体结构信息。由此可见激光技术对林业研 究的重要性。另外，雷达激光系统不仅受到国内多数研究领域的欢迎，而且雷达 激光系统在国外也广受商业企业的欢迎。 虽然雷达可以再特定的时间内记录信息，但是对于信号边界的信息可能没有 办法完整记录。要想解决这个问题就必须要运用技术来穿越激光的边界，虽然在 穿越激光边界的过程中会遇到各种各样的问题，但是通过这种方法却可以有效的 获得信号边界信息。
激光雷达应用
光电传感技术与应用 课程作业 学院 专业 姓名 学号
课程论文题目激光雷达技术 评审意见 演示文稿张数14 评审意见
激光雷达 林无穷 江南大学理学院光电信息科学与工程系江苏无锡 214122 摘要：本文介绍了激光雷达技术的原理、发展与历程，还有它在当今时代的多方面应用。我们把工作在红外和可见光波段的，以激光为工作光束的雷达称为激光雷达，它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成。它在地形检测，导航，测距，追踪以及军事方面有着显著作用。 关键词：激光，雷达，环境检测 引言 激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。 激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。 原理 激光雷达探测大气的基本原理即是上述几种激光与大气相互作用的机制。激光器产生的激光束经光束准直（有的情况下需要扩束）后发射到大气中，激光在大气中传输遇到空气分子、气溶胶等成分便会发生散射、吸收等作用。散射中的小部分能量——后向散射光落入接收望远镜视场被接收。被接收到的后向散射光传输到光电探测器（通常为PMT）被转换成电信号（一般为电流信号），实现光-
激光雷达测量系统介绍
激光雷达测量系统介绍 数据事业部李谨Lidar (Light Detecting And Ranging)技术是一种利用光束来探测物体和测定距离的高科技集成系统，代表着当前数码测绘技术的前沿。机载GPS提供Lidar系统的空间位置，惯性测量系统提供Lidar激光的方向，激光系统提供激光脉冲，计算机系统提供高速、大规模数据存储空间与处理能力。近年来，国内外学者对于lidar的应用做了大量的研究。其主要研究集中在lidar数据的矫正和匹配问题、基于近距离小功率lidar测距器的目标的表面重建研究，以及基于正射影像或遥感影像的房屋建模研究等等。 一．Lidar技术产生背景 激光是60年代发展起来的一门崭新的学科。40年来，经过基础理论和应用技术研究，目前已经进入全面发展和应用阶段。激光技术的发展和应用不仅使古老的光学技术别开生面，而且广泛渗透到各个学科。它已成为科学技术领域中强有力的研究工具和行之有效的手段，带动和促进了科学技术的发展。 利用激光作为遥感设备，可追溯到30多年以前。从20世纪60年代到70年代这段时期,人们进行了多项试验,结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力,其中包括激光测月和卫星激光测距。美国早在20世纪70年代阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术。20世纪80年代末,以机载激光扫描测高技术为代表的空间，对地观测技术在多等级三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破。随着相关技术的发展和社会需求的不断扩大,机载激光扫描测高技术的发展日新月异。机载激光扫描测高系统能够快速获取精确的高分辨率数字地面模型，以及地面物体的三维坐标，进而获取地表物体的垂直结构形态。同时，配合地物的视频或红外成像结果,增强了对地物的认识和识别能力,在摄影测量与遥感及测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。机载激光扫描测高技术的发展，为获取高时空分辨率的地球空间信息，提供了一种全新的技术手段。使人们从传统的人工单点数据获取，变为连续自动数据获取,提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处理逐渐向智能化、自动化方向发展。二．Lidar技术的发展与现状 20世纪80年代,激光测量得到了迅速发展,包括当时美国NASA研制的大气海洋LIDAR系 统以及机载地形测量设备等机载系统。但机载、空载激光扫描测高技术直到最近十几年才取得重大进展,研制出精确可靠的激光测高传感器,包括航天飞机激光测高仪、火星观测激光测高仪，以及月球观测激光测高仪。利用它们可获取地球表面、火星表面及月球表面的高分辨
激光雷达在电力巡检的创新应用
除了通道排查树障以外，雷达在通道中还有哪些创新点，对运维有哪些帮助？ 应用机载激光雷达技术进行输电线路巡检的优势如下： 1、能够快速获取线路走廊高精度的三维空间信息及高分辨率的真彩色影像信息，可实现线路交叉跨越高度、树高房高、线路与周边地物空间距离的高精度实时测量等； 8、结合电塔三维模型、线路走廊三维地形地物数据以及收集的线路属性参数，还可以辅助实现线路资产管理，与智能电网方案结合，效果更好。 9、可根据巡检不同的技术要求，集成可见光相机／多光谱相机／红外相机。 后台数据处理后，软件有哪些模块可以实际运用？
数据处理巡检分析一体化软件集航迹解算、点云分类处理、影像处理及线路巡检分析为一体，可操作性强，简单易学。该软件功能模块主要包括线路当前工况缺陷分析检测、净空排查、线路交叉跨越分析、塔杆定位、塔杆倾斜测量分析、杆塔位移监测、弧垂分析、线路不同工况模拟及检测，软件内置国网线路安全运行规程等，支持自定义配置规程参数并自动分析报告输出，可根据实际需求灵活使用。 巡检效率 1、由上两图可见，对于10km的线路长度，30分钟即可采集完所有数据；50分钟 内即可生成巡检报告，获取通道内的净空数据，外业人员可及时联系相关人 员，在短时间内，排除净空障碍隐患。这种效率是传统人工巡检无法做到的，
以下是具体比较： 无人机载激光雷达电力巡线社会经济效益一览表
2、巡线数据真实可靠性：由于传统的人工巡线很难确保巡线人员能够百分之百到 达位置，即使是使用GPS“打考勤”，也不能确保巡线人员对每个检测点都 进行认真可靠的检测。因此，对于数据收集的可靠性上，使用无人机搭载激 光雷达，是更具备真实客观性。 1、数据预处理功能：包括全息数据导入、航迹姿态数据处理、激光点云数据解算、激光点云/高清影像/红外图像等精确匹配等； 数据预处理功能主要应用到的坐标转换如下。 （1）扫描仪局部坐标到IMU坐标转换；
激光雷达在军事中的应用
激光雷达在军事中的应用 摘要：本文简要介绍激光雷达的特点、激光雷达探测的基本物理原理及其在军事领域的应用现状．Laser rader’s character was briefly introduced in this essay.Besides,its elementary physical fundamental was also introduced as well al its use from military field. 关键词：激光雷达；探测；军事应用 1引言 激光雷达是现代激光技术与传统雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式即为直接探测和外差探测。它像传统的微波雷达一样，由雷达向目标发射波束，然后接收目标反射回来的信号，并将其与发射信号对比，获得目标的距离、速度以及姿态等参数．但是它又不同于传统的微波雷达，它发射的不是微波束，而是激光束，使激光雷达具有不同于普通微波雷达的特点． 根据激光器的不同，激光雷达可工作在红外光谱、可见光谱和紫外光谱的波段上．相对于工作在米波至毫米波波段的微波雷达而言，激光雷达的工作波长短，是微波雷达的万分之一到千分之一，根据光学仪器的分辨率与波长成反比的原理，利用激光雷达可以获得极高的角分辨率和距离分辨率，通常角分辨率不低于0.1mrad ，距离分辨率可达0.1m , 利用多普勒效应可以获得10m / s 以内的速度分辨率．这些指标是一般微波雷达难以达到的，因此激光雷达可获得比微波雷达清晰得多的目标图像。 激光束的方向性好、能量集中，在20km 外，其光束也只有茶杯口大小，因而敌方难以截获，而且激光束的抗电磁干扰能力强，难以受到敌方有源干扰的影响． 由于各种地物回波影响，因而在低空存在微波雷达无法探测的盲区．而对于激光雷达，只有被激光照射的目标才能产生反射，不存在低空地物回波的影响，所以激光雷达的低空探测性能好．激光雷达体积小、重量轻，有的整套激光雷达系统的重量仅几十千克．例如为了适应海军陆战队的需要，美国桑迪亚国家实验室和伯恩斯公司都提出了手持激光雷达的设计方案．相对于重达数吨、乃至数十吨的微波雷达而言，激光雷达的机动性能显然要好得多． 任何事物都是一分为二的，激光雷达也有自身的缺陷．激光光束窄、方向性好，虽然表现出能量集中的优点，但不宜用作战场监视雷达搜索大空域．而且激光的传输受环境影响大，尤其是在雨、雪、雾的天气，激光在传输过程中的衰减更大．当然，激光在大气层外传输时不易衰减，有其得天独厚的优势．经过几十年的努力，科学家们趋利避害，已研制出多种类型的军用激光雷达．激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量。如对导弹对卫星的精密定轨等。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光雷达可以对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。用激激光器作为辐射源的雷达。 2. 用干战场侦察的激光雷达 众所周知，普通的成像技术（如电视摄像、航空摄影及红外成像等）获得的场景图像都是反映被摄区域辐射强度几何分布的图像，而激光雷达可以通过采集方位角一俯冲角一距离一速度一强度等三维数据，再将这些数据以图像的形式显示出来，从而可产生极高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像等，因而它提供了普通成像技术所不能提供的信息． 例如美国桑迪亚国家实验库研制的一种激光雷达，激光器功率为120MW ，显示屏幕的像素为64
激光雷达技术的应用现状及应用前景
光电雷达技术 课程论文 题目激光雷达技术的应用现状及应用前景 专业光学工程 姓名白学武 学号2220140227 学院光电学院 2015年2月28日
摘要:激光雷达无论在军用领域还就是民用领域日益得到广泛的应用。介绍了激光雷达的工作原理、工作特点及分类,介绍了它们的研究进展与发展现状,以及应用现状与发展前景。 引言 激光雷达就是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的T作原理相似,它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号,然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较,从而获得目标的位置(距离、方位与高度)、运动状态(速度、姿态)等信息,实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪与识别。 激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形与数据处理方式,可分为脉冲激光雷达、连续波激光雷达、脉冲压缩激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达与成像激光雷达等:根据安装平台划分,可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达与航天激光雷达;根据完成任务的不同,可分为火控激光雷达、靶场测量激光雷达、导弹制导激光雷达、障碍物回避激光雷达以及飞机着舰引导激光雷达等。 在具体应用时,激光雷达既可单独使用,也能够同微波雷达,可见光电视、红外电视或微光电视等成像设备组合使用,使得系统既能搜索到远距离目标,又能实现对目标的精密跟踪,就是目前较为先进的战术应用方式。 一、激光雷达技术发展状况 1、1关键技术分析 1、1、1空间扫描技术 激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制与扫描体制,其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描与二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器,作用距离较远,探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同,能够减小设备的体积、重量,但在我国多元传感器,尤其就是面阵探测器很难获得,因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。 机械扫描能够进行大视场扫描,也可以达到很高的扫描速率,不同的机械结构能够获得不同的扫描图样,就是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描,扫描速度可以很高,扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小,光束质量较差,耗电量大,声光晶体
激光雷达回波信号仿真模拟
激光雷达回波信号仿真模拟研究 摘要 关键字 第一章绪论 第一节引言 激光雷达（Lidar：Li ght D etection A nd R anging），是一种用激光器作为辐射源的雷达，是激光技术与雷达技术完美结合的产物。激光雷达的最基本的工作原理与我们常见的普通雷达基本一致，即由发射系统发射一个信号，信号到达作用目标后会产生一个回波信号，我们将回波信号经过收集处理后，就可以获得所需要的信息。与普通雷达不同的是，激光雷达的发射信号是激光而普通雷达发射的信号是无线电波，两者在波长上相比，激光信号要短的多。由于激光的高频单色光的特性，激光雷达具有了许多普通雷达无法比拟的特点，比如分辨率高，测量、追踪精度高，抗电子干扰能力强，能够获得目标的多种图像，等等。因此，利用激光雷达对大气进行监测，收集、分析数据，建立一个大气环境预测理论模型，这将会成为研究气候变化和寻求解决对策的一项重要武器。 第二节本文的选题意义 由于投入巨大，在研制激光雷达实物之前，我们需要进行模拟与仿真研究，预测即将研制的激光雷达的各性能指标，评价总体方案的可行性。激光雷达回拨信号仿真模拟就是利用现代仿真技术，逼真的复现雷达回波信号的动态过程，它是现代计算机技术、数字模拟技术和激光雷达技术相结合的产物。仿真模拟的对象是激光雷达的探测没标以及它所处的环境，模拟的手段是利用计算机和相关设备以及相关程序，模拟的方式是复现包含着激光雷达目标和目标环境信息的雷达信号。通过激光雷达回波信号的仿真模拟，进而产生回波信号，我们可以在实际雷达系统前端不具备条件的情况下，对激光雷达系统的后级设备进行调试。 第三节本文的研究思路和结构安排 本文主要研究面向气象服务应用的大气激光雷达。笔者在熟悉激光雷达的基本工作原理的前提下，学习和熟悉各种参数对大气回波能量的影响，进而学习和掌握matlab编程语言，并且根据给定的激光雷达系统参数、大气参数和光学参数，以激光雷达方程为基础，通过仿真模拟得到理想状态下的大气回波信号。但是，在实际测量工作中，由于大气中的各种干扰，我们获得的回波信号并不和理想状态下的大气回波信号一致，因此，在本文的后期工作中，笔者根据已有的大量激光雷达实测信号与模拟信号对比，既能验证仿真模拟结果的准确性，又能应用于激光雷达的性能指标等方面的分析上，具有比较高的实际应用价值。 第二章激光雷达的原理 第一节激光雷达系统 一个标准的激光雷达系统应该包含以下部件：激光器、发射系统、接收系统、光学系统、信号处理系统以及显示系统。它的工作原理图我们可以用下图表示：
激光雷达在大气环境监测中的应用
激光雷达在大气环境监测中的应用 鲁岸立sc12002044 摘要：本文介绍了RAMAN激光雷达、多普勒激光雷达、MIE激光雷达的工作原理。并讨论了它们在气象和环境监测中的应用。 1.RAMAN激光雷达 RAMAN散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。散射光频率的改变 v~因入 r 射光和受作用的分子不同而异。分析该散射光的频率和强度的光谱图可以得到大气分子的相关信息,所以Raman 散射激光雷达可以用来测量环境中某种污染气体的浓度分布,接收系统用的是光谱分析仪,以便接收污染分子散射的不同Raman 散射波长的回波信号。 图1 RAMAN激光雷达结构原理图
图2 典型的污染物分子相对于激光频率的振动-转动拉曼散射频率 变化 在实验中用RAMAN激光雷达测量了羽油烟和机动车尾气的组成成分。RAMAN激光雷达使用的是波长337.1nm的激光作为探测光。首先给出正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成分的光谱图。 图3 正常大气气体的拉曼后向散射及频率不变成分包括瑞利及米散射成 分的光谱图 图3中每个箭头对应一特定分子的拉曼散射线的中心波长。正常大气中的主要成分包括N2,O2,水汽分子，CO2在光谱图中可以方便的检测出来。 在得到正常大气气体的光谱图之后，用激光雷达337.1nm波长激光分析羽油烟气体和机动车尾气中各种成分的拉曼频移，从而得出羽油烟气体具体组成。
图4 羽油烟气体中各组分分子的拉曼光谱图 图5 机动车尾气中各组分分子的拉曼光谱图 由探测结果可以看出，羽油烟气体和机动车尾气中除了包括N2,O2,水汽分子，CO2 还探测到了SO2,CO,H2S等有害气体。 RAMAN激光雷达不仅可以检测分析污染气体成分，还可以进行气溶胶探测。中科院安徽光机所在原有的一台Mie散射激光雷达的基础上，增加了一个
激光雷达在机器人中的应用
激光雷达在ALV中的应用 关键词：激光雷达智能车辆移动机器人定位障碍检测laser range finder Extended Kalman Filter(EKF). 结构：1：概述 2：激光雷达的分类 3：激光雷达测量时间的技术 4：激光雷达在ALV中的用途 5：举例LMS291-s05型号的激光雷达的特点和参数 6：激光雷达用于智能车定位 6.1 定位原理 6.2定位常用方法 7：激光雷达用于ALV的障碍检测 7.1ALV的安全性要求 7.2 激光雷达检测故障时要到的“漏报”和“虚警”现象 7.3 雷达安装位置的考虑 8：总结 资料来源：Google 百度知网、南理工图书馆学位论文、期刊、会议《未知环境中移动机器人导航控制理论与方法》蔡自兴 1：概述 无论是室外环境下行驶的陆地自主车还是室内环境下运动的各种移动机器人（Autonomous Land Vehicle)，都离不开距离探测。而在有源测距仪中，激光测距雷达的精度相对较高，方向性较好，而且基本不受环境可见光变化的影响，因此无论在室内还是室外环境下的移动机器人的导航研究中都得到了广泛应用。激光测距雷达可以直接获取距离数据，为机器人的导航提供了便捷有效的环境描述。 2：激光雷达的分类 根据扫描机构的不同，激光测距雷达有2D和3D两种。它们大部分都是靠一个旋转的反射镜将激光发射出去并通过测量发射光和从物体表面反射光之间的时间差来测距。3D激光测距雷达的反射镜还附加一定范围内俯仰以达到面扫描的效果。它们都是直接测距方法。同3D激光测距雷达相比，2D激光测距雷达只在一 个平面上扫描，结构简单，测距速度快、系统稳定可靠。目前2D激光测距雷达
激光雷达技术在气象中的应用
激光雷达论文 激光雷达技术在气象中的应用 摘要
激光束与大气物质相互作用而产生回波信号是大气探测激光雷达进行大气探测的关键。激光雷达探测大气环境的工作原理是激光器发射的激光通过与大气中的气溶胶及各种大气成分的作用而产生后向散射信号。对探测器接收的携带着被测物质有关的信息(吸收、散射等)进行分析处理便可得到所需的大气物理要素(如大气消光系数、速度、密度等)。 本文主要介绍了激光雷达在气象要素即大气温度、大气湿度和风速中的应用。 关键词：激光雷达气象要素温度风速 目录 一．引言 (4) 二．激光雷达在大气温度检测中的应用 (4)
2.1基于瑞利散射的大气温度检测研究 (4) 2.1.1基于测量瑞利散射回波能量的方法 (5) 2.1.2基于测量瑞利散射半高线宽的方法 (5) 2.2基于拉曼散射的大气温度检测研究 (6) 2.2.1基于转动拉曼散射的方法 (6) 2.2.2基于振动拉曼散射的方法 (7) 三．激光雷达在大气湿度中的应用 (7) 四．激光雷达在风速检测中的应用 (8) 五．参考文献 (9) 六．心得体会 (9)
一．引言 激光雷达系统从整体上可分为激光发射、回波信号接收和采集以及控制三大部分。激光束与大气物质相互作用而产生回波信号是大气探测激光雷达进行大气探测的关键。激光雷达探测大气环境的工作原理是激光器发射的激光通过与大气中的气溶胶及各种大气成分的作用而产生后向散射信号。对探测器接收的携带着被测物质有关的信息(吸收、散射等)进行分析处理便可得到所需的大气物理要素(如大气消光系数、速度、密度等)。在大气环境污染观测中有关风速、气温、湿度等气象要素是不可缺少的重要参数，所以可以将激光雷达技术在气象中的应用按其要素分为在大气温度检测中的应用、在大气湿度检测中的应用、在风速检测中的应用。 二．激光雷达在大气温度检测中的应用 在进行大气物理特性测试、天气预报相关大气参数的获取以及环境监测等领域中,大气温度是至关重要的一个参数。大气温度及其分布的相关信息的准确获取,对正确评估大气物性及其变化趋、!对流活动、云层状态等一系列构成大气复杂系统的参量,具有及其重要和最基本的意义。目前大气温度探测较成功的系统有瑞利散射激光雷达系统和转动拉曼散射激光雷达系统,理论及已发表的研究成果表明,这两种系统是在理论和实际应用上都各有优势、物理上可实现的系统。 2.1基于瑞利散射的大气温度检测研究 瑞利散射是一种中心波长与入射激光波长相同,谱宽依存大气温度变化的弹性散射,它是由散射体粒径比激光波长小的分子或原子引起的散射现象,主要用于大气温度、大气分子密度等参数的测量。
激光雷达原理
激光雷达原理 1.激光雷达原理 激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的工作原理相似,它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号,然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较,从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态等信息,实现对飞机,导弹等目标的探测,跟踪和识别。 激光测距机是简化的激光雷达。在以激光测距技术基础上,配置方位与俯仰测量装置、激光目标自动跟踪装置,就构成了比较完备的目标探测/跟踪激光雷达。通常激光雷达由激光发射机、激光接收机、信息处理系统、伺服控制系统和操控显示终端组成。下图所示为基本的激光雷达原理图。 2. 发射激光系统 对于激光雷达整个系统来说，发射光学系统是最为重要的一部分，其中以激光器的性能为主，它的性能很大程度上激光器的探测性能，现阶段对于激光雷达来说532nm和1064nm的激光管最为常见，而激光器的种类有固体激光器和半导体激光器，随着输出功率的不断提高，半导体激光器因为宽的调谐范围，小巧的体积等优势是未来发展的主流方向。
激光雷达对激光光源有四点基本要求，一是有较大的功率，且大多数都需要工作于脉冲模式，因此相应的要求是脉冲能量大，脉冲重复频率高；激光的光束质量好，特别是要求光束的发散角要小，指向性要好；对于工作于差分吸收或荧光机制的激光雷达，还要求激光输出波长处于特定光谱范围；通常要求激光器体积小，功耗小，性能稳定可靠等，以满足激光雷达多种运载方式的要求。 常见的激光器选择有1064nm YAG激光器，DFB-1064半导体激光器。YAG激光器是一种典型的固体工作物质，由于它多方面的优良性能，早期在激光雷达中获得了广泛的应用。 而随着半导体激光器的飞速发展，现在越来越多的激光雷达应用采用半导体激光器，半导体激光器DFB-1064nm 拥有更小外形尺寸，更好的发散角，脉冲功率现在也能做到600mW,尤其是德国的半导体激光器做的非常出色，下面是一份半导体激光器的典型性能参数。 DFB 1064nm激光管 3. 接收光学系统 激光雷达的接收单元由接受光学系统，光电探测器和回波检测处理电路等组成，其功能是完成信号能量汇聚，滤波，光电转换，放大和检测等功能。对激光雷达接收单元设计的基本要求是：高接收灵敏度，高回波探测器概率和低的虚警率。探测器是激光接收机的核心部件，由于雪崩光电二极管具有高的内部增益，体积小，可靠性高等优点，往往是首选探测器。
激光雷达综述
激光雷达技术及其应用综述 一、激光雷达的概念 激光雷达（LIDAR-Light Detected And Ranging）是一套复杂的光机系统，它结合了光源、光电探测等技术，有时还包括计算机图象处理技术，能够同时获得方位、俯仰角度、距离、强度等信息，特别适合用于森林结构的估计、城市建设、工业、农业、航空航天等领域[1]。一个典型的激光雷达结构示意图，如图1所示。激光雷达是一种主动式遥感探测设备，从工作原理来说，它只是把传统微波雷达的光源变成了激光：向被测目标发射激光信号,然后接收反射回来的信号、并与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息。 激光雷达不同于机器视觉技术，使用的是更为精确的激光光源和光电传感器，而机器视觉多是使用普通相机摄像头探测和CCD或CMOS作为图像传感器。激光雷达可以实现较大测量范围内的3D立体探测，但易受环境天气因素影响；使用微波（毫米波）雷达的机器视觉探测技术，立体测量范围有限、精度不高，但抗干扰性强、测量距离远。 图 1 典型激光雷达系统结构 二、激光雷达的关键技术 2. 1 光源技术 激光雷达系统中使用的光源，目前主要是CO2激光器，半导体激光器(LD)和以Nd：YAG 为主的固体激光器。 较远测程(数百米以上)的二极管激光成像雷达对其辐射源的要求, 一是具有足够高的输出功率, 二是具有足够窄的发射波束。目前商品化的二极管激光器虽可分别达到10W 的平均功率和衍射极限的波束质量, 但同一器件却难以同时满足这两项要求。一种可能的途径是采用面发射分布反馈(SEDFB)的二极管激光器阵列和微光学(MOC)准直技术。一个40 阵列, 采用微透镜组1.3cm ×10cm 孔径, 得到0.5 ～0.75mrad 发散度的10W 连续输出功率。当然, 为了实现这样的准直效果, 必须对微光学系统进行精心设计加工, 使其达到1μm 的绝对准直精度, 采用激光辅助化学腐蚀工艺制造微光学系统, 可以满足这一要求。在具体设计时, 必须对孔径尺寸, 波束发散度和输出功率进行合理的折衷[2]。 2. 2 传感器的选择 如果说激光源是激光雷达的“发射机”，那么光电探测器就是“接收机”。类似雷达系统的接收机，光电探测器可选择如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、红外和可见光多元探测器件等[3]。 从激光源发射的脉冲只有小部分光子到达了光电探测器的有源探测区域[4]。若大气衰减不会随着脉冲路径发生变化，则激光的光束发散角可忽略不计，照明点小于目标，入射角度
激光雷达原理
激光雷达原理 -------读书笔记 99121-19 邓洪川 一.概念: “雷达”(Radio Detection and Range,Radar)是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备.电磁波其功能包括搜索目标和发现目标;测量其距离,速度,角位置等运动参数;测量目标反射率,散射截面和形状等特征参数。 传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波.可以用振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。 激光雷达利用激光光波来完成上述任务。可以采用非相干的能量接收方式，这主要是一脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采用相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现探测。激光雷达和微波雷达并无本质区别，在原理框图上也十分类似，见下图 微波雷达 激光雷达 激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。激光光速发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。天线和系统的尺寸可以作得很小。利用不同分子对特定波长得激光吸收、散射或荧光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。 目前，激光雷达的种类很多，但是按照现代的激光雷达的概念，常分为以下几种: (1)按激光波段分，有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。 (2)按激光介质分，有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵 浦固体激光雷达等。 (3)按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。
(4) 按显示方式分，有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。 (5) 按运载平台分，有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光 雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。 (6) 按功能分，有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像 雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。 (7) 按用途分，有激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多 功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气监测激光雷达等。 激光雷达的波长比微波断好几个数量级，又有更窄的波束。因此，于微波雷达相比，激光雷达具有如下优点： （1） 角分辨率高，速度分辨率高和距离分辨率高。采用距离-多普勒成像技术可 以得到运动目标的高分辨率的清晰图象。 （2） 抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿越等离子鞘，低 仰角工作时，对地面多路径效率不敏感。激光束很窄，只有在被照射的那一点，那瞬间，才能被接收，所以激光雷达发射的激光被截获的概率很低。 （3） 激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测。这是微波雷达无能为 力的。 （4） 在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。 当然，激光雷达也有如下缺点： （1） 激光受大气及气象影响大。大气衰减和恶劣天气使作用距离降低。此外， 大气湍流会降低激光雷达的测量精度。 （2） 激光束窄，难以搜索目标和捕获目标。一般先有其他设备实施大空域、 快速粗捕目标，然后交由激光雷达对目标进行精密跟踪测量。 二.激光雷达作用距离方程 激光和微波统属电磁波，激光雷达作用距离方程的推导与微波雷达的推导是相似的。从微波雷达作用距离方程可以导出激光雷达方程： Sys Atm T T R D R R G P P ηηππδπ???=4442 2 2 式中，P R 是接收激光功率（W ）；P T 发射激光功率（W ）；G T 是发射天线增益；σ是目标散 射截面；D 是接收孔径（m ）；R 是激光雷达达到目标的距离（m ）；ηAtm 是单程大气传输系数；ηSys 是激光雷达的光学系统的传输系数。定义A R =πD 2是有效接收面积（m 2）.式中还有： 24T T G θ π = 其中 D K a T λ θ= 两式中，θT 是发射激光的带宽；λ是发射激光的波长；K a 是孔径透光常数。 经过整理，式（1）变为