激光雷達(dá)工程技術(shù)

目 錄
第1章 緒論 001
1.1 激光雷達(dá)的特點(diǎn)與分類 002
1.1.1 激光雷達(dá)的特點(diǎn) 002
1.1.2 激光雷達(dá)的分類 003
1.2 激光雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀 004
1.2.1 國(guó)外激光雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀 004
1.2.2 國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀 008
1.3 激光雷達(dá)的應(yīng)用 009
1.3.1 空間探測(cè)激光雷達(dá) 009
1.3.2 交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá) 010
1.3.3 大氣探測(cè)激光雷達(dá) 010
1.3.4 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá) 010
1.3.5 導(dǎo)航避障激光雷達(dá) 011
1.3.6 無(wú)人駕駛車(chē)載激光雷達(dá) 012
1.3.7 水下探測(cè)機(jī)載激光系統(tǒng) 013
1.3.8 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá) 013
1.3.9 制導(dǎo)激光雷達(dá) 014
1.4 激光雷達(dá)的主要技術(shù)與性能指標(biāo) 015
1.4.1 技術(shù)指標(biāo) 015
1.4.2 環(huán)境適應(yīng)性 015
1.4.3 安全等級(jí) 016
參考文獻(xiàn) 017
第2章 激光雷達(dá)距離方程 020
2.1 激光雷達(dá)距離方程的基本形式 021
2.2 激光雷達(dá)距離方程的幾種應(yīng)用形式 022
2.2.1 小目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)距離方程 022
2.2.2 擴(kuò)展目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)距離方程 022
2.2.3 線目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)距離方程 023
2.2.4 合作目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)距離方程 023
2.2.5 軟目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)距離方程 024
2.2.6 單光子探測(cè)激光雷達(dá)距離方程 025
2.2.7 連續(xù)波激光雷達(dá)距離方程 026
2.2.8 激光雷達(dá)信噪比方程 026
2.3 激光雷達(dá)距離方程的主要影響因素 027
2.3.1 激光光束特性 027
2.3.2 目標(biāo)特性 028
2.3.3 大氣衰減特性 035
2.3.4 檢測(cè)能力 037
參考文獻(xiàn) 041
第3章 激光雷達(dá)發(fā)射機(jī) 042
3.1 激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)的構(gòu)成與主要功能 043
3.2 激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)的工作原理 043
3.3 激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)的總體設(shè)計(jì) 045
3.3.1 光束特性參數(shù) 045
3.3.2 電光效率 049
3.3.3 環(huán)境適應(yīng)性 050
3.3.4 熱控方式 051
3.4 常用的激光雷達(dá)光源 054
3.4.1 半導(dǎo)體激光器 055
3.4.2 半導(dǎo)體泵浦固體激光器 057
3.4.3 光纖激光器 058
3.4.4 微片級(jí)激光雷達(dá)光源 062
3.5 激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)常用調(diào)制方法及原理 068
3.5.1 電光調(diào)制 069
3.5.2 聲光調(diào)制 072
3.5.3 磁光調(diào)制 074
3.5.4 直接調(diào)制 075
3.5.5 空間光調(diào)制器 076
3.6 激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)波形設(shè)計(jì) 076
3.6.1 振幅調(diào)制設(shè)計(jì) 077
3.6.2 頻率調(diào)制設(shè)計(jì) 077
3.6.3 相位調(diào)制設(shè)計(jì) 078
3.6.4 脈沖調(diào)制設(shè)計(jì) 079
參考文獻(xiàn) 081
第4章 激光雷達(dá)接收機(jī) 083
4.1 激光雷達(dá)接收機(jī)的構(gòu)成與主要功能 084
4.2 激光雷達(dá)接收機(jī)的體制分類 084
4.2.1 直接探測(cè)接收 084
4.2.2 相干探測(cè)接收 085
4.3 激光雷達(dá)接收機(jī)的工作原理 086
4.3.1 直接探測(cè)接收機(jī)的工作原理 086
4.3.2 相干探測(cè)接收機(jī)的工作原理 087
4.4 激光雷達(dá)接收機(jī)的總體設(shè)計(jì) 091
4.4.1 探測(cè)器特性參量 091
4.4.2 接收系統(tǒng)的特性參量 093
4.5 激光雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì) 096
4.5.1 直接探測(cè)接收的設(shè)計(jì) 096
4.5.2 相干探測(cè)接收的設(shè)計(jì) 101
參考文獻(xiàn) 106
第5章 激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng) 108
5.1 基本概念 109
5.1.1 F數(shù)或NA 109
5.1.2 視場(chǎng) 110
5.1.3 空間分辨率 110
5.1.4 像差評(píng)價(jià) 111
5.2 激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 111
5.3 激光雷達(dá)光學(xué)結(jié)構(gòu)的基本形式 112
5.3.1 準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng) 112
5.3.2 半導(dǎo)體激光整形發(fā)射系統(tǒng) 113
5.3.3 變波束發(fā)射光學(xué)系統(tǒng) 115
5.3.4 基于單點(diǎn)探測(cè)器的接收光學(xué)系統(tǒng) 117
5.3.5 基于陣列探測(cè)器的接收光學(xué)系統(tǒng) 117
5.3.6 基于四象限探測(cè)器的接收光學(xué)系統(tǒng) 117
5.3.7 相干光體制接收光學(xué)系統(tǒng) 118
5.4 激光雷達(dá)光束指向控制方式 118
5.4.1 振鏡掃描 119
5.4.2 快速反射鏡掃描 120
5.4.3 光楔掃描 121
5.4.4 MEMS掃描 122
5.4.5 轉(zhuǎn)鼓掃描 124
5.4.6 條紋管掃描 125
5.4.7 相控陣掃描 125
5.4.8 相控級(jí)聯(lián)掃描 127
5.4.9 典型掃描體制的比較 128
5.5 激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他內(nèi)容 129
5.5.1 背景光抑制 129
5.5.2 雜散光的抑制 131
5.5.3 光學(xué)增益改變方法 132
5.5.4 瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡 133
參考文獻(xiàn) 133
第6章 激光雷達(dá)信息處理機(jī) 135
6.1 激光雷達(dá)信息處理機(jī)的構(gòu)成與主要功能 136
6.2 激光雷達(dá)信息處理機(jī)的工作原理 137
6.2.1 測(cè)時(shí)原理 137
6.2.2 測(cè)頻原理 139
6.2.3 測(cè)角原理 140
6.2.4 成像原理 140
6.2.5 強(qiáng)度測(cè)量原理 142
6.3 激光雷達(dá)信息處理機(jī)的設(shè)計(jì) 143
6.3.1 總體設(shè)計(jì) 143
6.3.2 方案設(shè)計(jì) 144
6.4 激光雷達(dá)信息處理機(jī)的數(shù)據(jù)處理 147
6.4.1 距離信息處理 147
6.4.2 頻率信息處理 154
6.4.3 成像與顯示處理 158
6.4.4 強(qiáng)度信息處理 159
6.5 激光雷達(dá)點(diǎn)云處理 160
6.5.1 點(diǎn)云濾波 161
6.5.2 點(diǎn)云分割 162
6.5.3 目標(biāo)識(shí)別 163
參考文獻(xiàn) 164
第7章 交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá) 166
7.1 交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)概述 167
7.1.1 主要特點(diǎn) 167
7.1.2 主要應(yīng)用 168
7.1.3 主要功能 169
7.1.4 主要性能指標(biāo) 170
7.2 交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)的組成 170
7.2.1 合作目標(biāo) 171
7.2.2 激光雷達(dá)主機(jī) 171
7.2.3 系統(tǒng)軟件 176
7.3 交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)的工作原理 177
7.3.1 坐標(biāo)系定義 178
7.3.2 跟蹤測(cè)量原理 179
7.4 交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)的工作方式 181
7.4.1 捕獲 182
7.4.2 跟蹤 182
7.4.3 掃描成像 183
7.4.4 目標(biāo)切換與識(shí)別 183
7.5 交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 184
7.5.1 安全性 184
7.5.2 可靠性 185
7.5.3 測(cè)量體制 188
7.5.4 掃描方式 189
7.6 交會(huì)對(duì)接激光雷達(dá)系統(tǒng)的校準(zhǔn)與測(cè)試 191
7.6.1 角度與距離的校準(zhǔn) 192
7.6.2 角度與距離的測(cè)試 193
參考文獻(xiàn) 194
第8章 環(huán)境感知激光雷達(dá) 195
8.1 環(huán)境感知激光雷達(dá)的特點(diǎn) 196
8.1.1 感知對(duì)象 196
8.1.2 主要應(yīng)用 196
8.1.3 主要功能 197
8.1.4 主要性能指標(biāo) 198
8.2 環(huán)境感知激光雷達(dá)的組成 199
8.2.1 系統(tǒng)組成 199
8.2.2 激光發(fā)射系統(tǒng) 200
8.2.3 光學(xué)天線 200
8.2.4 多通道接收 201
8.2.5 數(shù)據(jù)采集與處理 201
8.2.6 圖像處理與顯示 201
8.3 環(huán)境感知激光雷達(dá)的工作方式 202
8.3.1 三維成像探測(cè) 202
8.3.2 環(huán)境信息生成 203
8.3.3 障礙物檢測(cè) 204
8.3.4 安全路徑規(guī)劃 205
8.4 環(huán)境感知激光雷達(dá)的設(shè)計(jì) 206
8.4.1 激光波段選擇 206
8.4.2 高密度成像設(shè)計(jì) 208
8.4.3 高速成像設(shè)計(jì) 209
8.4.4 抗干擾設(shè)計(jì) 211
8.5 環(huán)境感知激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理 212
8.5.1 感知范圍 212
8.5.2 標(biāo)定 214
8.5.3 多激光雷達(dá)數(shù)據(jù)融合 216
8.5.4 目標(biāo)識(shí)別 219
參考文獻(xiàn) 220
第9章 測(cè)繪激光雷達(dá) 222
9.1 測(cè)繪激光雷達(dá)的特點(diǎn) 223
9.1.1 主要特點(diǎn) 223
9.1.2 主要應(yīng)用 223
9.1.3 主要功能 224
9.1.4 主要性能 224
9.2 測(cè)繪激光雷達(dá)的組成 225
9.2.1 系統(tǒng)組成 225
9.2.2 三維激光掃描儀 226
9.2.3 GPS 227
9.2.4 GNSS 227
9.2.5 照相機(jī) 228
9.3 測(cè)繪激光雷達(dá)的工作原理 228
9.3.1 坐標(biāo)系定義 228
9.3.2 幾何模型 229
9.3.3 同步工作原理 229
9.4 測(cè)繪激光雷達(dá)的工作流程 231
9.4.1 測(cè)繪規(guī)劃 231
9.4.2 多器件標(biāo)定 231
9.4.3 系統(tǒng)標(biāo)校的原理 232
9.4.4 數(shù)據(jù)采集 232
9.4.5 數(shù)據(jù)處理 233
9.5 測(cè)繪激光雷達(dá)的設(shè)計(jì) 239
9.5.1 機(jī)載測(cè)繪激光雷達(dá)的設(shè)計(jì) 239
9.5.2 車(chē)載測(cè)繪激光雷達(dá)的設(shè)計(jì) 244
9.6 測(cè)繪激光雷達(dá)的評(píng)價(jià) 247
9.6.1 高程精度的評(píng)價(jià) 247
9.6.2 平面精度的評(píng)價(jià) 247
參考文獻(xiàn) 248
第10章 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá) 250
10.1 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的特點(diǎn) 251
10.1.1 主要特點(diǎn) 251
10.1.2 主要應(yīng)用 252
10.1.3 主要功能 254
10.1.4 主要性能指標(biāo) 255
10.2 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的組成 256
10.2.1 直接探測(cè)體制測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的組成 256
10.2.2 相干探測(cè)體制測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的組成 257
10.3 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的工作原理 259
10.3.1 直接探測(cè)體制測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的工作原理 259
10.3.2 相干探測(cè)體制測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的工作原理 263
10.4 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的工作方式 265
10.4.1 平面位置測(cè)量（PPI模式） 265
10.4.2 距離高度測(cè)量（RHI模式） 266
10.4.3 風(fēng)廓線測(cè)量 266
10.4.4 飛機(jī)下滑道測(cè)量 267
10.5 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì) 268
10.5.1 直接探測(cè)體制測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì) 268
10.5.2 相干探測(cè)體制測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的設(shè)計(jì) 272
參考文獻(xiàn) 284
第11章 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá) 285
11.1 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)裝備的功能要求 286
11.2 常規(guī)的化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)方法 286
11.3 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)的工作原理和系統(tǒng)組成 287
11.3.1 工作原理 288
11.3.2 系統(tǒng)組成 292
11.4 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)的主要分系統(tǒng) 294
11.4.1 激光器 294
11.4.2 光學(xué)系統(tǒng) 298
11.4.3 激光探測(cè)接收 301
11.4.4 數(shù)據(jù)處理與戰(zhàn)劑識(shí)別 304
11.5 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)的指標(biāo)體系和主要指標(biāo)論證 305
11.5.1 總體指標(biāo) 306
11.5.2 分系統(tǒng)指標(biāo) 306
11.5.3 主要參數(shù)選擇 308
11.5.4 主要指標(biāo)論證 313
11.6 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)的應(yīng)用系統(tǒng)研制 313
11.7 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測(cè)激光雷達(dá)的發(fā)展方向 316
參考文獻(xiàn) 317
第12章 激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì) 319
12.1 引言 320
1