第二章 激光雷达的基本技术
如前所述，激光雷达的种类繁多、结构各异，其整机形式及体积重量也很不相同。为说明这一特点，图2.1~2.4给出了几种典型的激光雷达外观图。其中，图2.1~2.2为两种大型的激光雷达。而图2.3~2.4则为两种小型激光雷达。尽管如此，对所有的激光雷达而言，有一点是共同的，它们都是
图2.1 NASA 平流层气溶胶Lidar 照片
图2.2 欧共体
ALOMAR Lidar
图
2.3 IAP RMR 激光雷达
图2.4 便携式激光雷达
由发射、接收和信号处理三个主要部分组成。并且再分下去，这三部分又都由激光器、发射光学、接收光学、窄带滤光、通道分光、光电探测器和信号处理电路（通常包括微型计算机）等几个部件组成。此外，在由部件组成激光雷达时，都会涉及发射光束和接收视场的匹配，联调或同步扫描等技术问题。也就是说，在不同的激光雷达中都需要采用一些共同的部件或整机技术。因此，本书在讲述各种具体类型激光雷达之前，先对这些共同的激光雷达部件技术作简要的介绍。
2.1 发射系统技术
2.1.1 发射激光器
激光器用来产生发射激光束，故常称用于激光雷达的激光器为发射激光器。发射激光器是激光雷达中最为重要的技术部件，它的质量往往在很大程度上决定了激光器的探测性能。对用于激光雷达的激光器，通常有如下要求：
1．有较大的输出功率，且大多数都需要工作于脉冲方式，因此相应的要求是脉冲能量大、脉冲重复频率高。
2．激光的光束质量好，特别是要求光束的发散度要小、指向性要好。
3．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或要求其可以调谐。
4．通常还要求激光器体积、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。
能基本上满足上述要求的激光器有很多种，范围涵盖了以固体、气体、液体和半导体为工作物质的各种激光器。但是，真正经常用于激光雷达的激光器实际上有少量几种，现分别简介如下：1．Nd:YAG激光器
Nd:YAG激光器是一种典型的固体工作物质的激光器。由于它多方面的优良性能，在激光雷达中获得最为广泛的应用。
Nd:YAG激光器的原理结构示于图2.5。它主要由激光工作物质Nd:YAG棒，由M1和M2两块腔镜组成的激光谐振腔和闪光灯及其电源三个主要部分组成。至于图中的Q开关，它是为了形成窄脉冲输出激光用的，从原理上讲，并不属于Nd:YAG激光器的工作物质、谐振腔和激励源三个必要部分。
图2.5 Nd:YAG激光器
Nd:YAG 棒是在钇铝石榴石(YAG)中掺入激光物质（Nd 3+,钕离子）
，在闪光灯发光的激励下，可造成棒中Nd 3+离子的L 1和L 2能级间的粒子数反转（如图2.6所示），在光学谐振腔的作用下，形成粒子反转能级间的受激发射，从腔镜之一（M 2）输出激光能量，其波长为1.06μm ，处于近红外波段。
由于Nd 3+离子的四能级激光产生机制，使其粒子数反转的效率高、激光阈值低，因此Nd:YAG 激光器可工作于连续波状态，也可工作于脉冲状态，激光雷
达多使用后者。对于脉冲工作的Nd:YAG 激光器，其激励闪光灯也需工作在脉冲状态。由于闪光灯激励光脉冲的宽度较宽，使相应的光脉冲的宽度也较宽（微秒以上），称之为长脉冲激光。这种长脉冲激光不符合激光雷达高峰值输出功率和高空间分辨率的要求，因此需要采用图2.5中的Q 开关来压窄其脉冲宽度。
Q 开关技术又称为调Q 技术，是产生纳秒（ns ）级窄脉冲激光常用的技术（另一种常用于产生ps 级窄激光脉冲的技术是锁模技术）。如图2.7所示，Q 开关由一块光电晶体和偏振片组成。其工作原理如下：平时，Q 开关处于对激光不透明的状态，在激光腔中形成一个大的损耗，相当于开关关闭，激光腔的Q 值很低，激
光振荡不能形成；当闪光灯脉冲将Nd:YAG 中的Nd3+离子激发到处于最佳粒子数反转状态时，突然将Q 开关打开，使其损耗变低，激光腔的Q 值突然增高，从而形成一个极窄的激光脉冲输出。Q 开关对激光腔Q 值的调节通常利用晶体的电光特性来实现。通过在电光晶体上突然改变外加电压的方法，可使Q 开关从最大损耗状态变为最小损耗状态。显然，在Q 开关上外加电压改变的时间，必须与脉冲闪光灯的泵浦时间必须严
格协调，才能获得最佳
L 2L 3
L 4
L 1图2.6 Nd:YAG 四能级系统
图2.7 Q 开关原理
Nd:YAG 图2.8 聚光腔结构图
的窄脉冲产生效率。
Nd:YAG激光器在结构上的一个特点是除上述的激光谐振腔外还采用一个聚光腔。激光谐振腔的作用是使处于粒子数反转状态的Nd:YAG棒受激发射产生激光，而聚光腔的作用则是最大限度地将闪光灯发出的光会聚到Nd:YAG棒上，以提高产生粒子数反转的效率。聚光腔的结构示于图2.8。其腔体通常为一个椭圆柱面，闪光灯和Nd:YAG棒分别处在椭圆柱的两条焦轴上，而腔体内表面则为高漫反射涂层。由于闪光灯的泵光能量通常很高，由此产生的热量必须由聚光腔内水冷系统带走。对于大功率Nd:YAG激光器而言，水冷系统工作状态不仅关系到激光系统的安全运行，对激光器输出光束质量也会有很大的影响。
如前所述，Nd:YAG激光器输出的激光波长为1.064μm的近红外激光，通常称其为基波光。由于脉冲Nd:YAG激光器的峰值功率很高，光束质量很好，容易通过非线性倍频、合频等过程高效率地实现频率变换。获得多种频率的方法如图2.9所示。Nd:YAG激光器激光雷达中，常用的激光波长为532nm，1.064μm基波和355nm三次谐波也有一定的应用，266nm的四次谐波则用得较少。
图2.9 获得多种频率的方法
由于可以采用振荡加放大的组合技术，所以Nd:YAG激光器的功率范围相差很大，但对闪光灯泵浦的Nd:YAG激光器而言，其脉冲重复频率并不高，通常为10～50Hz 范围内。图2.10和表2.1给出了几种不同类型的Nd:YAG激光器的外形和主要技术指标。这些激光器在各种激光雷达中都被广泛应用。
2． 二极管泵浦Nd:YAG 激光器（DLPL）
这是一种用半导体激光二极管代替原来闪光灯作为泵浦源的Nd:YAG
激光器。由于该激光器的工作物质
Continuum 激光器Powerlite 系列
Continuum 激光器Inlite 系列
Continuum 激光器Minilite 系列
Continuum 激光器Surelite 系列
图2.10 不同类型的Nd:YAG 激光器的外形
Nd:YAG 激光工作物质的吸收光谱特性
精选闪光灯测得的发光光谱
泵浦激光二级管的发射光谱 图2.11 Nd:YAG 相关光谱特性
表2.1 几种不同类型的Nd:YAG 激光器的主要技术指标
为固体，又用半导体固体光源代替了原来的闪光灯气体光源，故也称之为全固态激光器。通过这种泵浦光源的替换，使Nd:YAG 激光器的许多性能都得到了很大的改善。成为一种很有发展前景的激光器，在激光雷达的应用中也获得了越来越广泛的应用。
Nd:YAG 激光工作物质的吸收光谱特性如图2.11所示，在它的若干个吸收峰中有0.75，0.81，0.9μm 等五个主要的吸收区，其中0.75和0.81μm 的两个吸收区最为重要。当用普通闪光灯（常用脉冲氙灯）对其进行泵浦时，在精选闪光灯参数的情况下所测得的发光光谱如图2.11所示。可见，即使是在这种有利的情况下，闪光灯光谱中只有一部分能量可用于泵浦Nd:YAG，其泵浦效率很低；而当用激光二级管泵浦时，其波长在0.81μm 附近的单峰发射光谱几乎可以全部与Nd:YAG 的0.81μm 吸收光谱重合，使泵浦效率大大提高。
利用激光二极管泵浦Nd:YAG 可有多种方式，其中主要有端泵和侧泵两种。对于小功率激光器，多采用如图2.12a 所示的端泵方式。端泵方式通常
采用单个泵浦激光二极管（单管功率可达数瓦），其输出光经透镜聚焦后从Nd:YAG 的端面输入进行泵浦。在此方式中，后反射镜M 2必须对泵光波长（0.81μm ）全透射，而对激光波长 1.064μm 全反射，而出射镜M 1对1.064μm 部分透射、部分反射。
对较大功率激光器，则需采用如图2.12b 所示的侧泵方式。这时，泵浦
二极管由多管排成的阵列形成（阵列功率可达数百瓦），从Nd:YAG 的侧面对其进行泵浦。有时，在泵光的对侧还安装反光镜，以最大效率利用泵光能量。在侧泵方式中，M 1M 2组成的激光腔如平常一样，其一对1.064μm 激光全反射，另一对1.064μm 部分反射以输出激光。
激光二极管阵列 反光镜
a) 端面泵浦配置
b) 侧面泵浦配置
图2.12 激光二极管泵浦的多种配置
由于激光二极管作为光源其电光转换效率可高达50％，比闪光灯高很多，再加上如上所述二极管泵浦Nd:YAG 的效率又要比用闪光灯高很多，从而使二极管泵浦Nd:YAG 激光器的总效率可高达10～30％，比闪光灯泵浦Nd:YAG 的1～3％的总效率提高了近10倍。同时，由于效率的提高，使大功率激光器的热耗问题得以解决，从而在降低功耗的同时，还有效地大大提高了激光器的光束质量。此外，由于固体二级管的采用，使激光器的结构简化、体积减小、可靠性提高、工作寿命加长。
以脉冲工作方式为例，最好的脉冲闪光灯寿命约107次，而激光二极管则可达109次，提高约100倍，可见其在实用中的优势。
和闪光灯泵浦Nd:YAG 激光类似，二极管泵浦Nd:YAG
激光器可做成连续波工作方式，也可加
(a)
(b)
图2.13 二极管泵浦脉冲激光器的外形照片
表2.2 二极管泵浦脉冲激光器的主要技术指标
上Q开关技术做成脉冲工作方式。图2.13和表2.2分别给出两种二极管泵浦脉冲激光器的外形照片和其主要技术指标。其中图2.13a所示为功率较大的一种，其527nm绿光的脉冲能量在1KHz重复率下可达30mJ，平均功率约40W。而图2.13b所示则为平均功率的0.2W的小功率型，其532nm绿光的脉冲能量在10KHz重复率下可达20μJ。在适当降低脉冲能量时，其重复频率可达50KHz。
上述低能量、高重复频率的二极管泵浦Nd:YAG激光器已被一种商品化的米散射激光雷达（微脉冲激光雷达，Micro Pulse Lidar）采用，这种激光雷达的脉冲能量μJ级，经适当扩束可达到非常希望的人眼安全的标准，而由于其重复频率高，相应的平均功率也不致太低，从而使该米散射激光雷达还有较强的探测能力。
3. CO2激光器
CO2激光器是一种典型的气体激光器，其工作物质为气态的CO2分子。由于其激发效率高，工作物质体积大，可做成大功率的形式（单台连续波功率可超过万瓦），因此在激光加工领域获得了广泛的应用。另一方面，由于其输出波长在9～11μm的中红外，有较好的大气传输特性和具有人眼安全的特点，而且其输出波长还可以在上述范围内进行选支调节，因此CO2激光器在激光雷达中的应用也很广泛。可以说，它仅次于Nd:YAG激光器，是激光雷达中第二种应用最多的激光器。
CO2激光器的简单工作原理可用图2.14来说明。
工作气体CO2被密封在一个常称之为激光管的三层
结构玻璃管状容器中。其最内层为毛细管，是产生激
光的通道，包围毛细管的是冷却水套，用以冷却毛细
管。再外面是贮气套用以贮存较多的工作气体，贮气
套经由回气管与毛细管通道相通。组成激光谐振腔的
图2.14 CO2激光器的简单工作原理
是M1M2镜，就直接封装在此玻璃管上（称为外腔结
构）。与通常的激光谐振腔一样，M1为全反镜，M2
为部分反射镜，从M2输出激光。不过由于CO2激光
器输出波长为中红外，故M2镜必须由能透过中红外
的NaCl、Ge、Si等材料做成。
和前述Nd:YAG激光器采用的光激励方式不同，CO2激光器通常采用电激励方式，即直接放电的方式产生工作物质CO2的粒子数反转。放电通过在激光管的两电极上加直流或射频电压产生。放电产生后，在激光管内形成等离子体，等离子体中的电子、离子、分子碰撞和其它各种复杂的微观粒子相互作用过程可有效地把CO2分子从其基态的低振动能级E0激发到高振动能级E U（见图2.15），而处于E U能级的CO2分子又能很快地驰骋发光到能量较低的激光上能级E2。由于E2能级寿命较长，故很容易在其上积累比激光下能级E1上更多的CO2分子，形成粒子数反转。这样，通过激光谐振腔激发E2到E1能级间的受激跃迁，就可输出CO2分子的激光辐射。通过加入He等混合气体，能使CO2分子更快地从E1能级跃迁到基态能级E0，有利于CO2分子的再次受激。
从图2.15可见，和Nd:YAG 激光器类似，CO 2
激光器也源于四能级系统，因此CO 2激光器的效率也很高，可工作于连续波方式，也可工作于脉冲方式。但和Nd:YAG 激光器仅输出1.064μm 近红外一种波长不同，CO 2激光器在9～11μm 的中红外区间可有数十个不同的输出波长。首先，由于其激光下能级E 1实际上包含有两个不同的振动能级E’1和E”1，从上能级到它们的跃迁波长分别为约9.6μm 和10.6μm 。此外，E’1、E”1 和E 2都包含有各自许
多的转动能级，所以围绕此两个波长有各分出许多波长。需要指出，尽管CO 2激光器可以在9～11μm 的范围内输出多种波长，但在两种最靠近的波长之间都存在有大于激光谱线宽度的波长间隔，即对CO 2激光器的波长并不能进行连续调节，而只能进行跳变式的调节，也称为选支。关于CO 2激光器的技术，将在稍后涉及。
E E 2
E 1 E 0图2.15 CO 2激光器的四能级系统
CO 2激光器有许多种类型。图2.14所示为轴向放电封离型，这种类型的CO 2激光器多工作于连续波方式，光束质量很好，但其输出功率一般较小。即使做成米级长度，输出功率也不过百瓦量级。但其结构紧凑、光束性能好。图2.16即为一种这类可用于激光雷达的CO 2激光器的外形，可单线工作于10.59μm ，输出功率可达100W ；也可选支工作，输出功率50～80W 。另有一种轴向放电流动型的CO 2激光器，功率可做到千瓦级，在工业加工中有广泛应用。
图2.16 一种可用于激光雷达的轴向放电封离型CO 2激光器
最适合于激光雷达应用的是脉冲CO 2激光器，
特别是一种称为TEA 的高气压横向放电的脉冲CO 2激光器。TEA CO 2激光器的结构原理示于图2.17。图中位于密封箱内的D 1和D 2为两个表面形状特殊设计的放电电极，加电后，放电方向与激光方向垂直，故称为横向放电方式。横向放电方式可以允许在很高的混合工作气体压力下工作（通常为
1～2个大气压），使输出功率（或脉冲能量）得以大大提高。激光谐振腔由光栅G 和输出镜M 组成，转动光栅可以方便地选择激光振荡的波长，此技术称为光栅选支。当然，如果将光栅换成全反镜，则此CO 2激光器只能工作在激光增益最高的跃迁波长上，通常是10.59μm 。
图2.17 TEA CO 2激光器的结构原理
图2.18 一种可用于激光雷达的CO2激光器及其电源的外形
图2.18所示即为一种TEA CO2激光器的
s
高，
述图
3．
０
）E
图2.20 染料溶液的能级
驰骋到最低振动态V”I ，从而很容易在V”I 和基态各振动能级V’0间形成粒子数反转。由此可见，染料激光器也属于激光效率很高的四能级系统。由于染料分子和溶液的相互作用，使基态E 0和激发态E 1的各能量级相互重叠，进而使其吸收谱和荧光谱都变为连续谱。常用染料的吸收谱和荧光谱示于图2.21。正是这种染料溶液荧光谱的连续化，才使染料激光器具有了波长连续调节的能力。
染料激光器可以做成连续波或脉冲形式，两者在泵浦光源和激光腔结构上有所不同。图2.22所示为一种脉冲染料激光器的原理结构。产生激光的染料溶液装在染料池中，池中的染料溶液由循环器驱动产生循环，并在循环器中将变热的染料冷却后送入池中。激光腔则由光栅，扩束镜和输出镜组成，扩束的目的是为了将光栅全部照亮，以增大光栅衍射的波长分辨能力。染料激光器通常用Nd:YAG 的二次谐波光泵浦(此图中用闪光灯泵浦)，泵浦光经0
1.00.80.60.40.2
图2.21 常用染料的吸收谱和荧光谱
泵浦镜后再经柱面透镜会聚到染料池中，采用柱面透镜聚焦的目的是要把原泵浦光聚焦称沿激光轴的一条聚焦线而不是一个焦点。由泵光将染料分子激发，染料分子发出的荧光激光谐振腔共振形成激光。如果激光腔中没有光栅，染料激光将是宽带的，由于光栅的衍射作用，使激光腔具有了波长选择性，因此转动光栅就可以调节输出激光波长，实现波长连续可调。虽然对某种特定染料而言，其荧光谱的宽度有限，限制了该种染料的波长调节
范围。但有机染料有许多种类，其荧光谱范围也各不相同。一些常用激光染料的波长调节范围示于图2.23中。可见，通过不同种类染料和不同泵浦波长（532nm 或355nm ）的联合使用，可以使染料激光器的波长连续调谐覆盖范围从可见到近红外的很宽的光谱范围。如果再加上采用倍频等非线性波长变换技术，其调谐范围还可以推进到紫外光谱段。可见，染料激光器是一种波长调谐范围宽的可调波长激光器。
图2.22脉冲染料激光器的原理结构
图2.23 一些常用激光染料的波长调节范围
对激光雷达应用而言，除了要求可调谐波长激光器有较宽的连续调节范围外，还要求它有较大的发射功率或脉冲能量。这时，就需要在图2.22所示的脉冲染料激光器后面再加上一级或多级脉冲放大，形成“振荡－放大”级联的形式。一种能用于激光雷达的脉冲染料激光器的原理：它由振荡、预放和末放共三级组成。在Nd:YAG激光器二次或三次谐波的泵浦下，通过使用各种不同染料，其输出波长可以从近紫外到近红外连续可调。输出脉冲能量在大约10~50mJ范围（视所用染料而定），脉冲宽度和重复频率与泵浦光相同，激光发射可小于1mrad，很适合激光雷达使用。
某些激光雷达应用还要求脉冲染料激光器具有尽可能窄的输出线宽。染料激光器的输出线宽由振荡级中激光谐振腔的选频（色散）特性确定。对于多数由衍射光栅构成的激光谐振腔，光栅刻度越密、光栅越长（即所使用的光栅刻线条数越多），其选频特性越好。由于光栅刻线密度提高是有限的，采用长光栅就要求在激光腔中有很高的扩束比，以保证长光栅均被照亮。通常采用由3～4块棱镜组成的复合扩束系统，可使光栅长度提高到50mm以上，由此导致的激光线宽约为10GHz。进一步压缩线宽可在激光腔内加入一块实心标准具，配以角度调节，可将脉冲激光器的线宽压缩到3GHz 以下（即优于0.1cm-1），能满足大部分窄线宽使用的要求。
（2） 钛宝石激光器
上述染料脉冲激光器虽具有较宽的波长调节范围，但作为一种液体激光器，其结构复杂，可靠性也不太高，对其在激光雷达中的应用造成一些限制。
钛宝石晶体是一种新型的具有波长连续调节能力的激光物质，它是在蓝宝石（Al2O3）中掺入少量正价钛离子（Ti3+）做成，记为：Ti:Al2O3。由于Ti3+离子与其载体中晶格离子的各种强烈相互作用，使其跃迁能级也发生了类似于上述染料溶液的能级增宽现象，导致Ti3+离子吸收光谱和荧光光谱均变成连续谱。在其吸收谱在可见波段，且在490nm和560nm附近各有一吸收峰，而荧光谱则连续覆盖650～1100nm谱段，为产生近红外波段的连续调节激光提供了很好的条件。
钛宝石激光器激光工作物质为一小块钛宝石晶体，通常用二倍频Nd:YAG激光器的532nm绿光进行轴向泵浦。激光谐振腔由反射镜M1、M2和色散棱镜P组成，其中M2需要对泵光全透而对激
光全反射，M1作为激光输出镜则只需对激光部分反射，而棱镜P 的作用是调节所产生激光的波长。
钛宝石激光器的波长通常可在700～1000nm 之间连续调节，其输出激光特性与泵浦激光密切相关。在脉冲Nd:YAG 激光器的泵浦下，一般可获得近百mJ 量级的ns 级波长可调谐的脉冲激光输出。由于这是一种固体的可调激光器，具有结构简单、体积小、可靠性高等优点，是一种很具发展潜力的可调激光器。
钛宝石激光器的另一特点是：通过采用锁模技术，可获得脉宽极窄的飞秒（10
－15
s ）激光输出。
这种激光在后面将要提到的飞秒白光激光雷达中，以及在其它许多超快、超强激光与物质相互作用研究中都有重要的应用。
（3） 参量振荡激光器 简称OPO ，是指通过参量振荡过程获得波长可调激光输出的一种激光器系统。从本质上讲参量振荡器不是激光器，而是一种非线性激光波长转换器，就像常见的非线性激光倍频、和频和差频过程一样。所不同的是，参量振荡器将固定波长的激光变成可调波长的激光。
参量振荡器的工作原理可用图 2.24来说明。非线性光学晶体C 被放置在由
M1和M2组成的谐振腔中，由频率为ωp 的激励激光器（如：Nd:YAG ）对其进行泵浦。在满足非线性晶体中相位匹配的条件下，泵浦光可对频率为ωS 的信号光和频率为ωI 的闲置光产生放大，且三者之间满足如下关系：
I S P ωωω+=
（式2
－1）
这就是非线性光学晶体中的参量过程。可以将参量过程理解为一个输入的泵浦光子被分为两个光子，但这种分割必须满足能量守恒（频率匹配）和动量守恒（相位匹配）条件。
当激光谐振腔对ωS 或ωI 谐振时，就可获得相应的信号光或闲置光输出。当旋转非线性晶体的角度或改变其温度时，产生参量过程的相位匹配条件被改变，导致信号光频率和闲置光频率同时相
图2.24 参量振荡器的工作原理
355400
710 2000
1.00.80.60.40.2
波长（nm ）
归一化强度
图2.24 参量振荡器的信号光和闲置光的调节原理
反地改变（但I S P ωωω+=不变）。这样就可以获得波长连续调节的ωS 或ωI 激光输出。
常用于参量振荡器的晶体为LiNO 3、BBO 等，对于脉冲工作方式，常用Nd:YAG 激光器进行泵浦。图2.24所示为参量振荡器的信号光和闲置光的调节原理。该参量振荡器用Nd:YAG 三次谐波作泵浦源（即λP ＝355nm），采用的非线性晶体材料为BBO 。可见，该参量振荡器的输出波长覆盖了从可见到红外很宽的范围。
2.1.2
光束准直器
激光雷达的一个显著特点是其发射光束具有很强的方向性，即它的发射光束准直度非常好。虽然大多数激光器本身就具有很好的光束准直性能，但对有些要求较高的激光雷达而言，直接从激光器发射的光束准直性能尚不能满足其应用要求。这时，就需要采用光束准直器来进一步提高发射激光束的准直特性。
常用的激光器光束准直器是倒置的望远镜，主要有两种形式，分别由图2.25a 和2.25b 所示。发散角为θ1、光斑直径为D 1的激光束从望远镜目镜端入射，当它从望远镜物镜端出射时，其发散角变为θ2、光斑直径变为D 2，则准直比为：
1
2
1221F F D D K ===
θθ （式2－2）
式中，F 1和F 2分别为目镜和物镜的焦距。可见，激光束的准直和扩束是同时实现的，即准直后的光斑半径必然会扩大相同的倍数。同时，从式2－2可以看出，需采用尽量大的物镜目镜焦距比。
优点是：可使激光雷达工作于小的接收视场以降低背景光影响，提高系统信噪比（S/N ）；对于探测地面或空中小目标的激光雷达，将有利于集中发射能量，提高探测能力；对于扫描成像激光雷达，则有利于提高成像的分辨能力。
（a ）
图2.25 常用的两种形式激光器光束准直器
（b ）
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和发展现状，以及应用现状和发展前景。 引言 激光雷达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、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪和识别。 激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形和数据处理方式，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和成像激光雷达等：根据安装平台划分，可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达和航天激光雷达；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，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和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和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，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，声光晶体必须采用冷却处理，实际工程应用中将增加设备量。 二元光学是光学技术中的一个新兴的重要分支，它是建立在衍射理论、计算机辅助设计和细微加工技术基础上的光学领域的前沿学科之一。利用二元光学可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。一般这种扫描器由一对间距只有几微米的微透镜阵列组成，一组为正透镜，另一组为负透镜，准直光经过正透镜后开始聚焦，然后通过负透镜后变为准直光。当正负透镜阵列横向相对运动时，准直光方向就会发生偏转。这种透镜阵列只需要很小的相对移动输出光束就会产生很大的偏转，透镜阵列越小，达到相同的偏转所需的相对移动就越小。因此，这种扫描器的扫
激光雷达的发展历程及车用激光雷达的产业格局和发展趋势
目录索引 研究逻辑 (4) 激光雷达：高精度的传感器，与ADAS及无人驾驶形成良好搭配 (5) 激光雷达的原理与结构：基于TOF飞行时间的高精度测量 (5) 激光雷达的发展历程：从机械走向固态，从单线束走向多线束 (6) 激光雷达与ADAS及无人驾驶形成良好搭配 (7) 车用激光雷达的产业格局和发展趋势 (8) 国外企业破风而行，不断寻求技术突破 (8) 国内企业加速追赶，目标产品逐步成型 (12) 低成本化时代来临，路径选择求同存异 (14) 投资建议 (15) 风险提示 (15)
图表索引 图1：激光雷达工作原理图 (5) 图2：激光雷达系统结构图 (5) 图3：机械激光雷达 (6) 图4：固态激光雷达 (6) 图5：单线激光雷达与多线激光雷达对比 (7) 图6：2.5D激光雷达 (7) 图7：3D激光雷达 (7) 图8：主要类型的ADAS传感器 (7) 图9：不同类型的ADAS传感器性能对比 (8) 图10：Velodyne激光雷达产品及主要参数 (9) 图11：HDL-64E正面构造 (9) 图12：HDL-64E背面构造 (9) 图13：Ultra Puck产品计划 (10) 图14：Ultra Puck内部结构 (10) 图15：Quanergy公司的The Mark VIII激光雷达 (10) 图16：The Mark VIII激光雷达的主要参数 (10) 图17：Quanergy公司的S3固态激光雷达 (11) 图18：S3固态激光雷达主要参数 (11) 图19：IBEO车用激光雷达产品 (11) 图20：LUX-4L激光路径 (11) 图21：LUX-8L激光路径 (11) 图22：镭神智能激光雷达产品 (12) 图23：思岚科技激光雷达产品 (13) 图24：华达科捷3D激光雷达 (13) 图25：激光雷达低成本化的主要路径 (14)
论雷达技术的发展与应用及 未来展望 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
论雷达技术的发展与应用及未来展望 摘要:雷达是用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置的装置。雷达的发展与使用过程，正是电子技术在军事中应用的缩影，而雷达的未来，更与电子技术息息相关。本文介绍了雷达的发展与应用的历史，重点介绍了相控阵雷达与激光孔径雷达两类雷达的原理与特点，并指出雷达的弱点及未来发展方向关键词：雷达；发展；实战应用；种类；弱点；未来
雷达主要用于对远距离物体的方位、距离、高度做精确检测，可以说是现代军事电子技术的代表。随着不断的发展，雷达在战区的警戒、各种新式武器威力的发挥、协同作战的指挥中的地位愈发重要。 1雷达的发展与应用 雷达的基本工作原理是靠发射探测脉冲和接受被照射目标的回波发现目标。百年的时间里，随着新技术的发展和应用，雷达也在不断发展。 1.1雷达的发展史 下面是雷达出现前夜相关理论的一系列突破： 1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。 1864年马克斯威尔（James Clerk Maxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。 1886年赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验。 1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。 1897年汤普森（JJ Thompson）展开对真空管内阴极射线的研究。 这些与电磁波相关的科技是雷达的最基本理论。1904年克里斯蒂安?豪斯梅耶（Christian Hulsmeyer）宣称他的“电动镜”可以传输音频，并能够接受到运动物体的回应。可以说，就是这位德国人奠定了这项技术。然而，在一战期间，德国军官们所注意的是无线电通讯。 接下来雷达的出现就显得顺理成章了。1933年，鲁道夫?昆德（Rudolf Kunhold）提出毫米波长可能可以探测出水面船只及飞船的位置。两年后，威廉?龙格（Wilhelm Runge）已经能够根据飞机自身所发出的信号计算出50公里以外的飞机位置所在，即使是在夜晚或者有雾的时候。 第二次世界大战中的不列颠战役成为雷达正式登场的舞台。法国的迅速陷落，使希特勒有理由相信只需通过空袭便能征服英国。在这一大规模的空战中，纳粹德国空军拥有的飞机数量远远超过了英国皇家空军——2670架对1475架。而英国在雷达方面有优势。1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。1938年，为保卫英格兰，用七部雷达组成"Chain Home"雷达网，雷达频率30兆赫。雷达网使德国轰炸机还没到达英吉利海峡即被发现，英国也因此取得了英伦空战的胜利。这场胜利也是第二次世界大战中较大的转折点之一。 之后四十年人们更加意识到雷达的重要作用，雷达也因此得到了不断发展，也分出了不同种类。本节余下部分将有选择地概括各个年代的重大进展。 1.1.1四十年代 四十年代初期(在二次大战期间)，由于英国发明了谐振腔式磁控管，从而在先驱的VHF雷达发展的同时，产生了微波雷达发展的可能性。它开拓了发展L波段(23q厘米波长)和S波段(10厘米波长)大型地面对空搜索雷达和X波段(3厘米波长)小型机载雷达的美好前景。1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。两年后美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，预警雷达。时至今日，雷达已成为各式飞机不可缺少的组成部分，是实施精确打击和自身防护的必要手段。 1.1.2五十年代
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。
现代雷达信号处理技术及发展趋势 摘要：自二战以来，雷达就广泛应用于地对空、空中搜索、空中拦截、敌我识别等领域，后又发展了脉冲多普勒信号处理、结合计算机的自动火控系统、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。随着科技的不断进步，雷达技术也在不断发展，现代雷达已经具备了多种功能，如反隐身、反干扰、反辐射、反低空突防等能力，尤其是在复杂的工作环境中提取目标信息的能力不断得到加强。例如，利用雷达系统中的信号处理技术对接收数据进行处理不仅可以实现高精度的目标定位与跟踪, 还能够在目标识别和目标成像、电子对抗、制导等功能方面进行拓展, 实现综合业务的一体化。 一、雷达的起源及应用 雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达最为一种重要的电磁传感器，在国防和国民经济中应用广泛，最大特点是全天时、全天候工作。雷达由天线、发射机、接收机、信号处理机、终端显示等部分组成。 雷达的出现，是由于二战期间当时英国和德国交战时，英国急需一种能探测空中金属物体的雷达（技术）能在反空袭战中帮助搜寻德国飞机。二战期间，雷达就已经出现了地对空、空对地（搜索）轰炸、空对空（截击）火控、敌我识别功能的雷达技术。二战以后，雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成孔径和脉冲压缩的高分辨率、结合敌我识别的组合系统、结合计算机的自动火控系统、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。后来随着微电子等各个领域科学进步，雷达技术的不断发展，其内涵和研究内容都在不断地拓展。雷达的探测手段已经由从前的只有雷达一种探测器发展到了红外光、紫外光、激光以及其他光学探测手段融合协作。
利用电磁波探测目标的电子设备。它发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至雷达的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达是英文RADAR(Radio Detection And Ranging)的译音，意为“无线电检测和测距”。雷达的优点是白天黑夜均能检测到远距离的较小目标，不为雾、云和雨所阻挡。雷达是现代战争必不可少的电子装备。它不仅应用于军事，而且也应用于国民经济（如交通运输、气象预报和资源探测等）和科学研究（如航天、大气物理、电离层结构和天体研究等）以及其他一些领域。 发展简史雷达的基本概念形成于20世纪初。但是直到第二次世界大战前后，雷达才得到迅速发展。早在20世纪初，欧洲和美国的一些科学家已知道电磁波被物体反射的现象。1922年，意大利G.马可尼发表了无线电波可能检测物体的论文。美国海军实验室发现用双基地连续波雷达能发觉在其间通过的船只。1925年，美国开始研制能测距的脉冲调制雷达，并首先用它来测量电离层的高度。30年代初，欧美一些国家开始研制探测飞机的脉冲调制雷达。1936年，美国研制出作用距离达40公里、分辨力为457米的探测飞机的脉冲雷达。1938年,英国已在邻近法国的本土海岸线上布设了一条观测敌方飞机的早期报警雷达链。 第二次世界大战期间，由于作战需要，雷达技术发展极为迅速。就使用的频段而言，战前的器件和技术只能达到几十兆赫。大战初期，德国首先研制成大功率三、四极电子管,把频率提高到500兆赫以上。这不仅提高了雷达搜索和引导飞机的精度，而且也提高了高射炮控制雷达的性能，使高炮有更高的命中率。1939年，英国发明工作在3000兆赫的功率磁控管，地面和飞机上装备了采用这种磁控管的微波雷达,使盟军在空中作战和空-海作战方面获得优势。大战后期，美国进一步把磁控管的频率提高到10吉赫，实现了机载雷达小型化并提高了测量精度。在高炮火控方面，美国研制的精密自动跟踪雷达SCR-584,使高炮命中率从战争初期的数千发炮弹击落一架飞机，提高到数十发击中一架飞机。
第二章 激光雷达的基本技术 如前所述，激光雷达的种类繁多、结构各异，其整机形式及体积重量也很不相同。为说明这一特点，图2.1~2.4给出了几种典型的激光雷达外观图。其中，图2.1~2.2为两种大型的激光雷达。而图2.3~2.4则为两种小型激光雷达。尽管如此，对所有的激光雷达而言，有一点是共同的，它们都是 图2.1 NASA 平流层气溶胶Lidar 照片 图2.2 欧共体 ALOMAR Lidar 图 2.3 IAP RMR 激光雷达 图2.4 便携式激光雷达
由发射、接收和信号处理三个主要部分组成。并且再分下去，这三部分又都由激光器、发射光学、接收光学、窄带滤光、通道分光、光电探测器和信号处理电路（通常包括微型计算机）等几个部件组成。此外，在由部件组成激光雷达时，都会涉及发射光束和接收视场的匹配，联调或同步扫描等技术问题。也就是说，在不同的激光雷达中都需要采用一些共同的部件或整机技术。因此，本书在讲述各种具体类型激光雷达之前，先对这些共同的激光雷达部件技术作简要的介绍。 2.1 发射系统技术 2.1.1 发射激光器 激光器用来产生发射激光束，故常称用于激光雷达的激光器为发射激光器。发射激光器是激光雷达中最为重要的技术部件，它的质量往往在很大程度上决定了激光器的探测性能。对用于激光雷达的激光器，通常有如下要求： 1．有较大的输出功率，且大多数都需要工作于脉冲方式，因此相应的要求是脉冲能量大、脉冲重复频率高。 2．激光的光束质量好，特别是要求光束的发散度要小、指向性要好。 3．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或要求其可以调谐。 4．通常还要求激光器体积、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。 能基本上满足上述要求的激光器有很多种，范围涵盖了以固体、气体、液体和半导体为工作物质的各种激光器。但是，真正经常用于激光雷达的激光器实际上有少量几种，现分别简介如下：1．Nd:YAG激光器 Nd:YAG激光器是一种典型的固体工作物质的激光器。由于它多方面的优良性能，在激光雷达中获得最为广泛的应用。 Nd:YAG激光器的原理结构示于图2.5。它主要由激光工作物质Nd:YAG棒，由M1和M2两块腔镜组成的激光谐振腔和闪光灯及其电源三个主要部分组成。至于图中的Q开关，它是为了形成窄脉冲输出激光用的，从原理上讲，并不属于Nd:YAG激光器的工作物质、谐振腔和激励源三个必要部分。 图2.5 Nd:YAG激光器
论雷达技术的发展与应用及未来展望 摘要:雷达是用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置的装置。雷达的发展与使用过程，正是电子技术在军事中应用的缩影，而雷达的未来，更与电子技术息息相关。本文介绍了雷达的发展与应用的历史，重点介绍了相控阵雷达与激光孔径雷达两类雷达的原理与特点，并指出雷达的弱点及未来发展方向 关键词：雷达；发展；实战应用；种类；弱点；未来
雷达主要用于对远距离物体的方位、距离、高度做精确检测，可以说是现代军事电子技术的代表。随着不断的发展，雷达在战区的警戒、各种新式武器威力的发挥、协同作战的指挥中的地位愈发重要。 1雷达的发展与应用 雷达的基本工作原理是靠发射探测脉冲和接受被照射目标的回波发现目标。百年的时间里，随着新技术的发展和应用，雷达也在不断发展。 1.1雷达的发展史 下面是雷达出现前夜相关理论的一系列突破： 1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。1864年马克斯威尔（James Clerk Maxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。 1886年赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验。 1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。 1897年汤普森（JJ Thompson）展开对真空管内阴极射线的研究。 这些与电磁波相关的科技是雷达的最基本理论。1904年克里斯蒂安?豪斯梅耶（Christian Hulsmeyer）宣称他的“电动镜”可以传输音频，并能够接受到运动物体的回应。可以说，就是这位德国人奠定了这项技术。然而，在一战期间，德国军官们所注意的是无线电通讯。接下来雷达的出现就显得顺理成章了。1933年，鲁道夫?昆德（Rudolf Kunhold）提出毫米波长可能可以探测出水面船只及飞船的位置。两年后，威廉?龙格（Wilhelm Runge）已经能够根据飞机自身所发出的信号计算出50公里以外的飞机位置所在，即使是在夜晚或者有雾的时候。 第二次世界大战中的不列颠战役成为雷达正式登场的舞台。法国的迅速陷落，使希特勒有理由相信只需通过空袭便能征服英国。在这一大规模的空战中，纳粹德国空军拥有的飞机数量远远超过了英国皇家空军——2670架对1475架。而英国在雷达方面有优势。1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。1938年，为保卫英格兰，用七部雷达组成"Chain Home"雷达网，雷达频率30兆赫。雷达网使德国轰炸机还没到达英吉利海峡即被发现，英国也因此取得了英伦空战的胜利。这场胜利也是第二次世界大战中较大的转折点之一。 之后四十年人们更加意识到雷达的重要作用，雷达也因此得到了不断发展，也分出了不同种类。本节余下部分将有选择地概括各个年代的重大进展。 1.1.1四十年代 四十年代初期(在二次大战期间)，由于英国发明了谐振腔式磁控管，从而在先驱的VHF雷达发展的同时，产生了微波雷达发展的可能性。它开拓了发展L波段(23q厘米波长)和S波段(10厘米波长)大型地面对空搜索雷达和X波段(3厘米波长)小型机载雷达的美好前景。1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。两年后美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，预警雷达。时至今日，雷达已成为各式飞机不可缺少的组成部分，是实施精确打击和自身防护的必要手段。 1.1.2五十年代 五十年代标志着雷达进入第二代。它在前两个十年发展的基础上扩展了工艺技术。雷达理论在此时也有了很大的进展。雷达理论的引入是雷达设计具有比以往更扎实的基础，使工程经验更具有信赖性。这个时期所发明的雷达理论概念如匹配滤波器、模糊函数、动目标显示理论已经被广大雷达工程师应用。 1.1.3六十年代 六十年代的标志是大型电控相控阵的出现以及六十年代后期开始的数字处理技术。相控阵雷达将在1.2.1中具体介绍。六十年代后期，数字技术的日益成熟引起了雷达信号处理的革命。
深度剖析激光雷达核心技术 从四个维度深度剖析激光雷达核心技术 激光雷达（LiDAR）的产业化热潮来源于自动驾驶汽车的强烈需求。在美国汽车工程师学会（SAE）定义的L3级及以上的自动驾驶汽车之中，作为3D视觉传感器的激光雷达彰显了其重要地位，为自动驾驶的安全性提供了有力保障。因此，激光雷达成为了产业界和资本界追逐的“宠儿”，投资和并购消息层出不穷。很多老牌整车厂和互联网巨头都展开了车载激光雷达的“军备竞赛”。近期，MEMS激光雷达技术发展最为活跃，并且吸引了大多数投资，同时宝马宣布将于2021年推出集成MEMS激光雷达的自动驾驶汽车。 不同自动驾驶等级对传感器的需求分析（数据来源：Yole） 伴随着自动驾驶热度上升，激光雷达相关新闻铺天盖地袭来。但是这项在自动驾驶领域尚不成熟的3D视觉技术，不仅公开技术资料稀缺，而且企业和媒体关于各种激光雷达的分类和称谓表达五花八门，例如：机械式、固态、全固态、混合固态；又如：MEMS（微机电系统）、OPA（光学相控阵）、Flash（闪光）；亦如：FMCW（调频连续波）、脉冲波；还如：飞行时间法、三角测距法等。这些称谓常常让圈内圈外的人士感到困惑。不用担心，麦姆斯咨询为您答疑解惑，本报告从“测距原理、光源、光束操纵、探测器”四个维度对激光雷达核心技术及分类进行了分析，力求让读者对激光雷达错综复杂的技术脉络有清晰的认知。 当我们在交流“直接/间接飞行时间法、三角测距法”等概念时，这实际上是激光雷达的“测距原理”维度；而谈及“机械式、MEMS、OPA、Flash”等关键词时，这属于激光雷达的“光束操纵”维度；无论是905nm还是1550nm的波长，还是边发射激光器（EEL）或垂直腔面发射激光器（VCESL），这是从激光雷达的“光源”维度交流问题；而涉及PIN、APD（雪崩光电二极管）/SPAD（单光子雪崩二极管）、SiPM（硅光电培增管），或是单点、线阵、面阵，则是从激光雷达的“探测器”维度分析技术。 掌握不同类型激光雷达技术路线及“硬核”
第二讲国内外地质雷达技术发展状况（历史与现状） 探地雷达的历史最早可追溯到20世纪初，1904年，德国人Hulsmeyer首次将电磁波信号应用与地下金属体的探测。1910年Leimback和Lowy以专利形式在1910年的专利，他们用埋设在一组钻孔里的偶极子天线探测地下相对高的导电性质的区域，并正式提出了探地雷达的概念。1926年Hulsenbeck第一个提出应用脉冲技术确定地下结构的思路，指出只要介电常数发生变化就会在交界面会产生电磁波反射，而且该方法易于实现，优于地震方法[1,2]。但由于地下介质具有比空气强得多的电磁衰减特性，加之地下介质情况的多样性，电磁波在地下的传播比空气中复杂的多，使得探地雷达技术和应用受到了很多的限制，初期的探测仅限于对波吸收很弱的冰层厚度（1951，B.O.Steenson，1963，S.Evans）和岩石和煤矿的调查（J.C.Cook）等。随着电子技术的发展，直到70探地雷达技术才重新得到人们的重视，同时美国阿波罗月球表面探测实验的需要，更加速了对探地雷达技术的发展，其发展过程大体可分为三个阶段： 第一阶段，称为试验阶段，从20世纪70年代初期到70年代中期，在此期间美国，日本、加拿大等国都在大力研究，英国、德国也相继发表了论文和研究报告，首家生产和销售商用GPR的公司问世，即Rex Morey和Art Drake成立的美国地球物理测量系统公司（GSSI），日本电器设备大学也研制出小功率的基带脉冲雷达系统。此期间探地雷达的进展主要表现在，人们对地表附近偶极天线的辐射场以及电磁波与各种地质材料相互作用的关系有了深刻的认识，但这些设备的探测精度、地下杂乱回波中目标体的识别、分别率等方面依然存在许多问题。 第二阶段，也称为实用化阶段，从20世纪70年代中后其到80年代，在次期间技术不段发展，美国、日本、加拿大等国相继推出定型的探地雷达系统，在国际市场，主要有美国的地球物理探测设备公司（GSSI）的SIR系统，日本应用地质株式社会（OYO）的YL－R2地质雷达，英国的煤气公司的GP管道公司雷达，在70年代末，加拿大A－Cube公司的Annan和Davis等人于1998年创建了探头及软件公司（SSI），针对SIR系统的局限性以及野外实际探测的具体要求，在系统结构和探测方式上做了重大的改进，大胆采用了微型计算机控制、数字信号处理以及光缆传输高新技术，发展成了EKKO Ground Penetrating Radar 系列产品，简称EKKO GPR系列。瑞典地质公司（SGAB）也生产出RAMAC 钻孔雷达系统，此外，英国ERA公司、SPPSCAN公司，意大利IDS公司、瑞典及丹麦也都在生产和研制各种不同型号的雷达。80年代全数字化的GPR问世，具有划时代的意义，数字化GPR不仅提供了大量数据存储的解决方案，增强了实时和现场数据处理的能力，为数据的深层次后处理带来方便，更重要的是GPR 因此显露出更大的潜力，应用领域得以向纵身拓展。 第三阶段，从上个世纪80年代至今，可称为完善和提高阶段。在此期间，GPR技术突飞猛进，更多的国家开始关注探地雷达技术，出现了很多探地雷达的研究机构，如荷兰的应用科学研究组织和代尔夫大学，法国_德国的Saint-Louis 研究所（ISL），英国的DERA，瑞典的FOA，娜威科技大学和地质研究所，比利时的RMA，南非的开普敦大学，澳大利亚昆士兰大学，美国的林肯实验室和Lawrence Livermore国家实验室以及日本的一些研究机构等等。同时，探地雷达也得到了地球物理和电子工程界的更多关注，对天线的改进、信号的处理、地下目标的成像等方面提出了许多新的见解。GSSI公司在商业上取得了极大的成功，
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。
激光雷达原理、关键技术及应用的深度解析 “雷达”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，见下图激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的原理相似，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（速度、姿态）等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。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。 激光雷达的种类目前，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: 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。 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。 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。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。 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、
雷达技术的发展历程及其在现代战争下的发展趋势研究 摘要：文章简要介绍了雷达系统和技术的发展历程，分析了雷达系统与技术发展的特点，提出了现代战争下雷达技术发展展望。 关键词：雷达技术相控阵合成孔径发展历程发展趋势 引言 自从雷达诞生至今，在70 多年的发展历程中，随着科技的不断发展、需求的不断变化，出现了多种体制的新功能雷达，雷达的技术性能、体积和重量、可靠性、维修性、抗恶劣环境的生存能力等也发生了天翻地覆的变化。特别是其在现代战争中的广泛应用，使得对雷达技术的研究具有了重要的意义。 一、雷达系统与技术的发展历程 1．20 世纪30 年代及以前 19 世纪后期，物理学家麦克斯韦、法拉第和安培等人，预言并用数学公式描述了移动电流产生的电磁波的存在情况。1935 年英国和美国科学家第一次研制出能够探测空中飞机的实用米波雷达，至此宣告了雷达的诞生。1936 年美国海军研究实验室研制了T / R （收发）开关，可使雷达系统的接收和发射分系统共用一副天线，大大简化了雷达系统结构。1939 年英国科学家发明了大功率磁控管，克服了甚高频雷达波束和频带窄的缺点，使实用雷达步入了微波频段。 2．20 世纪40 年代 20 世纪40 年代美国辐射研究室把微波新技术应用于军用机载、陆基和舰载雷达取得成功，其代表产品是SCR -270 机载雷达、SCR -584 炮瞄雷达和AN / APQ-机载轰炸瞄准相控阵雷达。20 世纪40 年代主要的雷达技术有动目标显示技术、中继技术以及单脉冲跟踪技术理论的提出。动目标显示技术应用于各型对空警戒雷达，后来应用于着陆引导、岸防等型雷达，其优势是能有效抑制地海杂波，抑制大山、建筑物、风雨雪等静止和慢动目标的干扰能将机载情报传送到地面观测站，能有效加强地空之间的信息联系。 3.20 世纪50 年代 20 世纪50 年代是雷达理论发展的鼎盛时期，雷达设计从基于工程经验阶段，进人了以理论为基础，结合实践经验的高级阶段。50 年代产生的主要理论有匹配滤波器概念、统计检测理论、模糊图理论和动目标显示理论等。各种新技术的应用，出现了诸如脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达等新休制雷达。 4.20世纪60年代 20 世纪60 年代雷达系统发展的主要标志是数字处理技术革命和相控阵雷达的应运而生。为了探测洲际弹道导弹，为防空系统提供预测情报，产生了相控阵雷达体制。新一代雷达发展方向是全固态电扫相控阵多功能雷达。雷达信号和数据处理的数字化革命、半导体元件、大规模和超大规模集成电路的应用，使雷达技术的发展日臻完善并达到比较高的水平。
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
激光自20世纪被人类发明以来，它的优势在各方面都得到了认可，也成为了继核能、半导体和电子计算机之后，人类又一重大科技成果。激光雷达是激光技术与传统雷达相结合的产物，它集合了激光技术与雷达技术一系列特点，将光、机、电融合一体，形成具有独特性能的崭新雷达体制，是一种将激光束作为新的探测信号主动式的现代光学遥感技术。激光技术产生和发展，为雷达提供了一种更为理想的辐射源，使激光雷达得以迅速发展。 本文从激光雷达结构出发，介绍激光雷达工作原理与特点，然后阐述激光雷达在军事、大气水域监测、建模与测绘以及航天工程中的应用，尤其是近年来最热门的无人驾驶汽车上的应用。 1 激光雷达工作原理 1.1 激光雷达概念 激光雷达是传统雷达与激光技术相结合的产物，是以激光束作为信息载体，可以用相位、频率、偏振和振幅来搭载信息的主动式雷达。激光雷达发射激光束频率较传统雷达高几个数量级，故频率量变使得激光雷达技术产生了质的变革；又由于激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性特点，所以激光雷达能够精确测距、测速和跟踪，还具有很高角分辨率、速度分辨率和距离分辨率，对更小尺度的目标物也能产生回波信号，在探测细小颗粒有着特有优势。 1.2 激光雷达工作原理 激光雷达一般由激光发射机、激光接收机、光束整形和激光扩束装置、光电探测器、回波检测处理电路、计算机控制和信息处理装置和激光器组成；激光雷达结构和工作原理如图1所示。激光雷达是以激光器作为辐射源，通过激励源激励，发出空间呈高斯分布的激光束，为了能得到质量更好的激光束，经由光束整形和激光扩束装置，使激光束空间分布均匀，加大了激光作用距离；整形和扩束好的激光束作为激光雷达探测信号，以大气为传播媒介，辐射到目标物表面上；激光接收机接收目标物反射和散射信号，光信号经由光电探测器转变为电信号，回波检测处理电路从传来的电信号中分出回波信号和杂波干扰脉冲，并放大回波信号，将回波信号送往计算机进行数据采集与处理，提取有用信息。 （南宁师范大学 物理与电子学院，南宁 530299） 摘 要：激光雷达以其特点和技术优势，在军事和民用上得到广泛应用。基于此，主要介绍了激光雷达工作 原理、特点以及激光雷达在军事、大气水域监测、建模与测绘、航天工程中的应用，阐述说明近年来最热门的无 人驾驶汽车中激光雷达应用方法，并对激光雷达未来进行展望。 关键词：激光雷达 工作原理 特点应用 图1 激光雷达结构及工作原理图 雷达探测、跟踪以及识别未知情况下目标物体作准备。 2 激光雷达特点 激光雷达的一些特点远远超过其他雷达，这些技术优 势显著，如采集数据密度大、精度高、分辨率高以及探测 距离远，使其在很多工作领域内得到普遍应用。激光雷达 与普通雷达各方面能力对比，如表1所示。
附件 4 雷达技术发展规律和宏观趋势分析 摘要：该文着眼于历史、现实和未来的时间尺度，从目标、环境和任务等外因与方式、能力和资源等内因相互作用的视角，对雷达技术的发展动因和阶段特征进行分析寻证后认为，在通道构型、视角覆盖和信号维度等方面，实现由低维度探测向高维度探测的阶梯式演进，是雷达技术发展的基本规律，而改变信息获取方式、提升实现能力和增大资源利用，是雷达技术创新的主要途径。文中还据此推演了未来雷达技术的发展方向和主要特征，并提出了促进创新发展的建议。 01 引言 雷达技术已经走过了 70 多年的发展历程，先后经历了二次世界大战、冷战军备竞赛、新军事革命等不同历史因素的促进并经受了考验，雷达技术的体制、理论、方法、技术和应用都已得到很大的发展。进入新世纪前后的10 多年间，雷达技术面临的目标、环境、任务，以及支撑雷达系统研制生产的相关技术，都发生了深刻的变化。当今雷达技术仍在高速地发展和演变，从而衍生出许多新的概念、体制和技术，以适应未来全球资源竞争对雷达技术提出的严峻挑战。 目前已有许多综述性文献，在不同的历史时期，分别从特定历史阶段[3－4]、多种系统体制[5－11]、不同应用领域[12－15]、特定国家和机构[16－20]等角度，对雷达技术的发展进行了回顾和分析，剖析重点装备和技术、分析历史阶段划分、透视装备发展主线、归纳技术发展动向。这些工作对于促进当时的雷达技术发展，起到了重要的推动作用。 本文试图从宏观的视角和大的时间尺度，认识雷达技术发展的内外因素和物理实质，分析雷达技术创新和变革的源动力，探讨雷达技术发展的规律和主要表现形式，剖析不同发展阶段的主要技术特征，推演预测未来发展的方向和特征，透视制约雷达技术发展节奏的内外因素。以期为把握雷达技术发展的时代脉络和宏观趋势、契合需求和引领创新、推动发展和促进应用，提供新的观察视角和思考方法。 02 02 雷达系统技术的发展外因 目标、环境和任务，是促成雷达体制、频段、理论和技术不断发展演变的3 个主要外部因素。其中，对雷达技术发展推动作用最大的是目标多样化，其次是环境复杂化和任务多元化。 目标多样化是指目标的种类构型、运动特性、活动空间、散射特性、极化特性、频谱特性等方面呈现多样化的趋势。例如，目标的种类构型由常规的空中飞机逐渐扩展为战术导弹、弹道导弹、巡航导弹、掠海导弹、无人飞机、浮空平台、临近空间平台、空天