小面阵三维成像激光雷达原理样机 激光三维成像雷达作为近年来高速发展的新型遥感技术,国内研究单位的热点多集中于点源和线列探测的民用测绘领域,由于受到阵列探测器的渠道制约,面阵探测器的研究未受到重视。本系统试以基于小面阵探测器的高帧频、宽收容的激光三维主动成像雷达为探索目标,研究了实现高帧频、宽收容所涉及的关键技术,完成原理样机系统的搭建。同时,对MEMS摆镜在小型化激光三维成像雷达系统中的应用进行了研究。本文主要围绕小面阵三维成像激光雷达样机的设计要求,提出了用激光分束照明以实现发射光束与探测器像元的配准,同时采用了收发共口径的光学系统,有利于系统的小型化集成。 对于小面阵探测器的高精度激光测距技术,详细分析了激光测距的误差组成,研究了对面阵探测器的温度补偿技术、低噪声回波放大技术、恒比定时技术等,分别基于单元探测器和面阵探测器设计了高精度的测距实验,并对实验结果进行了分析。本文的主要研究成果和创新点归纳如下:(1)利用达曼光栅实现了发射激光束的分束照明,配合收发共口径的光学系统,实现了APD阵列像元和激光探测光斑的配准关系,缩小了光学头部的体积。(2)通过研究低噪声放大技术、自动温度补偿技术、恒比定时技术和峰值保持电路等,解决了小面阵探测器的并行高速处理技术,实现了小面阵探测器的厘米级高精度的测距结果。(3)在国内小面阵APD探测器三维成像工程应用领域,做出了有益的探索,在单束发射脉冲无扫描 的原理样机试验中,得到了探测目标的面阵成像数据,取得了理想的结果。 (4)对MEMS摆镜应用于小型化激光成像雷达的方案做出了分析,提出了配合二次光学扩束系统的收发共轴光学系统。
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用.本文对激光雷达的测距原理、发射器和接收器特性、束宽、大气传输以及目标截面、外差效率进行分析, 提出基于伪随机序列的激光测距技术 ,可将激光
基于三维激光雷达技术的大比例尺地形图解决方案 一激光雷达技术 1.1 综述 激光雷达测量技术（LiDAR）是当今测绘业界先进的遥感测量手段，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。自20世纪60年代末世界第一部激光雷达诞生以来，激光雷达技术作为一种重要的航空遥感技术，与成像光谱、成像雷达共同被誉为对地观测三大核心技术。迄今为止，激光雷达的研究与应用均取得了相当大的进展，已成为航空遥感领域主流之一，其应用已超出传统测量、遥感以及近景测量所覆盖的范围，成为一种独特的数据获取方式。LIDAR技术具有高精度、高分辨率、高自动化且高效率的优势，集激光扫描、全球定位系统和惯性导航系统技术于一身，同时配备高分辨率数码相机，可实现对目标的同步测量，生成高密度激光点云数据，已成为世界各国进行大面积地表数据采集的重要主流与趋势。与传统摄影测量技术相比，激光雷达技术生成三维信息更快、更准确，特别能穿透地表覆盖的森林植被快速获取地形信息的能力，具有其他技术无可比拟的优势。采用激光雷达技术获取地面及其覆盖物（植被、电力线等）的精确三维坐标,生成高精度地形信息,可作为土地利用、工程建设规划、城市管理、河海地形、水库大坝、山坡检测、防灾、矿业、农业、林业、公共管理等方面数字化、自动化等应用基础。 1.2 激光雷达技术基本原理 激光雷达是一种有效的主动遥感技术，通过发射激光脉冲及精准的量测回波所经过的时间计算传感器与目标物之间的距离，再结合飞行器姿态信息、位置信息进行相关解算和坐 .下载可编辑.
标转换可以得到高精度的三维数据。机载激光雷达系统主要由飞行平台、激光测距系统、全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）以及相关的控制存储单元组成。 激光测距系统是激光雷达的核心组成部分，通过发射、接收激光信号可以精确测量发射器和目标物的距离。激光测距一般采用方式：脉冲测距和连续波的相位差测距。连续波激光器市场上较为少见，因此现有的激光雷达系统多采用脉冲测距的方式。通过激光器发射一束窄脉冲，与目标物接触后产生反射，并通过接收器接收回波信号。由于脉冲的速度已知（光速），接收器可以精确测量脉冲发射到接收到反射信号的时间，从而获得目标物与激光器的距离，其测量精度常常可以达到毫米级。 随着激光雷达技术的发展，激光雷达的飞行平台可以根据需要和实际作业条件进行多种选择，目前常见的搭载平台有小型飞机、固定翼飞机、直升飞机、无人机、动力三角翼、无人飞艇等。 激光雷达系统工作原 .下载可编辑.
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
激光雷达与激光成像雷达 一、激光雷达与激光成像雷达 一、激光雷达与激光成像雷达 人通过感觉器官感知，认识外部世界的一切。用耳朵听音乐、话音、机器的轰隆声、钟声、铃声等一切通过声音传递的信息；用手感觉温度、物体的硬软以及物质的存在；用眼睛观察外部世界的形状、颜色、运动状态、速度、位置、识别物体的种类等等。人的眼睛之所以可以看见外部世界，是因为太阳光谱中的可见光照射在物体上反射的结果。那么除了“可见光谱”之外还存在别的“不可见的光谱”吗？事实上，广义的光谱按频段的不同，有大家所熟悉的电磁波、远红外、近红外、可见光、紫外光谱，而可见光谱区中，红色的光波长最长，紫色的波长最短。而且人们已经发现不同的物质辐射不同的谱线，在特定的条件下还可以只辐射某一单一波长的谱线，当其人们发现不可见光谱区中的单一的光谱谱线具有可贵的特性的时候，就力图去产生、开发、利用这种单一光谱谱线，由此产生了激光及用于不同场合的激光系统。 视觉引发人们的形象思维，眼睛从外界事物所获取的信息量大，直接而快速，是其他感觉器官所不能代替的，这也就是古人所说的“眼见为实”的深切内涵。正是因为这个道理，人们不愿受限于“可见光”的可见，而想去探求自然光条件下所看不见的东西，如想在漆黑的夜晚，去观察外部世界，就开发出了“夜视仪”。被动“红外热成像仪”也不是依赖于可见光的反射特性去观察变幻莫测的外部世界的，而是依赖于物体本身的热辐射，无论白天或黑夜都可以用以观察人类世界的一切，而且已经是超视距的。目前最新的热成像仪，1ms内热敏成像。红外成像高速测温用来检测来复枪，其射出的弹头在弹道上飞行速度为840m/s，弹头距枪口0.914 4m处的热成像还能分辨出弹头上不同部位摩擦热的温差。 遥感仪则可以依据物体本身的辐射谱线，包括电磁波段与红外光区，远距离成像，把肉眼原本看不见的自然变化，转化为可见，以照片的形式或屏幕显示的图像，甚至动态图像的形式展现出来，这就是当今人们感兴趣的可视化技术。人们力图从各个领域做这方面的研究和开发应用。 通过眼睛人们能够确定方向——定位，作为控制手的动作的依据，当然这是受限于“视距”之内的，通过望远镜可以延伸视距；但是“定位”的精度达不到人们通用目的需要，所谓“差之毫厘，失之千里”。雷达满足了远距离定位和精度的要求，雷达源于英文Radio Detection And Ranging的缩写RADAR，于1935年问世。 当其“激光”这种波长处于红外光谱波段的“激光光源”被研究出来之后，人们自然想到利用微米波段（红外光谱波段）的光波作为信息的载体去探测、获取其他手段难于探测、观测到的目标的信息。激光雷达研制成功后，相继激光成像雷达应运而生。激光雷达的英文名字“LADAR”是Laser Detection And Ranging的缩写。激光雷达的研究是从目标探测和测距入手的，早期（1962～1976年）的研究系统被称为光雷达（Optical RADAR），并命名为LIDAR（Light Detection And Ranging）。可以说军事应用对测量系统精确度的要求日
车载激光雷达测距测速原理 陈雷1，岳迎春2，郑义3，陈丽丽3 1黑龙江大学物理科学与技术学院，哈尔滨 (150080) 2湖南农业大学国家油料作物改良中心，长沙 (410128) 3黑龙江大学后勤服务集团，哈尔滨（150080） E-mail：lei_chen86@https://www.doczj.com/doc/6411914693.html, 摘要：本文在分析了激光雷达测距、测速原理的基础上，推导了连续激光脉冲数字测距、多普勒频移测速的方法，给出车载激光雷达基本原理图，为车载激光雷达系统测距测速提供了基本方法。 关键词：激光雷达，测距，测速 1．引言 “激光雷达”(Light Detection and Range,Lidar)是一种利用电磁波探测目标的位置的电子设备。其功能包含搜索和发现目标；测量其距离、速度、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。激光雷达同传统的雷达一样，都由发射、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。但传统的雷达是以微波和毫米波段的电磁波作为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波，激光是光波波段电磁辐射，波长比微波和毫米波短得多。具有以下优点[1]： (1)全天候工作，不受白天和黑夜的光照条件的限制。 (2)激光束发散角小，能量集中，有更好的分辨率和灵敏度。 (3)可以获得幅度、频率和相位等信息，且多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。 (4)抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿透等离子鞘，低仰角工作时，对地面的多路径效应不敏感。 (5)激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测且探测系统的结构尺寸可做的很小。当然激光雷达也有如下缺点： (1)激光受大气及气象影响大。 (2)激光束窄，难以搜索和捕获目标。 激光雷达以自己独特的优点，已经被广泛的应用于大气、海洋、陆地和其它目标的遥感探测中[14,15]。汽车激光雷达防撞系统就是基于激光雷达的优点，同时利用先进的数字技术克服其缺点而设计的。下面将简单介绍激光雷达测距、测速的原理，并在此基础上研究讨论汽车激光防撞雷达测距、测速的方法。 2. 目标距离的测量原理 汽车激光雷达防撞系统中发射机发射的是一串重复周期一定的激光窄脉冲，是典型的非相干测距雷达，对它的要求是测距精度高，测距精度与测程的远近无关；系统体积小、重量轻，测量迅速，可以数字显示；操作简单，培训容易，有通讯接口，可以连成测量网络，或与其他设备连机进行数字信息处理和传输。 2.1测距原理 激光雷达工作时，发射机向空间发射一串重复周期一定的高频窄脉冲。如果在电磁波传播的
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、
激光雷达的选择 刘燕京博士 激光雷达主要部件包括：二维激光扫描仪，GPS,IMU 二维激光扫描仪：二维激光扫描仪是激光雷达的核心部分。 二维激光扫描仪的激光特点 用于激光雷达的二维激光扫描仪的激光器所输出的激光波形有两种：一种是脉冲式的，另一种是连续波（continuous wave, CW）。脉冲式的激光器一般是半导体激光器，或用半导体激光器泵浦的Nd-YAG (neodymium-doped yttrium aluminium garnet, Nd:Y3Al5O12)激光器。他们的特点是输出的功率大，峰值功率可达到几MW。Optech和莱卡公司使用的是Nd-YAG激光器，波长为1064 nm，安全等级为IV级;而Riegl和TopSys 使用的是波长为1550nm的半导体激光器，安全等级为I级。安全等级为I级的激光器即使在面对面使用是也不会对人眼和动物的眼睛造成伤害。 脉冲式激光雷达的测距分辨率⊿H由公式 ⊿H=C·t P/2 给出。C是光速，t P是光的一个脉冲周期时间。 一个脉冲光在一个周期时间里所通过的距离：脉冲宽度Lp=2⊿H。 如果t P=1ns, Lp=300mm; 如果t P=1ns, Lp=3m。
脉冲宽度越短，测距的分辨率越高 一般：t rise=1ns。 激光器的峰值输出功率E p一般是2000W,那么每发射一个脉冲光所需要的能量E为E=E p·t P=2000W·10ns=20μj 因而，如果激光器的发射频率f为10,000赫兹，所需要的激光器的发射功率为 P=E·f=0.2W。如果f为100,000赫兹，所需要的激光器的发射功率为2W。 目前市场上的二维激光器的距离测量精度在1000米的距离时为2厘米—5厘米。 光的色散 我们都知道，光会产生色散现象。我们平时经常会看到，汽车的大灯随着光照距离的增加，其射出的光斑越来越大，这就是色散。 激光是目前所有已经知道的光中发散度最小的。通常我们用弧度来表示光的色散γ。如果我们以激光器的光窗的孔径为D,激光的波长为λ，光的色散大小的极限值与光衍射相关。当超过它的极限时，光斑会出现模糊。因而， γ≧2.44λ/D 也就是说，如果激光器的发射光窗不变，光的色散随着光的波长的增加而增大；如果光的波长不变，光的色散随着光窗的增加而减小。 例如：如果光的波长为1060nm, 光窗的直径为100mm,那么，光的色散为0.26mrad。 如果光的波长为1550nm, 光窗的直径为100mm,那么，光的色散为0.38mrad。 通常，激光器的发射和接收光窗的直径D为5-15厘米。 打到地面的光斑的直径D L由上图推出 D L=D+2h(tanγ/2)= 2h(tanγ/2)= 2hγ/2= hγ 我们以0.3mrad来举例说明它的意义。 当测量距离为100米时，光斑的直径为30mm;当测量距离为1,000米时，光斑的直径为300mm。 一般讲，光斑越小，激光的空间分辨率越小。 连续波激光器一般用于卫星遥感或高空遥感。 目前市场上常用激光雷达的激光器及其最大发射频率。 目前市场上的激光雷达的激光发射的最大频率范围为10,000赫兹—240,000赫兹。均为Riegl公司所生产。Optech公司和莱卡公司的激光器的最大发射频率分别是160,000赫兹和150,000赫兹。TopSys的是125,000赫兹。在上个月在北京召开的的2008 ISPRS 会议上，徕卡公司推出了新的ALS60系统，其激光器的最大发射频率为200,000赫兹。另外，根据内部消息，Riegl公司也将在9月底的2008 INTERGEO会议上推出新的激光雷达系统。 莱卡和Optech公司采用的是大功率的波长为1064纳米的安全等级为IV级（I级是最安全的，II级以上越来越不安全）的Nd-YAG激光器。当低空飞行时，就必须增大激光的光斑，并且采用强度衰减器来降低输出激光的强度。
Computer Science and Application 计算机科学与应用, 2019, 9(6), 1169-1182 Published Online June 2019 in Hans. https://www.doczj.com/doc/6411914693.html,/journal/csa https://https://www.doczj.com/doc/6411914693.html,/10.12677/csa.2019.96132 Combine Laser Scan Data with Open Street Map to Produce a Three-Dimensional Road Map Chenjing Ding, Xingqun Zhao School of Biological and Medical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu Received: Jun. 7th, 2019; accepted: Jun. 21st, 2019; published: Jun. 28th, 2019 Abstract With the continuous development of computer technology, the method to acquire spatial data has updated rapidly. Three-dimensional digital map attracts so much attention to be developed. Gene-rating a three-dimensional digital map requires a basic map. Because the Open Street Map (OSM) is open-source and free, it has received widespread attention. However, the height information of the road is very sparse in the OSM, and the mean square error is higher than 5 meters, which makes more and more researchers focus on the generation of high-precision three-dimensional maps. Due to the Light Detection and Ranging (LiDAR) point cloud’s high-precision characteristics whose average square error is about 20 cm, it can extend the OSM to generate high-precision 3D maps. This paper studies the method of OSM combined with LiDAR point cloud to generate a three-dimensional digital map. Due to the sampling characteristics of the airborne LiDAR used in the overhead view, the oc-cluded area cannot be sampled. The method proposed in this paper can solve the challenge of occlu-sion. It is composed of 3 main parts: 1) dealing with indoor area; 2) handling with outdoor area; 3) applied Weighted Hough Transform (WHT) for recalculation. The main steps for dealing with indoor area are as follows: 1) The three-dimensional road surface is projected into a two-dimensional line by orthogonal projection. 2) To find a set of road candidate points, the line is fitted by Hough Transform (HT). 3) Random Sampling the Uniform Sample Consensus (RANSAC) combined with the least squares method (LSM) is used to fit the road plane according to the obtained set of candidate points. This pa-per proposes a method for estimating the height of an indoor road using the height of the associated outdoor channel which is added up with different weights according to their projection distance. For the road with abnormal slope, the Weighted Hough Transform (WHT) is used for recalculation. This paper uses the airborne lidar point cloud (root mean square error is about 20 cm) provided by the municipal government of Cologne, Germany, to establish a three-dimensional road map for the city of Aachen. The results show that compared with the Ordering Points to Identify The Clustering Structure (OPTICS) algorithm, PHT successfully predicts 87% of the scenarios, which is greater than the 13% success rate of the OPTICS algorithm. In conclusion, the accuracy of the PHT algorithm is higher. In addition, PHT is more robust to the occlusion problem, change of point cloud density and the interfe-rence of noise points. Keywords 3D Reconstruction, Lidar, Hough Transform, 3D Map
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。
激光雷达测量弹丸飞行速度的飞行原理 贠冬1101210038 激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光问世后的第二年，即1961年，科学家就提出了激光雷达的设想，并开展了研究工作。40年来，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，陆续开发出不同用途的激光雷达，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。 激光雷达发展史 1964年美国研制成波长为632.8 nm的的气体激光雷达 OPDAR，装在美国大西洋试验靶场，测距精度为 0. 6m，测速精度为0.15 m/s，角精度为±0.5mrad，对装有角反射器的飞行体作用距离为18km。 20世纪70年代，重点研制用于武器试验靶场测量激光雷达，国外研制成多种型号，例如，美国采用Nd:YAG固体激光器的精密自动跟踪系统（PATS）、瑞士的激光自动跟踪测距装置( ATARK)；美国研制的CO2气体激光相干单脉冲“火池”激光雷达，跟踪测量了飞机、导弹和卫星，最远作用距离达1000km。 80年代，在进一步完善靶场激光测量雷达的同时，重点研制各种作战飞机、主战坦克和舰艇等武器平台火控激光测量雷达。在此期间研制成具有代表性的产品有采用Nd:YAG激光器、四象限探测器体制的防空激光跟踪器（瑞典），作用距离20km，角精度0.3mrad 90年代以来，随着军事形势的变化，常规武器命中率和杀伤力的不断提高，激光雷达在电子对抗中的作用越来越显得重要，因而国际上着重对激光雷达的实用化进行研究。在解决关键元器件、完善各类火控激光雷达的同时，积极进行诸如前视／下视成像目标识别、火控和制导、水下目标探测、障碍物回避、局部风场测量等方面的激光雷达实用化研究。 激光雷达的优点 (1)抗干扰能力强、隐蔽性较好。 由于工作在光波段，因而不受无线电波的干扰，使激光雷达能在日益激烈的电子战环境中工作；光波能穿透再入大气层目标周围的等离子鞘“黑障区”，使激光雷达测量这类目标时信号不中断；低仰角工作时对多路径效应不敏感，能跟踪低空飞行目标，如掠海飞行的反舰巡航导弹，具有很好的抗地面杂波干扰性能;激光束很窄(1mrad～0.01mrad)，只有在被照射的那一点和那一瞬间(约
关于车载激光雷达的知识清单 ?2017年6月28日 ? ?国际电子商情 本篇知识清单分享给你，助你快速了解车载激光雷达产业。 在无人驾驶架构中，传感层被比作为汽车的“眼睛”，包括车载摄像头等视觉系传感器和车载毫米波雷达、车载激光雷达和车载超声波雷达等雷达系传感器。其中激光雷达已经被大部分人认为是实现自动驾驶的必要基础，毕竟传统雷达无法识别物体细节，而摄像头在暗光或逆光条件下识别效率明显降低。 也正得益于无人驾驶汽车市场规模的爆发，预计2030年全球激光雷达市场可达到360亿美元的规模，将成为新的蓝海。本篇知识清单分享给你，助你快速了解车载激光雷达产业。 内容导读： 1.车载激光雷达的技术原理 2.激光雷达在自动驾驶应用中有何优缺点？ 3.车载激光雷达有哪些应用？ 4.如何降低自激光雷达的成本? 5.国内外最全激光雷达企业介绍 一、车载激光雷达的技术原理 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，最初是军事用途。其工作原理是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。 这里详细介绍一下车载激光雷达的工作原理及实现方式。第一种是较为传统的扫描式激光雷达，这种设备被架在汽车的车顶上，能够用多束激光脉冲绕轴旋转360°对周围环境进行距离检测，并结合软件绘制3D图，从而为自动驾驶汽车提供足够多的环境信息。 这种激光雷达最初是在11年前的Darpa无人车挑战赛上，由美国Velodyne公司开发并被参赛团队使用（当时采用的是64线的激光雷达方案）。由于那时的成本
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
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