激光雷達工程技術

目 錄
第1章 緒論 001
1.1 激光雷達的特點與分類 002
1.1.1 激光雷達的特點 002
1.1.2 激光雷達的分類 003
1.2 激光雷達的發展現狀 004
1.2.1 國外激光雷達的發展現狀 004
1.2.2 國內激光雷達的發展現狀 008
1.3 激光雷達的應用 009
1.3.1 空間探測激光雷達 009
1.3.2 交會對接激光雷達 010
1.3.3 大氣探測激光雷達 010
1.3.4 測風激光雷達 010
1.3.5 導航避障激光雷達 011
1.3.6 無人駕駛車載激光雷達 012
1.3.7 水下探測機載激光系統 013
1.3.8 化學/生物戰劑探測激光雷達 013
1.3.9 制導激光雷達 014
1.4 激光雷達的主要技術與性能指標 015
1.4.1 技術指標 015
1.4.2 環境適應性 015
1.4.3 安全等級 016
參考文獻 017
第2章 激光雷達距離方程 020
2.1 激光雷達距離方程的基本形式 021
2.2 激光雷達距離方程的幾種應用形式 022
2.2.1 小目標探測激光雷達距離方程 022
2.2.2 擴展目標探測激光雷達距離方程 022
2.2.3 線目標探測激光雷達距離方程 023
2.2.4 合作目標探測激光雷達距離方程 023
2.2.5 軟目標探測激光雷達距離方程 024
2.2.6 單光子探測激光雷達距離方程 025
2.2.7 連續波激光雷達距離方程 026
2.2.8 激光雷達信噪比方程 026
2.3 激光雷達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 目標特性 028
2.3.3 大氣衰減特性 035
2.3.4 檢測能力 037
參考文獻 041
第3章 激光雷達發射機 042
3.1 激光雷達發射機的構成與主要功能 043
3.2 激光雷達發射機的工作原理 043
3.3 激光雷達發射機的總體設計 045
3.3.1 光束特性參數 045
3.3.2 電光效率 049
3.3.3 環境適應性 050
3.3.4 熱控方式 051
3.4 常用的激光雷達光源 054
3.4.1 半導體激光器 055
3.4.2 半導體泵浦固體激光器 057
3.4.3 光纖激光器 058
3.4.4 微片級激光雷達光源 062
3.5 激光雷達發射機常用調制方法及原理 068
3.5.1 電光調制 069
3.5.2 聲光調制 072
3.5.3 磁光調制 074
3.5.4 直接調制 075
3.5.5 空間光調制器 076
3.6 激光雷達發射機波形設計 076
3.6.1 振幅調制設計 077
3.6.2 頻率調制設計 077
3.6.3 相位調制設計 078
3.6.4 脈沖調制設計 079
參考文獻 081
第4章 激光雷達接收機 083
4.1 激光雷達接收機的構成與主要功能 084
4.2 激光雷達接收機的體制分類 084
4.2.1 直接探測接收 084
4.2.2 相乾探測接收 085
4.3 激光雷達接收機的工作原理 086
4.3.1 直接探測接收機的工作原理 086
4.3.2 相乾探測接收機的工作原理 087
4.4 激光雷達接收機的總體設計 091
4.4.1 探測器特性參量 091
4.4.2 接收系統的特性參量 093
4.5 激光雷達接收機的設計 096
4.5.1 直接探測接收的設計 096
4.5.2 相乾探測接收的設計 101
參考文獻 106
第5章 激光雷達光學系統 108
5.1 基本概念 109
5.1.1 F數或NA 109
5.1.2 視場 110
5.1.3 空間分辨率 110
5.1.4 像差評價 111
5.2 激光雷達光學系統的總體設計 111
5.3 激光雷達光學結構的基本形式 112
5.3.1 準直光學系統 112
5.3.2 半導體激光整形發射系統 113
5.3.3 變波束發射光學系統 115
5.3.4 基於單點探測器的接收光學系統 117
5.3.5 基於陣列探測器的接收光學系統 117
5.3.6 基於四象限探測器的接收光學系統 117
5.3.7 相乾光體制接收光學系統 118
5.4 激光雷達光束指向控制方式 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 相控級聯掃描 127
5.4.9 典型掃描體制的比較 128
5.5 激光雷達光學系統設計的其他內容 129
5.5.1 背景光抑制 129
5.5.2 雜散光的抑制 131
5.5.3 光學增益改變方法 132
5.5.4 瞄準望遠鏡 133
參考文獻 133
第6章 激光雷達信息處理機 135
6.1 激光雷達信息處理機的構成與主要功能 136
6.2 激光雷達信息處理機的工作原理 137
6.2.1 測時原理 137
6.2.2 測頻原理 139
6.2.3 測角原理 140
6.2.4 成像原理 140
6.2.5 強度測量原理 142
6.3 激光雷達信息處理機的設計 143
6.3.1 總體設計 143
6.3.2 方案設計 144
6.4 激光雷達信息處理機的數據處理 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 強度信息處理 159
6.5 激光雷達點雲處理 160
6.5.1 點雲濾波 161
6.5.2 點雲分割 162
6.5.3 目標識別 163
參考文獻 164
第7章 交會對接激光雷達 166
7.1 交會對接激光雷達概述 167
7.1.1 主要特點 167
7.1.2 主要應用 168
7.1.3 主要功能 169
7.1.4 主要性能指標 170
7.2 交會對接激光雷達的組成 170
7.2.1 合作目標 171
7.2.2 激光雷達主機 171
7.2.3 系統軟件 176
7.3 交會對接激光雷達的工作原理 177
7.3.1 坐標系定義 178
7.3.2 跟蹤測量原理 179
7.4 交會對接激光雷達的工作方式 181
7.4.1 捕獲 182
7.4.2 跟蹤 182
7.4.3 掃描成像 183
7.4.4 目標切換與識別 183
7.5 交會對接激光雷達的系統設計 184
7.5.1 安全性 184
7.5.2 可靠性 185
7.5.3 測量體制 188
7.5.4 掃描方式 189
7.6 交會對接激光雷達系統的校準與測試 191
7.6.1 角度與距離的校準 192
7.6.2 角度與距離的測試 193
參考文獻 194
第8章 環境感知激光雷達 195
8.1 環境感知激光雷達的特點 196
8.1.1 感知對象 196
8.1.2 主要應用 196
8.1.3 主要功能 197
8.1.4 主要性能指標 198
8.2 環境感知激光雷達的組成 199
8.2.1 系統組成 199
8.2.2 激光發射系統 200
8.2.3 光學天線 200
8.2.4 多通道接收 201
8.2.5 數據採集與處理 201
8.2.6 圖像處理與顯示 201
8.3 環境感知激光雷達的工作方式 202
8.3.1 三維成像探測 202
8.3.2 環境信息生成 203
8.3.3 障礙物檢測 204
8.3.4 安全路徑規劃 205
8.4 環境感知激光雷達的設計 206
8.4.1 激光波段選擇 206
8.4.2 高密度成像設計 208
8.4.3 高速成像設計 209
8.4.4 抗乾擾設計 211
8.5 環境感知激光雷達的數據處理 212
8.5.1 感知範圍 212
8.5.2 標定 214
8.5.3 多激光雷達數據融合 216
8.5.4 目標識別 219
參考文獻 220
第9章 測繪激光雷達 222
9.1 測繪激光雷達的特點 223
9.1.1 主要特點 223
9.1.2 主要應用 223
9.1.3 主要功能 224
9.1.4 主要性能 224
9.2 測繪激光雷達的組成 225
9.2.1 系統組成 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 228
9.3 測繪激光雷達的工作原理 228
9.3.1 坐標系定義 228
9.3.2 幾何模型 229
9.3.3 同步工作原理 229
9.4 測繪激光雷達的工作流程 231
9.4.1 測繪規劃 231
9.4.2 多器件標定 231
9.4.3 系統標校的原理 232
9.4.4 數據採集 232
9.4.5 數據處理 233
9.5 測繪激光雷達的設計 239
9.5.1 機載測繪激光雷達的設計 239
9.5.2 車載測繪激光雷達的設計 244
9.6 測繪激光雷達的評價 247
9.6.1 高程精度的評價 247
9.6.2 平面精度的評價 247
參考文獻 248
第10章 測風激光雷達 250
10.1 測風激光雷達的特點 251
10.1.1 主要特點 251
10.1.2 主要應用 252
10.1.3 主要功能 254
10.1.4 主要性能指標 255
10.2 測風激光雷達的組成 256
10.2.1 直接探測體制測風激光雷達的組成 256
10.2.2 相乾探測體制測風激光雷達的組成 257
10.3 測風激光雷達的工作原理 259
10.3.1 直接探測體制測風激光雷達的工作原理 259
10.3.2 相乾探測體制測風激光雷達的工作原理 263
10.4 測風激光雷達的工作方式 265
10.4.1 平面位置測量（PPI模式） 265
10.4.2 距離高度測量（RHI模式） 266
10.4.3 風廓線測量 266
10.4.4 飛機下滑道測量 267
10.5 測風激光雷達的設計 268
10.5.1 直接探測體制測風激光雷達的設計 268
10.5.2 相乾探測體制測風激光雷達的設計 272
參考文獻 284
第11章 化學/生物戰劑探測激光雷達 285
11.1 化學/生物戰劑探測裝備的功能要求 286
11.2 常規的化學/生物戰劑探測方法 286
11.3 化學/生物戰劑探測激光雷達的工作原理和系統組成 287
11.3.1 工作原理 288
11.3.2 系統組成 292
11.4 化學/生物戰劑探測激光雷達的主要分系統 294
11.4.1 激光器 294
11.4.2 光學系統 298
11.4.3 激光探測接收 301
11.4.4 數據處理與戰劑識別 304
11.5 化學/生物戰劑探測激光雷達的指標體系和主要指標論證 305
11.5.1 總體指標 306
11.5.2 分系統指標 306
11.5.3 主要參數選擇 308
11.5.4 主要指標論證 313
11.6 化學/生物戰劑探測激光雷達的應用系統研製 313
11.7 化學/生物戰劑探測激光雷達的發展方向 316
參考文獻 317
第12章 激光雷達的發展趨勢 319
12.1 引言 320
12.2 量子激光雷達 321
12.2.1 量子激光雷達的概念 321
12.2.2 量子激光雷達的分類 322
12.2.3 研究方向 322
12.3 片上激光雷達 323
12.3.1 片上激光雷達的概念 323
12.3.2 片上激光雷達的分類 323
12.3.3 研究方向 324
參考文獻 325