哈工大激光雷达课件一——激光雷达基本知识

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1、激光雷达技术（1）基本知识、应用前景、发展概况哈尔滨工业大学航天学院王春晖课程主要内容绪论基本知识、应用前景、发展概况激光雷达基本理论雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等激光成像雷达工作原理、设计方法、典型举例激光测风雷达工作原理、设计方法、典型举例激光差分吸收雷达工作原理、设计方法、典型举例信号处理方法微弱信号检测、数字化处理与算法数据处理方法数据反演、显示学时安排：20，1~5周一、基本知识一基本知识激光雷达的概念及内涵“雷达”(RADAR-RadioDetectionAndRanging)。传统的雷达是以微

2、波和毫米波作为载波的雷达，大约出现1935年左右。最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967年美国国际电话和电报公司提出的，主要用于航天飞行器交会对接，并研制出原理样机;1978年美国国家航天局马歇尔航天中心研制成CO2相干激光雷达.激光雷达(LADAR-LaserDetectionAndRanging)是以激光作为载波的雷达，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的雷达。一基本知识早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-LightDetectionAndRanging)，这里所谓的光实际上是指激光。现在，普遍采用LADAR这

3、个术语，以区别于原始而低级的LIDAR。以后世界上陆续提出并实现：激光多普勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。一基本知识激光雷达与微波雷达的异同激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它是在微波雷达技术基础上发展起来的，两者在工作原理和结构上有许多相似之处工作频率由无线电频段改变成了光频段，雷达具体结构、目标和背景特性上发生了变化。微波天线由光学望远镜代替；接收通道中微波雷达可以直接用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处理，激光雷达则必须用

4、光电探测器将光频信号转换成电信号后进行处理。信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。雷达种类宏观评价综合性能微波雷达毫米波雷达激光雷达跟踪测量精度下中上作用距离上中下目标搜索和捕获能力上中下目标识别能力下中上全天候工作能力上中下抗电子干扰能力下中上抗反辐射导弹能力下中上抗隐身目标能力下中上低仰角跟踪能力下中上低截获概率能力下中上多目标探测和跟踪能力上中下技术成熟程度上中下表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较一基本知识一基本知识激光雷达的优点工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。激光作为雷达辐射源探测运动

5、目标时多普勒频率非常高，因而速度分辨率极高。工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达厘米量级）测距。一基本知识能量高度集中。用很小的准直孔径（10cm左右）即可获得很高的天线增益和极窄的波束（1mrad左右），而且无旁瓣，因而可实现高精度测角（优于0.1mrad）、单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像，且不易被敌方截获，自身隐蔽性强。单色性和相干性好。气体激光器的谱线宽度可达10-3~10-4nm，而且频率稳定度能做

6、得很高，可实现高灵敏度外差接收。一基本知识激光雷达的基本构成激光器。激光器是激光雷达的核心器件。激光器种类很多，性能各异，究竟选择哪种激光器作为雷达辐射源，往往要对各种因素加以综合考虑，其中包括：波长、大气传输特性、功率、信号形式、功率要求、平台限制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等。从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。一基本知识光电探测器。适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电二极管、硅雪崩二极管

7、(SiAPD)、光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器光学天线透射式望远镜（开普勒、伽利略）反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）收发合置光学天线收发分置光学天线自由空间光路全光纤光路波片（四分之一、二分之一）分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片一基本知识光学扫描器。多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的转动来扫描，优点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；检流计式振镜扫描器，扫描角15；声子偏转器，利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描角不大，一般在3左右压电扫描器，利用逆压电效应产

8、生摆动的新型扫描器；全息光栅扫描器。光学相位扫描MEMS扫描器一基本知识激光雷达的基本体制同微波雷达一样，可以依据信号形式、探测方式和测量原理等对激光雷达体制进行分类。按不同信号形式:①脉冲②连续波③每一类中又有