激光雷达原理课件.ppt

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1、激光雷达技术（2）激光雷达原理一、激光雷达方程激光雷达原理相干激光雷达信号的幅度和位相非相干激光雷达信号的幅度激光雷达方程物理过程激光雷达方程描述激光发射和接收的物理光学过程它包括以下四个环节：激光到目标的传输；目标对激光的反射；散射光到探测器的传输；接收机对散射光的收集。光反射角及光束形成示意图激光雷达方程一般形式激光雷达接收的信号功率等于:发射激光功率分布与目标后向散射系数的卷积,再考虑光学天线、大气传输衰减等因素。激光雷达方程一般形式可用下式描述：激光雷达

2、方程一般形式激光发射功率归一化函数探测目标后向散射函数：接收信号光能量：接收信号光光子数：其它参量定义：Ar—光学天线有效接收孔径；R—激光雷达作用距离；or—接收光学系统效率；t—发射光学系统效率；T2—双程大气透过率激光束的物理描述激光束归一化函数：在激光雷达设计和分析中，经常遇到三种典型的光束形状：高斯光束爱里光束均匀光束（平面波）。wO-高斯光束的束腰半径;wZ-高斯光束模场半径；z-高斯光束波前距束腰距离R(z)-高斯光束波前曲率半径UG-高斯光束振幅分布函数激光束的

3、物理描述-光波波长；F-光学天线的有效焦距；D-光学天线的有效孔径；F-光学天线系统的“F”数,F=(f/d)；J1()-第一类贝塞尔函数,=(r/F)；UA(r)-爱里斑振幅分布函数；R-光束横截面积的极坐标（圆对称性）；R0-光电探测器光敏面半径；UP(r)-均匀光束振幅分布函数；I0-常数因子光束宽度是对发射激光束轮廓角度展幅的度量。束宽由光束内光强下降到波束峰值光强所指定百分比的位置决定，或由内接收功率达到发射总功率所指定百分比时的角弦来决定。习惯上使用半宽度代替整个束宽。当发射光束均匀

4、照明一个圆形输出孔径时，衍射极限的束宽为高斯光束的有效束宽定义为e-2(0.1359)峰值功率处的整个宽度。衍射极限发射光束的有效束宽为激光束的物理描述激光束的物理描述在远场，即时，高斯光束的束宽可以近似爱里斑的宽度定义为：第一个暗环（第一个最小值）的角弦，光束质量一般定义为M实际发射机束宽(rad);T理论衍射极限发射机束宽(rad)均匀照明时非衍射极限波的发射束宽为高斯分布的非衍射极限波的发射束宽为：不同目标的激光雷达距离方程短脉冲/扩展目标：与发

5、射能量和(D/R)2成比例未截断零深度硬目标：与发射能量和(D/R)2成比例截断零深度硬目标：与发射能量、(D/R)4和(1/2)成比例在小角近似情况，激光雷达方程可以表示为：在z处散射系数激光雷达作用距离激光脉冲发射到接收信号回波的时间180后向散射分布函数激光器发射功率发射激光脉冲宽度光电探测器光敏面半径激光发射束散角接收光学系统视场角激光发射时或在处归一化振幅后向散射激光雷达方程在考虑高斯光束情况下，即：后向散射激光雷达方程二、直接探测理论光电探测器的平方律特性假定入

6、射的光辐射电场为偏振方向上的单位矢量，是入射光辐射电场振幅，是入射光的角频率。根据波印亭法则，光辐射场平均功率：式中：S为光探测器光敏面积。光探测器输出的光电流为：若光探测器的负载电阻RL，则光探测器输出的电功率为：光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方直接探测理论直接探测系统的信噪比设入射到光电探测器的信号光功率为Ps,噪声功率为Pn，光电探测器输出的信号电功率为Sp，输出的噪声功率为Np，由光电探测器的平方律特性可知：考虑到信号和噪声的独立性，则有：根据信噪比的定义，则输出功率比为：直接探测理论（1）若

7、Ps/Pn<<1，则有：这说明输出信噪比近似等于输入信噪比。由此可见，直接探测系统不适于输入信噪比小于1或者微弱信号的探测。（2）若Ps/Pn>>1，则有：这时输出信噪比约等于输入信噪比的一半，即经过光-电转换后信噪比损失了3dB，在实际应用中还是可以接受的。从以上讨论可知，直接探测方法不能改善信噪比，与外差探测探测相比，这是它的弱点。但它对不是十分微弱光信号的探测则是很适宜的探测方式，因为这种方法比较简单，易于实现，可靠性高，成本低，所以得到广泛的应用。直接探测理论直接探测系统的等效噪声功率(NEP)对于具有内

8、增益的光电探测器（如光电倍增管），其输出电功率为：输出的噪声功率为：分别是信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。负载电阻的热噪声这时输出功率信噪比为：当探测系统主要为信号光所引起的散粒噪声限制（即信号噪声限）时，则直接探测理论这是理想直接探测系统所能达到的最大信噪比极限。当信噪比等于1时，则噪声等效功率为：根据每种噪声对总噪声贡献的相对大小，可得直接探测系统在以下几种噪声