第2讲激光及激光雷达系统-激光雷达系统2

第二讲第二讲激光及激光雷达系统激光及激光雷达系统1主要内容主要内容激光激光主要内容主要内容激光激光激光信号的大气衰减激光信号的大气衰减激光器激光器激光雷达系统激光雷达系统激光雷达系统能量方程激光雷达系统能量方程激光雷达系统能量方程激光雷达系统能量方程激光遥感集成系统激光遥感集成系统激光遥感集成系统激光遥感集成系统2激光雷达的产生激光雷达的产生激光雷达的产生激光雷达的产生雷达工程师努力探索更短波长的辐射源，雷达工程师努力探索更短波长的辐射源，在微波振荡器的基础上，发明了激光器，在微波振荡器的基础上，发明了激光器，在微波振荡器的基础上，发明了激光器，在微波振荡器的基础上，发明了激光器，将其与雷达技术相结合，产生了激光雷达将其与雷达技术相结合，产生了激光雷达技术技术技术技术3激光雷达的特点激光雷达的特点角分辨率较高距离和速度分辨率高距离和速度分辨率高抗干扰能力强能够与一些目标发生生化作用可以对极小的目标进行探测可以对极小的目标进行探测4激光雷达激光雷达激光雷达激光雷达微波雷达微波雷达————接收的信号大多是反射信号接收的信号大多是反射信号激光雷达激光雷达————接收的信号：接收的信号：可能是反射信号可能是反射信号能反射信号能反射信号也可能是大气散射信号也可能是大气散射信号吸收衰减信号、荧光信号等吸收衰减信号、荧光信号等吸收衰减信号、荧光信号等吸收衰减信号、荧光信号等用于不同目的的激光雷达系统用于不同目的的激光雷达系统散射型激光雷达散射型激光雷达探测大气中气溶胶或污染分探测大气中气溶胶或污染分散射型激光雷达散射型激光雷达探测大气中气溶胶或污染分探测大气中气溶胶或污染分布布吸收型激光雷达吸收型激光雷达探测大气成分臭氧或水蒸探测大气成分臭氧或水蒸吸收型激光雷达吸收型激光雷达探测大气成分，臭氧或水蒸探测大气成分，臭氧或水蒸汽汽激光荧光雷达激光荧光雷达进行植被研究或污染物测定进行植被研究或污染物测定激光荧光雷达激光荧光雷达进行植被研究或污染物测定进行植被研究或污染物测定5激光雷达的分类激光雷达的分类按照照使用用目的分类6激光雷达的分类激光雷达的分类按照相互作用检测对象举例照激光相互作用检测对象举例反射比激光波长尺寸大很多的物质地形测绘和物质很多的物质米氏散射微粒直径与激光波长相近的物质气溶胶质的相长相近的物质瑞利散射微粒直径比激光波长小很多的物质空气分子相互作长小很多的物质拉曼散射具有震动和旋转能力的分子空气分子，水蒸气，SO等污染物质作用分力的分子SO2等污染物质荧光法具有共振能级的分子和原子NO2等污染物质分类子和原子77激光雷达的分类激光雷达的分类按使用的激光器分类按使用的激光器分类按脉冲方式或连续波方式分类按脉冲方式或连续波方式分类按脉冲方式或连续波方式分类按脉冲方式或连续波方式分类按光波检测的方法的分类按光波检测的方法的分类按工作台分类按工作台分类8激光成像雷达发展激光成像雷达发展四个阶段四个阶段：：激光测距仪激光测距仪激光测距仪激光测距仪跟踪测角测距雷达跟踪测角测距雷达测速（径向横向）功能测速（径向横向）功能测速（径向、横向）功能测速（径向、横向）功能激光成像雷达激光成像雷达9激光成像雷达激光成像雷达发射激波有够高的波束质复频率只要发射激光波形具有足够高的波束质量和重复频率，接收信号达到一定的信噪比要求，均能通过波束扫描在探测器的光敏面上得到目标的图像高功率和高波束质量的激光器高功率和高波束质量的激光器测器的光敏面上得到目标的图像。高功率和高波束质量的激光器高功率和高波束质量的激光器高性能二维扫描技术高性能二维扫描技术高灵敏度接收器高灵敏度接收器高灵敏度接收器高灵敏度接收器图像处理及目标识别算法图像处理及目标识别算法10激光雷达系统激光雷达系统激光雷达系统激光雷达系统激光雷达系统原理框图激光雷达系统原理框图11激光雷达系统结构激光雷达系统结构激光雷达系统按结构分：激光雷达系统按结构分：激光雷达系统按结构分：激光雷达系统按结构分：双稳系统双稳系统单稳系统单稳系统单稳系统单稳系统双稳系统双稳系统双稳系统双稳系统发射部分和接收部分分开放置，目的是为了提高空间发射部分和接收部分分开放置，目的是为了提高空间分辨率分辨率由于目前脉宽为由于目前脉宽为nsns级的激光已达到很高空间分辨率，级的激光已达到很高空间分辨率，因此该系统已经很少被采用因此该系统已经很少被采用12单稳态系统单稳态系统发射与接收信号共用一光学子系统发射与接收信号共用一光学子系统由发送／接收由发送／接收((TT／／R)R)开关隔开开关隔开13光束整形与扫描光束整形与扫描激光器中的光学谐振腔激光器中的光学谐振腔无论是什么形状无论是什么形状,,其电磁其电磁场均具有定的振荡频场均具有定的振荡频场均具有一定的振荡频场均具有一定的振荡频率和一定的空间分布率和一定的空间分布,,被被称为腔的模式用称为腔的模式用称为腔的模式，用称为腔的模式，用TEMTEMmnmn表示表示,,m=n=0m=n=0的的模称为模称为基模基模；；基模场振幅均满足高斯基模场振幅均满足高斯分布，这时称为基模高分布，这时称为基模高斯光束斯光束斯光束；斯光束；对于激光雷达许多应用，对于激光雷达许多应用，要求将基模高斯光束整要求将基模高斯光束整要求将基模高斯光束整要求将基模高斯光束整形为柱状、具有形为柱状、具有平顶强平顶强度分布的光束度分布的光束；；14光束整形与扫描光束整形与扫描使光束强度在远场具有平顶分布的方法使光束强度在远场具有平顶分布的方法之一之一——衍射光栅衍射光栅——衍射光栅衍射光栅色色光束整形器的能量色散元件由透明二元衍射光光束整形器的能量色散元件由透明二元衍射光栅构成栅构成通过调整光栅周期和刻线相位调制深度可以通过调整光栅周期和刻线相位调制深度可以通过调整光栅周期，和刻线相位调制深度可以通过调整光栅周期，和刻线相位调制深度可以达到所要求的整形效果达到所要求的整形效果15美国麻省理工学院美国麻省理工学院研究人员以刻线数研究人员以刻线数研究人员以刻线数研究人员以刻线数N=6N=6、、相位调制深相位调制深度度==的光栅，在的光栅，在光栅周期光栅周期不同情不同情况下的远场光强分况下的远场光强分布结果图布结果图布结果图布结果图：：16激光扫描激光扫描激光扫描激光扫描激光扫描：在光束整形之后，采用某种技术使激激光扫描：在光束整形之后，采用某种技术使激束发生偏转实某域的标扫描束发生偏转实某域的标扫描光束发生偏转，实现对某区域的目标进行扫描。光束发生偏转，实现对某区域的目标进行扫描。激光扫描技术分为：激光扫描技术分为：高惯性扫描高惯性扫描机械机械技术或反射镜棱镜技术主要靠反射镜或棱镜的技术或反射镜棱镜技术主要靠反射镜或棱镜的机械机械技术或反射镜棱镜技术，主要靠反射镜或棱镜的技术或反射镜棱镜技术，主要靠反射镜或棱镜的旋转旋转实现扫描实现扫描低惯性扫描低惯性扫描低惯性扫描低惯性扫描电光棱镜的电光棱镜的梯度扫描梯度扫描振动反射镜的振动反射镜的非梯度扫描非梯度扫描振动反射镜的振动反射镜的非梯度扫描非梯度扫描增益控制或损耗控制的增益控制或损耗控制的内腔式扫描内腔式扫描17近年来二元光学或衍射光学迅速发展近年来二元光学或衍射光学迅速发展近年来，二元光学或衍射光学迅速发展近年来，二元光学或衍射光学迅速发展衍射光学元件（衍射光学元件（DOEDOE））可替代旋转平面反射镜或棱可替代旋转平面反射镜或棱镜省去了机械转动部件减少了折射元件数量镜省去了机械转动部件减少了折射元件数量镜，省去了机械转动部件，减少了折射元件数量，镜，省去了机械转动部件，减少了折射元件数量，能对任意非球面误差进行校正。能对任意非球面误差进行校正。DOEDOE物镜后的曲场扫描示意图物镜后的曲场扫描示意图DOEDOE物镜后的曲场扫描示意图物镜后的曲场扫描示意图18信号接收的探测技术信号接收的探测技术激光信号接收过程中的探测技术：激光信号接收过程中的探测技术：直接探测直接探测将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上，将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上，产生与入射光功率成正比的电压或电流产生与入射光功率成正比的电压或电流与传统的光学接收系统原理基本上相同与传统的光学接收系统原理基本上相同与传统的光学接收系统原理基本上相同与传统的光学接收系统原理基本上相同相干探测相干探测探测器接收目标回波信号和某一参考波的探测器接收目标回波信号和某一参考波的相干混合波信号，按照参考波的辐射源及相干混合波信号，按照参考波的辐射源及相干混合波信号，按照参考波的辐射源及相干混合波信号，按照参考波的辐射源及其特性的不同进行探测。其特性的不同进行探测。分为分为外差探测外差探测，，零拍探测零拍探测和和多频外差探测多频外差探测等等分为分为外差探测外差探测，，零拍探测零拍探测和和多频外差探测多频外差探测等等19激光雷达外差探测原理激光雷达外差探测原理一般一般外差探测外差探测激光雷达系统由一台连续工作的激光激光雷达系统由一台连续工作的激光器作为独立辐射源发出参考波称为器作为独立辐射源发出参考波称为本地振荡器本地振荡器器作为独立辐射源发出参考波，称为器作为独立辐射源发出参考波，称为本地振荡器本地振荡器系统接收到的回波系统接收到的回波信号与来自本地振信号与来自本地振信号与来自本地振信号与来自本地振荡器的参考信号混荡器的参考信号混合之后，由混频器合之后，由混频器合之后，由混频器合之后，由混频器输出的光束聚焦到输出的光束聚焦到探测器上然后再进探测器上然后再进探测器上然后再进探测器上然后再进行信号处理。行信号处理。20零拍探测技术零拍探测技术本地振荡信号是来自激光发射源的部分激光辐射，本地振荡信号是来自激光发射源的部分激光辐射，不需要另一个激光源。不需要另一个激光源。不需要另个激光源。不需要另个激光源。零拍激光雷达零拍激光雷达比普通外差激光雷达结构更简单，可比普通外差激光雷达结构更简单，可靠性也更好靠性也更好靠性也更好。靠性也更好。21多频外差探测多频外差探测目标与激光雷达的相对运动产生接收信号的多目标与激光雷达的相对运动产生接收信号的多目标与激光雷达的相对运动产生接收信号的多目标与激光雷达的相对运动产生接收信号的多普勒（普勒（DopplerDoppler））频移，可以提供有关目标的非频移，可以提供有关目标的非常精确的信息；常精确的信息；多频外差探测：要求接收器具有很宽的频带，多频外差探测：要求接收器具有很宽的频带，以覆盖回波信号的频率和外差探测信号频率；以覆盖回波信号的频率和外差探测信号频率；以覆盖回波信号的频率和外差探测信号频率；以覆盖回波信号的频率和外差探测信号频率；但增加带宽会提高噪声水平，降低探测概率，但增加带宽会提高噪声水平，降低探测概率，解决这一问题的办法是解决这一问题的办法是采用三频外差系统采用三频外差系统；；解决这问题的办法是解决这问题的办法是采用三频外差系统采用三频外差系统；；22三频外差探测：三频外差探测：激光发射有两个独激光发射有两个独激光发射有两个独激光发射有两个独立辐射源，两束激立辐射源，两束激光沿同一光轴向目光沿同一光轴向目光沿同光轴向目光沿同光轴向目标传播，经运动目标传播，经运动目标产生多普勒频移标产生多普勒频移后返回接收器，后返回接收器，两两个反射信号与本地个反射信号与本地振荡器信号混频振荡器信号混频振荡器信号混频振荡器信号混频，，成像在光敏探测器成像在光敏探测器上上。。上上。。23接收孔直径接收孔直径接收孔直径接收孔直径在相干探测激光雷达中在相干探测激光雷达中，系统的有效接收孔径受散斑，系统的有效接收孔径受散斑在相干探测激光雷达中在相干探测激光雷达中，系统的有效接收孔径受散斑，系统的有效接收孔径受散