激光雷达工程技术

本书系统介绍了激光雷达的工作原理、技术特点、主要技术指标、分机系统的组成与设计。本书从激光雷达系统探测体制出发，选取了五种典型应用场景中的激光雷达系统作为案例，分别介绍了其功能、性能、组成及工作原理，并选取工程实例重点介绍了系统的设计方法。本书介绍了激光雷达在工程领域的应用及最新进展，将激光雷达的工程设计方法融入其中，可为具有一定研究基础的专业技术人员提供参考，可作为科研院所、大专院校等机构中从事激光雷达研制、生产和设计的工程技术人员的专业参考资料。

目 录
第1章 绪论 001
1.1 激光雷达的特点与分类 002
1.1.1 激光雷达的特点 002
1.1.2 激光雷达的分类 003
1.2 激光雷达的发展现状 004
1.2.1 国外激光雷达的发展现状 004
1.2.2 国内激光雷达的发展现状 008
1.3 激光雷达的应用 009
1.3.1 空间探测激光雷达 009
1.3.2 交会对接激光雷达 010
1.3.3 大气探测激光雷达 010
1.3.4 测风激光雷达 010
1.3.5 导航避障激光雷达 011
1.3.6 无人驾驶车载激光雷达 012
1.3.7 水下探测机载激光系统 013
1.3.8 化学/生物战剂探测激光雷达 013
1.3.9 制导激光雷达 014
1.4 激光雷达的主要技术与性能指标 015
1.4.1 技术指标 015
1.4.2 环境适应性 015
1.4.3 安全等级 016
参考文献 017
第2章 激光雷达距离方程 020
2.1 激光雷达距离方程的基本形式 021
2.2 激光雷达距离方程的几种应用形式 022
2.2.1 小目标探测激光雷达距离方程 022
2.2.2 扩展目标探测激光雷达距离方程 022
2.2.3 线目标探测激光雷达距离方程 023
2.2.4 合作目标探测激光雷达距离方程 023
2.2.5 软目标探测激光雷达距离方程 024
2.2.6 单光子探测激光雷达距离方程 025
2.2.7 连续波激光雷达距离方程 026
2.2.8 激光雷达信噪比方程 026
2.3 激光雷达距离方程的主要影响因素 027
2.3.1 激光光束特性 027
2.3.2 目标特性 028
2.3.3 大气衰减特性 035
2.3.4 检测能力 037
参考文献 041
第3章 激光雷达发射机 042
3.1 激光雷达发射机的构成与主要功能 043
3.2 激光雷达发射机的工作原理 043
3.3 激光雷达发射机的总体设计 045
3.3.1 光束特性参数 045
3.3.2 电光效率 049
3.3.3 环境适应性 050
3.3.4 热控方式 051
3.4 常用的激光雷达光源 054
3.4.1 半导体激光器 055
3.4.2 半导体泵浦固体激光器 057
3.4.3 光纤激光器 058
3.4.4 微片级激光雷达光源 062
3.5 激光雷达发射机常用调制方法及原理 068
3.5.1 电光调制 069
3.5.2 声光调制 072
3.5.3 磁光调制 074
3.5.4 直接调制 075
3.5.5 空间光调制器 076
3.6 激光雷达发射机波形设计 076
3.6.1 振幅调制设计 077
3.6.2 频率调制设计 077
3.6.3 相位调制设计 078
3.6.4 脉冲调制设计 079
参考文献 081
第4章 激光雷达接收机 083
4.1 激光雷达接收机的构成与主要功能 084
4.2 激光雷达接收机的体制分类 084
4.2.1 直接探测接收 084
4.2.2 相干探测接收 085
4.3 激光雷达接收机的工作原理 086
4.3.1 直接探测接收机的工作原理 086
4.3.2 相干探测接收机的工作原理 087
4.4 激光雷达接收机的总体设计 091
4.4.1 探测器特性参量 091
4.4.2 接收系统的特性参量 093
4.5 激光雷达接收机的设计 096
4.5.1 直接探测接收的设计 096
4.5.2 相干探测接收的设计 101
参考文献 106
第5章 激光雷达光学系统 108
5.1 基本概念 109
5.1.1 F数或NA 109
5.1.2 视场 110
5.1.3 空间分辨率 110
5.1.4 像差评价 111
5.2 激光雷达光学系统的总体设计 111
5.3 激光雷达光学结构的基本形式 112
5.3.1 准直光学系统 112
5.3.2 半导体激光整形发射系统 113
5.3.3 变波束发射光学系统 115
5.3.4 基于单点探测器的接收光学系统 117
5.3.5 基于阵列探测器的接收光学系统 117
5.3.6 基于四象限探测器的接收光学系统 117
5.3.7 相干光体制接收光学系统 118
5.4 激光雷达光束指向控制方式 118
5.4.1 振镜扫描 119
5.4.2 快速反射镜扫描 120
5.4.3 光楔扫描 121
5.4.4 MEMS扫描 122
5.4.5 转鼓扫描 124
5.4.6 条纹管扫描 125
5.4.7 相控阵扫描 125
5.4.8 相控级联扫描 127
5.4.9 典型扫描体制的比较 128
5.5 激光雷达光学系统设计的其他内容 129
5.5.1 背景光抑制 129
5.5.2 杂散光的抑制 131
5.5.3 光学增益改变方法 132
5.5.4 瞄准望远镜 133
参考文献 133
第6章 激光雷达信息处理机 135
6.1 激光雷达信息处理机的构成与主要功能 136
6.2 激光雷达信息处理机的工作原理 137
6.2.1 测时原理 137
6.2.2 测频原理 139
6.2.3 测角原理 140
6.2.4 成像原理 140
6.2.5 强度测量原理 142
6.3 激光雷达信息处理机的设计 143
6.3.1 总体设计 143
6.3.2 方案设计 144
6.4 激光雷达信息处理机的数据处理 147
6.4.1 距离信息处理 147
6.4.2 频率信息处理 154
6.4.3 成像与显示处理 158
6.4.4 强度信息处理 159
6.5 激光雷达点云处理 160
6.5.1 点云滤波 161
6.5.2 点云分割 162
6.5.3 目标识别 163
参考文献 164
第7章 交会对接激光雷达 166
7.1 交会对接激光雷达概述 167
7.1.1 主要特点 167
7.1.2 主要应用 168
7.1.3 主要功能 169
7.1.4 主要性能指标 170
7.2 交会对接激光雷达的组成 170
7.2.1 合作目标 171
7.2.2 激光雷达主机 171
7.2.3 系统软件 176
7.3 交会对接激光雷达的工作原理 177
7.3.1 坐标系定义 178
7.3.2 跟踪测量原理 179
7.4 交会对接激光雷达的工作方式 181
7.4.1 捕获 182
7.4.2 跟踪 182
7.4.3 扫描成像 183
7.4.4 目标切换与识别 183
7.5 交会对接激光雷达的系统设计 184
7.5.1 安全性 184
7.5.2 可靠性 185
7.5.3 测量体制 188
7.5.4 扫描方式 189
7.6 交会对接激光雷达系统的校准与测试 191
7.6.1 角度与距离的校准 192
7.6.2 角度与距离的测试 193
参考文献 194
第8章 环境感知激光雷达 195
8.1 环境感知激光雷达的特点 196
8.1.1 感知对象 196
8.1.2 主要应用 196
8.1.3 主要功能 197
8.1.4 主要性能指标 198
8.2 环境感知激光雷达的组成 199
8.2.1 系统组成 199
8.2.2 激光发射系统 200
8.2.3 光学天线 200
8.2.4 多通道接收 201
8.2.5 数据采集与处理 201
8.2.6 图像处理与显示 201
8.3 环境感知激光雷达的工作方式 202
8.3.1 三维成像探测 202
8.3.2 环境信息生成 203
8.3.3 障碍物检测 204
8.3.4 安全路径规划 205
8.4 环境感知激光雷达的设计 206
8.4.1 激光波段选择 206
8.4.2 高密度成像设计 208
8.4.3 高速成像设计 209
8.4.4 抗干扰设计 211
8.5 环境感知激光雷达的数据处理 212
8.5.1 感知范围 212
8.5.2 标定 214
8.5.3 多激光雷达数据融合 216
8.5.4 目标识别 219
参考文献 220
第9章 测绘激光雷达 222
9.1 测绘激光雷达的特点 223
9.1.1 主要特点 223
9.1.2 主要应用 223
9.1.3 主要功能 224
9.1.4 主要性能 224
9.2 测绘激光雷达的组成 225
9.2.1 系统组成 225
9.2.2 三维激光扫描仪 226
9.2.3 GPS 227
9.2.4 GNSS 227
9.2.5 照相机 228
9.3 测绘激光雷达的工作原理 228
9.3.1 坐标系定义 228
9.3.2 几何模型 229
9.3.3 同步工作原理 229
9.4 测绘激光雷达的工作流程 231
9.4.1 测绘规划 231
9.4.2 多器件标定 231
9.4.3 系统标校的原理 232
9.4.4 数据采集 232
9.4.5 数据处理 233
9.5 测绘激光雷达的设计 239
9.5.1 机载测绘激光雷达的设计 239
9.5.2 车载测绘激光雷达的设计 244
9.6 测绘激光雷达的评价 247
9.6.1 高程精度的评价 247
9.6.2 平面精度的评价 247
参考文献 248
第10章 测风激光雷达 250
10.1 测风激光雷达的特点 251
10.1.1 主要特点 251
10.1.2 主要应用 252
10.1.3 主要功能 254
10.1.4 主要性能指标 255
10.2 测风激光雷达的组成 256
10.2.1 直接探测体制测风激光雷达的组成 256
10.2.2 相干探测体制测风激光雷达的组成 257
10.3 测风激光雷达的工作原理 259
10.3.1 直接探测体制测风激光雷达的工作原理 259
10.3.2 相干探测体制测风激光雷达的工作原理 263
10.4 测风激光雷达的工作方式 265
10.4.1 平面位置测量（PPI模式） 265
10.4.2 距离高度测量（RHI模式） 266
10.4.3 风廓线测量 266
10.4.4 飞机下滑道测量 267
10.5 测风激光雷达的设计 268
10.5.1 直接探测体制测风激光雷达的设计 268
10.5.2 相干探测体制测风激光雷达的设计 272
参考文献 284
第11章 化学/生物战剂探测激光雷达 285
11.1 化学/生物战剂探测装备的功能要求 286
11.2 常规的化学/生物战剂探测方法 286
11.3 化学/生物战剂探测激光雷达的工作原理和系统组成 287
11.3.1 工作原理 288
11.3.2 系统组成 292
11.4 化学/生物战剂探测激光雷达的主要分系统 294
11.4.1 激光器 294
11.4.2 光学系统 298
11.4.3 激光探测接收 301
11.4.4 数据处理与战剂识别 304
11.5 化学/生物战剂探测激光雷达的指标体系和主要指标论证 305
11.5.1 总体指标 306
11.5.2 分系统指标 306
11.5.3 主要参数选择 308
11.5.4 主要指标论证 313
11.6 化学/生物战剂探测激光雷达的应用系统研制 313
11.7 化学/生物战剂探测激光雷达的发展方向 316
参考文献 317
第12章 激光雷达的发展趋势 319
12.1 引言 320
12.2 量子激光雷达 321
12.2.1 量子激光雷达的概念 321
12.2.2 量子激光雷达的分类 322
12.2.3 研究方向 322
12.3 片上激光雷达 323
12.3.1 片上激光雷达的概念 323
12.3.2 片上激光雷达的分类 323
12.3.3 研究方向 324
参考文献 325