激光雷達工程技術(shù)

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(fā)展現(xiàn)狀 004
1.2.1 國外激光雷達的發(fā)展現(xiàn)狀 004
1.2.2 國內(nèi)激光雷達的發(fā)展現(xiàn)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(tǒng) 013
1.3.8 化學/生物戰(zhàn)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(shù)與性能指標 015
1.4.1 技術(shù)指標 015
1.4.2 環(huán)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(xù)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(fā)射機 042
3.1 激光雷達發(fā)射機的構(gòu)成與主要功能 043
3.2 激光雷達發(fā)射機的工作原理 043
3.3 激光雷達發(fā)射機的總體設(shè)計 045
3.3.1 光束特性參數(shù) 045
3.3.2 電光效率 049
3.3.3 環(huán)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(fā)射機常用調(diào)制方法及原理 068
3.5.1 電光調(diào)制 069
3.5.2 聲光調(diào)制 072
3.5.3 磁光調(diào)制 074
3.5.4 直接調(diào)制 075
3.5.5 空間光調(diào)制器 076
3.6 激光雷達發(fā)射機波形設(shè)計 076
3.6.1 振幅調(diào)制設(shè)計 077
3.6.2 頻率調(diào)制設(shè)計 077
3.6.3 相位調(diào)制設(shè)計 078
3.6.4 脈沖調(diào)制設(shè)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(gòu)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 相干探測接收 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 相干探測接收機的工作原理 087
4.4 激光雷達接收機的總體設(shè)計 091
4.4.1 探測器特性參量 091
4.4.2 接收系統(tǒng)的特性參量 093
4.5 激光雷達接收機的設(shè)計 096
4.5.1 直接探測接收的設(shè)計 096
4.5.2 相干探測接收的設(shè)計 101
參考文獻 106
第5章 激光雷達光學系統(tǒng) 108
5.1 基本概念 109
5.1.1 F數(shù)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(tǒng)的總體設(shè)計 111
5.3 激光雷達光學結(jié)構(gòu)的基本形式 112
5.3.1 準直光學系統(tǒng) 112
5.3.2 半導體激光整形發(fā)射系統(tǒng) 113
5.3.3 變波束發(fā)射光學系統(tǒng) 115
5.3.4 基于單點探測器的接收光學系統(tǒng) 117
5.3.5 基于陣列探測器的接收光學系統(tǒng) 117
5.3.6 基于四象限探測器的接收光學系統(tǒng) 117
5.3.7 相干光體制接收光學系統(tǒng) 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(zhuǎn)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(lián)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(tǒng)設(shè)計的其他內(nèi)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(gòu)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(shè)計 143
6.3.1 總體設(shè)計 143
6.3.2 方案設(shè)計 144
6.4 激光雷達信息處理機的數(shù)據(jù)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 激光雷達點云處理 160
6.5.1 點云濾波 161
6.5.2 點云分割 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(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)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(huán)境感知激光雷達 195
8.1 環(huán)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(huán)境感知激光雷達的組成 199
8.2.1 系統(tǒng)組成 199
8.2.2 激光發(fā)射系統(tǒng) 200
8.2.3 光學天線 200
8.2.4 多通道接收 201
8.2.5 數(shù)據(jù)采集與處理 201
8.2.6 圖像處理與顯示 201
8.3 環(huán)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(huán)境信息生成 203
8.3.3 障礙物檢測 204
8.3.4 安全路徑規(guī)劃 205
8.4 環(huán)境感知激光雷達的設(shè)計 206
8.4.1 激光波段選擇 206
8.4.2 高密度成像設(shè)計 208
8.4.3 高速成像設(shè)計 209
8.4.4 抗干擾設(shè)計 211
8.5 環(huán)境感知激光雷達的數(shù)據(jù)處理 212
8.5.1 感知范圍 212
8.5.2 標定 214
8.5.3 多激光雷達數(shù)據(jù)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(tǒng)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(guī)劃 231
9.4.2 多器件標定 231
9.4.3 系統(tǒng)標校的原理 232
9.4.4 數(shù)據(jù)采集 232
9.4.5 數(shù)據(jù)處理 233
9.5 測繪激光雷達的設(shè)計 239
9.5.1 機載測繪激光雷達的設(shè)計 239
9.5.2 車載測繪激光雷達的設(shè)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 相干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 相干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(shè)計 268
10.5.1 直接探測體制測風激光雷達的設(shè)計 268
10.5.2 相干探測體制測風激光雷達的設(shè)計 272
參考文獻 284
第11章 化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達 285
11.1 化學/生物戰(zhàn)劑探測裝備的功能要求 286
11.2 常規(guī)的化學/生物戰(zhàn)劑探測方法 286
11.3 化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達的工作原理和系統(tǒng)組成 287
11.3.1 工作原理 288
11.3.2 系統(tǒng)組成 292
11.4 化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達的主要分系統(tǒng) 294
11.4.1 激光器 294
11.4.2 光學系統(tǒng) 298
11.4.3 激光探測接收 301
11.4.4 數(shù)據(jù)處理與戰(zhàn)劑識別 304
11.5 化學/生物戰(zhàn)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(tǒng)指標 306
11.5.3 主要參數(shù)選擇 308
11.5.4 主要指標論證 313
11.6 化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達的應用系統(tǒng)研制 313
11.7 化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達的發(fā)展方向 316
參考文獻 317
第12章 激光雷達的發(fā)展趨勢 319
12.1 引言 320
1