⽂ | 传感器技术（WW_CGQJS）
“雷达”是⼀种利⽤电磁波探测⽬标位置的电⼦设备.电磁波其功能包括搜索⽬标和发现⽬标；测量其距离，速度,⾓位置等运动参数；测量⽬标反射率，散射截⾯和形状等特征参数。 传统的雷达是微波和毫⽶波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波.可以⽤振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。
激光雷达利⽤激光光波来完成上述任务。可以采⽤⾮相⼲的能量接收⽅式，这主要是⼀脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采⽤相⼲接收⽅式接收信号，通过后置信号处理实现探测。激光雷达和微波雷达并⽆本质区别，在原理框图上也⼗分类似，见下图 激光雷达是⼯作在光频波段的雷达。与微波雷达的原理相似，它利⽤光频波段的电磁波先向⽬标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相⽐较，从⽽获得⽬标的位置(距离、⽅位和⾼度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对⽬标的探测、跟踪和识别。
褐变度
激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调⼯作的机构组成。激光光速发散⾓⼩，能量集中，探测灵敏度和分辨率⾼。多普勒频移⼤，可以探测从低速到⾼速的⽬标。天线和系统的尺⼨可以作得很⼩。利⽤不同分⼦对特定波长得激光吸收、散射或荧光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。
激光雷达的种类
⽬前，激光雷达的种类很多，但是按照现代的激光雷达的概念，常分为以下⼏种:
按激光波段分：有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。
按激光介质分：有⽓体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和⼆极管激光泵浦固体激光雷达等。
按激光发射波形分：有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。
按显⽰⽅式分：有模拟或数字显⽰激光雷达和成像激光雷达。
按运载平台分：有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和⼿持式激光雷达等。
按功能分：有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测⾓雷达和跟踪雷达、激光成像雷达，激光⽬标指⽰器和⽣物激光雷达等。
按⽤途分：有激光测距仪、靶场激光雷达、⽕控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、⽓象激光雷达、侦毒和⼤⽓监测激光雷达等。
在具体应⽤时，激光雷达既可单独使⽤，也能够同微波雷达，可见光电视、红外电视或微光电视等成像设备组合使⽤，使得系统既能搜索到远距离⽬标，⼜能实现对⽬标的精密跟踪。
激光雷达与微波雷达⽐较
激光雷达的波长⽐微波短好⼏个数量级，⼜有更窄的波束。因此，于微波雷达相⽐，激光雷达具有如下优点：
和机器人做到哭机器打桩机1、⾓分辨率⾼，速度分辨率⾼和距离分辨率⾼。采⽤距离-多普勒成像技术可以得到运动⽬标的⾼分辨率的清晰图象。蒸汽泵零件
2、抗⼲扰能⼒强，隐蔽性好；激光不受⽆线电波⼲扰，能穿越等离⼦鞘，低仰⾓⼯作时，对地⾯多路径效率不敏感。
2、抗⼲扰能⼒强，隐蔽性好；激光不受⽆线电波⼲扰，能穿越等离⼦鞘，低仰⾓⼯作时，对地⾯多路径效率不敏感。激光束很窄，只有在被照射的那⼀点，那瞬间，才能被接收，所以激光雷达发射的激光被截获的概率很低。
3、激光雷达的波长短，可以在分⼦量级上对⽬标探测。这是微波雷达⽆能为⼒的。
4、在功能相同的情况下，⽐微波雷达体积⼩，重量轻。
当然，激光雷达也有如下缺点：
1、激光受⼤⽓及⽓象影响⼤。⼤⽓衰减和恶劣天⽓使作⽤距离降低。此外，⼤⽓湍流会降低激光雷达的测量精度。
2、激光束窄，难以搜索⽬标和捕获⽬标。⼀般先有其他设备实施⼤空域、快速粗捕⽬标，然后交由激光雷达对⽬标进⾏精密跟踪测量。
激光雷达探测原理
激光雷达最重要的性能参数是系统信噪⽐（SNR）。下图给出了激光雷达的⾮相⼲和相⼲接收机⽅框图。
背景噪声
⾮相⼲接收机除了信号光功率Ps以外，还有附加项，即背景光功率PBK。。它是由太阳光和物体的⾃
⾝辐射，物体对辐射的反射、漫反射和闪烁等引起的不必要的噪声信号在接收机⾮线性光探测器中变为电信号和被放⼤，经过匹配滤波器和其他抑制噪声的措施后，产⽣⼀个视频带宽的有效信号。
相⼲接收机中，除了激光器所发出的频率为f0的信号光外还有经过光束分束器的本振光。信号光的回波和本振光⼀同耦合到光探测。除了接收到光信号光功率PS，外本地震荡光功率PLo，它们⼀同与背景噪声项PBK相竞争，结果就压抑了噪声。 背景噪声有：
发光管上式中，ε是⽬标的辐射系数;ρ是⽬标的反射系数;T是⽬标的温度(K);Δλ是光波长范围(µm);AR是接收机探测器敏感⾯⾯积(m²);k1是太阳光通过⼤⽓的透过系数;SIRR是太阳的辐射度();IS是⼤⽓的散射系数;ηSys是系统的光学效率;ΩR是辐射体辐射的能量的⽴体⾓;σT是斯特藩-玻⽿兹曼常数。
信噪⽐的表达
式中, 是信号电流的均⽅值; 是散弹噪声电流的均⽅值; 是热噪声电流的均⽅值; 是背景噪声电流的均⽅值; 是暗电流的均⽅值；是本振电流的均⽅值。
将以上电流代⼊信噪⽐SNR⽅程可以得到⾮相⼲和相⼲激光雷达信噪⽐⽅程：
⾮相⼲激光雷达的信噪⽐SNR⽅程可以表⽰为：
相⼲激光雷达的信噪⽐SNR⽅程表⽰为：
激光雷达关键技术分析
空间扫描技术
激光雷达的空间扫描⽅法可分为⾮扫描体制和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和⼆元光学扫描等⽅式。⾮扫描成像体制采⽤多元探测器，作⽤距离较远，探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同，能够减⼩设备的体积、重量，但在我国多元传感器，尤其是⾯阵探测器很难获得，因此国内激光雷达多采⽤扫描⼯作体制。
机械扫描能够进⾏⼤视场扫描，也可以达到很⾼的扫描速率，不同的机械结构能够获得不同的扫描图样，是⽬前应⽤较多的⼀种扫描⽅式。声光扫描器采⽤声光晶体对⼊射光的偏转实现扫描，扫描速度可以很⾼，扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描⾓度很⼩，光束质量较差，耗电量⼤，声光晶体必须采⽤冷却处理，实际⼯程应⽤中将增加设备量。
⼆元光学是光学技术中的⼀个新兴的重要分⽀，它是建⽴在衍射理论、计算机辅助设计和细微加⼯技术基础上的光学领域的前沿学科之⼀。利⽤⼆元光学可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。⼀般这种扫描器由⼀对间距只有⼏微⽶的微透镜阵列组成，⼀组为正透镜，另⼀组为负透镜，准直光经过正透镜后
开始聚焦，然后通过负透镜后变为准直光。当正负透镜阵列横向相对运动时，准直光⽅向就会发⽣偏转。这种透镜阵列只需要很⼩的相对移动输出光束就会产⽣很⼤的偏转，透镜阵列越⼩，达到相同的偏转所需的相对移动就越⼩。因此，这种扫描器的扫描速率能达到很⾼。⼆元光学扫描器的缺点是扫描⾓度较⼩(⼏度)，透过率低，⽬前⼯程应⽤中还不够成熟。
激光发射机技术
⽬前，激光雷达发射机光源的选择⼟要有半导体激光器、半导体泵浦的固体激光器和⽓体激光器等。
半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn结或Pin结为⼯作物质的⼀种⼩型化激光器。半导体激光器⼯作物质有⼏⼗种，⽬前已制成激光器的半导体材料有砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)、锑化钢(InSb)、硫化镉(Cds)、碲化镉(cdTe)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)等。半导体激光器的激励⽅式主要有电注⼊式、光泵式和⾼能电⼦束激励式。绝⼤多数半导体激光器的激励⽅式是电注⼊，即给Pn结加正向电压，以使在结平⾯区域产⽣受激发射，也就是说是个正向偏置的⼆极管，因此半导体激光器⼜称为半导体激光器_极管。⾃世界上第⼀只半导体激光器在1962年问世以来，经过⼏⼗年来的研究，半导体激光器得到了惊⼈的发展，它的波长从红外到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩⼤，各项性能参数不断提⾼，输出功率由⼏毫⽡提⾼到千⽡级(阵列器件)。在某些重要的应⽤领域，过去常⽤的其他激光器已逐渐为半导体激光器所取代。
半导体泵浦固体激光器综合了半导体激光器与固体激光器的优点，具有体积⼩、重量轻、量⼦效率⾼的特点。通过泵浦激光T作物质，输出光束质量好、时间相⼲性和空间相⼲性好的泵浦光，摒弃了半导体激光器光束质量差、模式特性荠的缺点，与氙灯泵浦同体激光器相⽐具有泵浦效率⾼、T作寿命长、稳定可靠的优点。激光⼯作物质可以选择钕(Nd)、铥(Tm)、钬(Ho)、铒(Er)、镱(Yb)、锂(Li)、铬(Cr)等，获得从1．047～2．8µm的多种波。⽬前，半导体泵浦固体激光器的许多⼯程应⽤问题已经得到解决，是应⽤前景最好、发展最快的⼀种激光器。
⽓体激光器是⽬前种类较多、输出激光波长最丰富、应⽤最⼴的⼀种激光器。其特点是激光输出波长范围较宽；⽓体的光学均匀性较好，因此输出的光束质量好，其单⾊性、相⼲性和光束稳定性好。
⾼灵敏度接收机设计技术
激光雷达的接收单元由接收光学系统、光电探测器和回波检测处理电路等组成，其功能是完成信号能量汇聚、滤波、光电转变、放⼤和检测等功能。对激光雷达接收单元设计的基本要求是：⾼接收灵敏度、⾼回波探测概率和低的虚警率。在⼯程应⽤中，为提⾼激光测距机的性能⽽采⽤提⾼接收机灵敏度的技术途径，要⽐采⽤提⾼发射机输出功率的技术途径更为合理、有效。提⾼激光回波接收灵敏度的⽅法主要是接收机选⽤适当的探测⽅式和光电探测器。
探测器⾜激光接收机的核⼼部件，也是决定接收机性能的关键因素，因此，探测器的选择和合理使⽤
是激光接收机设计中的重要环节。⽬前，⽤于激光探测的探测器可分为基于外光电效应的光电倍增管和基于内光电效应的光电⼆极管及雪崩光电⼆极管等，由于雪崩光电⼆极管具有⾼的内部增益、体积⼩、可靠性好等优点，往往是⼯程应⽤中的⾸选探测器件。
激光雷达的回波信号电路主要包括放⼤电路和阈值检测电路。放⼤电路的设计要与回波信号的波形相匹配，对于不同的回波信号(如脉冲信号、连续波信号、准连续信号或调频信号等)，接收机要有与之相匹配的带宽和增益。如对于脉冲⼯作体制的激光雷达，放⼤电路要有较宽的带宽，同时还要采⽤时问增益控制技术，其放⼤器增益不是固定的，⽽是按激
作体制的激光雷达，放⼤电路要有较宽的带宽，同时还要采⽤时问增益控制技术，其放⼤器增益不是固定的，⽽是按激光雷达⽅程变化曲线设计的控制曲线，以抑制近距离后向散射，降低虚警，并使放⼤器丰要⼯作于线性放⼤区域。
阈值检测电路是⼀个脉冲峰值⽐较器，确定回波到达的判据是回波脉冲幅值超过阈值。这种⽅法的优点是简单，但存在两个主要缺点。⾸先，只要有⼀个脉冲幅值⾸先超越阂值，检测电路就会将其确定为回波，⽽不管它是同波脉冲还是杂波⼲扰脉冲，从⽽导致虚警；其次是回波脉冲幅度的变化会引起到达时间的误差，从⽽导致测距误差。在⾼精度激光测距机中，通常采⽤峰值采样保持电路和恒⽐定时电路来减⼩测时误差。
终端信息处理技术
激光雷达终端信息处理系统的任务是既要完成对各传动机构、激光器、扫描机构及各信号处理电路的同步协调与控制，⼜要对接收机送出的信号进⾏处理，获取⽬标的距离信息，对于成像激光雷达来说还要完成系统三维图像数据的录取、产⽣、处理、重构等任务。
⽬前激光雷达的终端信息处理系统设计采⽤主要采⽤⼤规模集成电路和计算机完成。其中测距单元可利⽤FPGA技术实现，在⾼精度激光雷达中还需采⽤精密测时技术。对于成像激光雷达来说，系统还需要解决图像⾏的⾮线性扫描修正、幅度／距离图像显⽰等技术。回波信号的幅度量化采⽤模拟延时线和⾼速运算放⼤器组成峰值保持器，采⽤⾼速A／D 完成幅度量化。图像数据采集由⾼速DSP完成，图像处理及三维显⽰可由⼯业控制计算机完成。
激光雷达的应⽤
激光雷达技术在城市三维建筑模型中的应⽤
“数字城市”是数字地球技术系统的重要组成部分，⽽表达城市主要物体的三维模型包括三维地形，三维建筑模型、三维管线模型。这些三维建筑模型是数字城市重要的基础信息之⼀。
星型下料阀⽽激光雷达技术可以快速完成三维空间数据采集，它的优点使它有很⼴阔的应⽤前景。机载雷达系统
的组成包括：激光扫描器、⾼精度惯性导航仪、应⽤查分技术的全球定位系统、⾼分辨率数码相机。通过这四种技术的集成可以快速的完成地⾯三维空间地理信息的采集，经过处理便可得到具有坐标信息的影像数据。利⽤激光进⾏三维建筑建模的技术。⾸先，进⾏数据预处理。就是结合IMUU记录的姿势参数、机载GPS数据、地⾯GPS观察数据、GPS偏⼼分量、扫描仪和数码相机各⾃的偏⼼分量，进⾏GPS/IMU联合解算，得到扫描仪及相机曝光坐标下的轨迹⽂件，进⽽得到外⽅为元素。其次，使⽤LIDAR数据商业处理软件将地⾯数据与⾮地⾯数据分离，⽣成DEM，在利⽤纯地表数据对影像外⽅位元素通过寻同名像点的⽅式进⾏校正快速⽣成DOM。DEM和DOM叠加在⼀起就形成了三维地形模型。最后，为了表达真实的城市⾯貌对三维建筑模型进⾏纹理贴图。纹理粘贴的⽅法常见的有⼿动粘贴和纹理映射两种。常⽤的纹理获取⽅法也有两种，第⼀种⽅法是对建筑顶部纹理采⽤航空影像，侧⾯纹理信息为⼿持相机实地拍摄。第⼆种⽅法为倾斜航空摄影。得到纹理后利⽤专业软件进⾏纹理⾯的选择、匀光处理等将反应建筑现状的影像信息映射在对应的模型上就达到了反映城市现状的⽬的。
激光雷达技术在⼤⽓环境监测中的应⽤
激光雷达由于探测波长短、波束定向性强，能量密度⾼，因此具有⾼空间分辨率、⾼的探测灵敏度、能分辨被探测物种和不存在探测盲区等优点，已经成为⽬前对⼤⽓进⾏⾼精度遥感探测的有效⼿段。利⽤激光雷达可以探测⽓溶胶、云粒⼦的分布、⼤⽓成分和风场的垂直廓线，对主要污染源可以进⾏
有效监控。
对⼤⽓污染物分布的观测。当激光雷达发出的激光与这些漂浮粒⼦发⽣作⽤时会发⽣散射，⽽且⼊射光波长与漂浮粒⼦的尺度为同⼀数量级，散射系数与波长的⼀次⽅成反⽐，⽶⽒散射激光雷达依据这⼀性质可完成⽓溶胶浓度、空间分布及能见度的测定。
差分激光雷达主要⽤于⼤⽓成分的测定。差分激光雷达的测试原理是使⽤激光雷达发出两种不等的光，其中⼀个波长调到待测物体的吸收线，⽽另⼀波长调到线上吸收系数较⼩的边翼，然后以⾼重复频率将这两种波长的光交替发射到⼤⽓中，此时激光雷达所测到的这两种波长光信号衰减差是待测对象的吸收所致，通过分析便可得到待测对象的浓度分布。
在⼤⽓中间层⾦属蒸⽓层的观测主要采⽤荧光共振散射激光雷达。其原理是利⽤Na、K、Li、Ca等⾦属原⼦作为⽰踪物开展⼤⽓动⼒学研究。由于中间层顶⼤⽓分⼦密度较低，瑞利散射信号⼗分微弱，⽽该区域内的钠⾦属原⼦层由于其共振荧光截⾯⽐瑞利散射截⾯⾼⼏个数量级，因此，利⽤钠荧光雷达研究钠层分布，进⽽研究重⼒波等有关性质更展⽰其独有的特性。
激光雷达在油⽓直接勘察中的应⽤
激光雷达在油⽓直接勘察中的应⽤
利⽤遥感直接探测油⽓上⽅的烃类⽓体的异常是⼀种直接⽽快捷的油⽓勘探⽅法。激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，将其应⽤于油类勘测已经成为可能。激光器的⼯作波长范围⼴，单⾊性好，⽽且激光是定向辐射，具有准直性，测量灵敏度⾼等优点，使其在遥感⽅⾯远优于其他传感器。
激光雷达由发射系统和接收系统两⼤部分组成。发射系统主要包括激光器和发射望远镜；接受系统主要由接收望远镜、光电倍增管和显⽰器三部分组成。激光雷达技术是根据激光光束在⼤⽓中传输时，⼤⽓中尘埃微粒和各种⽓体分⼦对激光产⽣弥散射，瑞利散射、拉曼散射和共振荧光以及共振吸收等现象，然后利⽤激光雷达接收系统收集和记录上述现象过程中所产⽣的背向散射光谱，以达到探测⼤⽓成份和浓度的⽬的。
烃类⽓体是油⽓⽥油⽓微渗漏的主要指⽰性⽓体，⽽近地表的烃类⽓体从成分上看，主要是由早期的成岩作⽤、细菌作⽤和地下热作⽤等共同作⽤的结果。共振吸收激光雷达在探测⽓体分⼦含量时⼀般都采⽤各种可调谐激光器激光雷达探测⽓体的探测灵敏度，是指激光雷达所能接收到的激光功率细微变化的能⼒。探测的距离和被测⽓体分⼦的吸收截⾯是影响探铡灵敏度的主要因素。据研究资料介绍，吸收截⾯越⼤灵敏度越⾼；⽽探测距离越⼤，灵敏度越⾼。⽽路径与灵敏度之间的关系是路径越长，⽓体分⼦对激光光束的吸收衰减也越强烈，从⽽使探测灵敏度⼤⼤提⾼。但是，由于存在着激光光斑的发散和因⼤⽓湍流引起的激光传输⽅向改变的抖动效应，将使激光的有效利⽤率减⼩，即信噪⽐下降，从⽽影响污染⽓体分⼦含量的探测精度。因此探测距离以数公⾥为宜。
利⽤激光雷达进⾏⽓象研究
激光雷达是⼀种⾮常重要的⽓象仪器，它是基于电磁能量会从⽬标反射回来的检测原理。像雷达⼀样，有关⽬标的性质、距离、⾓度等数据都可以通过光的散射给我们提供出来。其⽐雷达更为优秀的是它不仅可以在微波区域进⾏操作，⽽且可以在可见光、红外光或更短的区域进⾏操作。激光雷达是雷达在光学电磁频谱上的⼀个延拓。由激光发射机⽣成⼀个短脉冲的能量再针对⼀个⽬标发射出去。⽬标辐射出的散射波由接收光学系统收集并且集中到⼀个敏感的探测器上，它将⼊射光的能量转换成⼀个电信号，经过放⼤信号处理后再进⾏使⽤。
弹簧制作
在斯坦福研究所开发的第⼀个⽐较原始的仪器设计清楚地表明了激光雷达的应⽤，如通过⾬⽔或底层的云的结构探测云和雾层的位置，上升限度的⾼度。激光雷达回波可以清楚的从低海拔地区观察到⼀个清晰的连续⽓溶胶层，⽽这对于⾁眼来说是不可见。
SRI Mark III的激光雷达，对稀薄的卷云的检测展⽰了⼀个更⾼的⽔平。它表明⼀个很⾼的峰值功率可以穿透云层，同时形成反射。利⽤这种现象在不同海波⾼度观察时就可以证明⼏个不同层的卷云的存在。虽然⽤激光雷达性能优越，除了优化设计系统中的参数之外，许多技术被利⽤来改善的激光雷达系统的性能。例如激光器的冷却就是所有激光器必须解决的问题。激光雷达脉冲重复频率较低或泵浦阈值较低时可以采⽤空⽓制冷，⽽以更⼤的激光脉冲能量时必须采⽤制冷系统来冷却激光器。
激光雷达应⽤在汽车及交通运输领域的相关技术
⾃动泊车技术
⾃动泊车系统⼀般在汽车前后四周安装感应器，这些感应器既可以充当发送器，也可以充当接收器。它们会发送激光信号，当信号碰到车⾝周边的障碍物时会反射回来。然后，车载计算机会利⽤其接收信号所需时间确定障碍物的位置。也有部分⾃动泊车系统采⽤保险杠上安装摄像头或者雷达来检测障碍物。总的来说其原理是⼀样的，汽车会检测到已停好的车辆、停车位的⼤⼩以及与路边的距离，然后将车⼦驶⼊停车位。
其⼯作模式为如下，当汽车移动到前车旁边时，系统会给驾驶员⼀个信号，告诉他应该停车的时间。然后，驾驶员换倒挡，稍稍松开刹车，开始倒车。然后，车上的计算机系统将接管⽅向盘。计算机通过动⼒转向系统转动车轮，将汽车完全倒⼊停车位。当汽车向后倒得⾜够远时，系统会给驾驶员另⼀个信号，告诉他应该停车并换为前进挡。汽车向前移动，将车轮调整到位。最后，系统再给驾驶员⼀个信号，告诉他车⼦已停好。
ACC主动巡航技术
ACC系统包括雷达传感器、数字信号处理器和控制模块。司机设定预期车速，系统利⽤低功率雷达或
红外线光束得到前车的确切位置，如果发现前车减速或监测到新⽬标，系统就会发送执⾏信号给发动机或制动系统来降低车速，使车辆和前车保持⼀个安全的⾏驶距离。当前⽅道路没车时⼜会加速恢复到设定的车速，雷达系统会⾃动监测下⼀个⽬标。主动巡航控制系统代替司机控制车速，避免了频繁地取消和设定巡航控制，使巡航系统适合于更多的路况，为驾驶者提供了⼀种更轻松
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