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激光雷达的工作原理?

归档日期:08-26       文本归类:激光雷达      文章编辑:爱尚语录

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  激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别,即由雷达发射系统发送一个信号,打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上,引起散射,经目标反射后被接收系统收集,通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。

  至于目标的径向速度,可以由反射光的多普勒频移来确定,也可以测量两个或多个距离,并计算其变化率而求得速度,这也是直接探测型雷达的基本工作原理。

  激光雷达的作用就是精确测量目标的位置(距离与角度)、形状(大小)及状态(速度、姿态),从而达到探测、识别、跟踪目标的目的。

  激光雷达是一种雷达系统,是一种主动传感器,所形成的数据是点云形式。其工作光谱段在红外到紫外之间,主要发射机、接收机、测量控制和电源组成。

  2、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。

  3、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。

  5、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。

  6、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。

  7、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。

  激光雷达的工作原理与雷达非常相近,以激光作为信号源,由激光器发射出的脉冲激光,打到地面的树木,道路,桥梁和建筑物上引起散射,一部分光波会反射到激光雷达的接收器上,根据激光测距原理计算,就得到从激光雷达到目标点的距离。

  脉冲激光不断地扫描目标物,就可以得到目标物上全部目标点的数据,用此数据进行成像处理后,就可得到精确的三维立体图像。也可以测量两个或多个距离,并计算其变化率而求得速度,这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。

  LiDAR系统一般包括;激光源或其它发射器,灵敏的光电探测器或其它接收器,同步和数据处理电子系统,运动控制设备或微机电系统(MEMS)扫描镜(二选一)。均是基于精确的激光扫描组件并可用于创建3D地图或收集近距离数据。

  民用和商业应用中,保证用眼安全的激光器在高性能紧凑型LiDAR中越来越受欢迎。在用眼安全的波长范围内,当在地形测绘和避障中探测固体时,通常需要约红外激光器发射1.5 m的波长。

  激光雷达按照机械结构可以分为两种,一种是机械激光雷达,一种是固态激光雷达。机械激光雷达外表上最大的特点就是有机械旋转机构,也就是自己会转,固态激光雷达其实还可以细分为OPA,MEMS,Flash三种线路,固态激光雷达结构上最大的特点就是没有了旋转部件,个头相对较小。

  激光雷达几个重要的参数分别为测量距离、角视场、测量精度、测量速率。角视场一般有垂直角视场和水平角视场,角视场决定了“眼睛”的视野有多大。测量精度意味着“眼睛”能看得多清楚,这个精度“够用”就行,并不需要将地上的沙子、石子也看清。

  角分辨率,角分辨率越小相对精度越高,举个例子,一个角分辨率为 0.4 度的 64 线 条线的数据,一个角分辨率为 0.33 度的 40 线激光雷达,同样的物体可以获得 6 条线的数据。

  机械式激光雷达将激光线束竖向排列形成一个面,通过械旋转部件转动这个面,扫描周围环境即可呈现出三维立体图形。我们常说的 16 线 线就是竖向排列线束的数量,数量越多,密度则越大,精度相对就越高,但计算机需要处理的信息量也随着增大。

  因为机械式激光雷达是旋转的,所以水平视角有 360 度,能将周围一圈都看清楚,旋转速度也影响着扫描频率。机械激光雷达个头较大,又有机械旋转部件,所以并不能与我们常见汽车的造型完美融合,只能突兀地放在车顶,看起来并没有未来的感觉。

  固态激光雷达因为没有旋转机构,所以水平视角非常有限,需要在不同方向布置多个固态激光雷达,优点是响应速度快,精度较高,而且个头相对较小,便于藏在车身内。

  激光雷达探测大气的基本原理即是上述几种激光与大气相互作用的机制。激光器产生的激光束经光束准直(有的情况下需要扩束)后发射到大气中,激光在大气中传输遇到空气分子、气溶胶等成分便会发生散射、吸收等作用。散射中的小部分能量——后向散射光落入接收望远镜视场被接收。被接收到的后向散射光传输到光电探测器(通常为PMT)被转换成电信号(一般为电流信号),实现光-电转换,再经一系列的运算放大,最终被显示、记录。对于不同高度的信号,利用激光信号传输时间间隔来记录,光速c已知,便可换算成距离:。如果接收到的是回波点数,乘以系统距离分辨率即得高度。这样就获得了激光雷达P-z数据,利用激光雷达方程结合相关算法便可反演出相关大气特性,如大气垂直消光廓线、气体浓度、成分以及温度廓线等。

  展开全部激光雷达是以激光为光源,通过探测激光与被探测无相互作用的光波信号来遥感测量的.使用振动拉曼技术进行测量的激光雷达技术即为拉曼激光雷达,主要用于大气遥感测量。拉曼激光雷达属于遥感技术的一种。激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近50 年的历史,目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、军事等领域。其中,传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、全球气候预测、海洋环境监测等。随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展,激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。

  激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲,与微波雷达没有根本的区别:向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。 根据探测技术的不同,激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。而按照不同功能,则可分为跟踪雷达、运动目标指示雷达、流速测量雷达、风剪切探测雷达、目标识别雷达、成像雷达及振动传感雷达。

  激光雷达与无线电雷达的工作原理基本相同,且依赖于所采用的探测技术。其中直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时,由发射系统发送一个信号,经目标反射后被接收系统收集,通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度,则可以由反射光的多普勒频移来确定,也可以测量两个或多个距离,并计算其变化率而求得速度。

  相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分,在所谓单稳系统中,发送与接收信号共用一个光学孔径,并由发送-接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径,分别供发送与接收信号使用,发送-接收开关自然不再需要,其余部分与单稳系统相同。

  激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物 。由发射机 、天线 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器,如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等;天线是光学望远镜;接收机采用各种形式的光电探测器,如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式,探测方法分直接探测与外差探测。

  气象雷达是专门用于大气探测的雷达。属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达,只是一种对位移气球定位的专门设备,一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统(如台风和暴雨云系)的主要探测工具之一工作在30~3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1~100公里,所以又称为中层-平流层-对流层雷达 (MST radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度等大气动力学参数的铅直分布

  美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似,即侧重于对目标的监视、捕获、跟踪、毁伤评(SATKA)和导航。然而,由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导航任务,因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上,例如高精度毁伤评估,极精确的导航修正及高分辨率成像。军事上常常希望飞机低空飞行,但飞机飞行的最低高度受到机上传感器探测小型障碍物能力的限制。且不说阻塞气球线米以下,各种动力线,高压线铁塔,桅杆、天线拉线这样的小障碍物也有明显的危险性。现有的飞机传感器,从人眼到雷达,均难以事先发现这些危险物,这种情况,在夜间和恶劣天气条件下尤其突出。而扫描型激光雷达因其具有高的角分辨率,故能实时形成这些障碍物有效的影像,提供适当的预警。

  激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量 。如对导弹和火箭初始段的跟踪与测量,对飞机和巡航导弹的低仰角跟踪测量 ,对卫星的精密定轨等 。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合,组成地面、舰载和机载的火力控制系统,对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息,有利于识别隐身目标。激光 雷达可以对大气进行监测 ,遥测大气中的污染和毒剂,还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。

  海用激光雷达对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪的传统方式,是采用体大而重的一般在600千克至几十吨重的声纳。自从发展了海洋激光雷达,即机载蓝绿激光器发射和接收设备后,海洋水下目标探测既简单方便,又准确无误。尤其是20世纪90 年代以后研制成功的第三代激光雷达上,增加了GPS定位、定高功能,实现了航线和高度的自动控制。如美国诺斯罗普公司研制的“ALARMS”机载水雷探测激光雷达,可24小时工作,能准确测得水下水雷等可疑目标。美国卡曼航天公司研制的水下成像激光雷达,更具优势,可以显示水下目标的形状等特征,准确捕获目标,以便采取应急措施,确保航行安全。

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