激光准直技术在工业生产生活中的应用 摘要： 激光由于具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特点，在工程、医疗等方面得到了广泛的应用。因此，对激光准直技术的研究具有重要意义与广泛的前景。这里就激光准直技术的工作原理及其在基本建设工程施工测量中的应用做简单介绍。 关键词：激光、准直仪、准直基线 1、引言 随着世界工业技术的迅猛发展,对各项几何参数的测量精度要求越来越高。直线度测量是集合计量领域里最基本的计量项目之一，直接影响仪器精度、性能、质量，也是机械加工中常见又重要的测量项目。在精密仪器制造与检测、大尺寸测量、大型仪器安装与定位、军工产品制造等领域中有着广泛应用。 2、原理 激光准直的原理如图1所示，由激光器L发出一束单横模的激光（一般为可见光，通常采用氦氖激光器的0.633μm波长的光），利用倒置的望远镜系统S，将光束形成直径很细的（约为几毫米）的平行光束，或者将光束在不同距离上聚焦成圆形小光斑。此平行光束中心的轨迹为一条直线，即可作为准直和测量的基准线。在需要准直的位置处用光电探测器接受准直光束。该光电探测器为四象限光电探测器D（即由4块光电池组成），激光束照射到光电探测器上时，每块光电池会产生电压V1，V2，V3，V4。当激光束中心照射在光电探测器中心处，由于4块光电池收到相同的光能量，产生的电压值相等；而当激光束中心偏离光电探测器中心时，将有偏差电压信号Vx和Vy；Vx= V1 -V3，Vy= V2 - V4 由此偏差电压即可知道接收点位置的偏移大小和方向。 图1 激光准直仪结构图 按检测原理激光准直技术大致可分为三个类型：
（一）振幅(光强)测量型 由于激光漂移、光线弯曲、大气扰动以及光束横截面内光强分布的不对称性的影响，直接利用激光本身作准直基线，稳定性最好也只能达到10?5量级。为提高准直精度，必须有效地克服上述影响，于是出现了多种设计方案。 1、菲涅尔波带片法 激光束通过Fresnel波带片形成十字形的能量分布。以十字线的中心作为准直基线，来克服光强分布不对称的影响，但因为波带片有确定的焦距，不可能在很长距离上都得到清晰的十字像。 图2 菲涅耳波带片成像原理 2、相位板法 采用二维非对称位相板，它的四个象限上每两个相邻的象限具有二相位差，所形成的直边衍射图是亮背景上的一个暗十字。这种方法很适合于对中控制，但由于衍射的作用，测量范围不可能太大。 图3 位相板准直系统 3、双光束准直法 两光束是由一个空间棱镜分出的。当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜之后的两光束漂移方向相反。采用两光束的平分线作为准直基线可以克服激光器的漂移影响，但该系统对双光束的平行性要求较高，在长距离范围内不易实现。
来自CSK的低成本3D scanner。Very Impressive！ 在开始介绍原理前，先给出一些扫描得到的3D模型以及演示视频，给大家一个直观的认识。视频链接 相关的图片： 扫描得到的房间一角(点击查看原始尺寸) 扫描的我(点击查看原始尺寸)
扫描仪实物 本文结构 1. 简单介绍了激光雷达产品的现状 2. 激光三角测距原理 3. 线状激光进行截面测距原理 4. 3D激光扫描仪的制作考虑 5. 参考文献 简介-激光扫描仪/雷达 这里所说的激光扫描测距仪的实质就是3D激光雷达。如上面视频中展现的那样，扫描仪可以获取各转角情况下目标物体扫描截面到扫描仪的距离，由于这类数据在可视化后看起来像是由很多小点组成的云团，因此常被称之为：点云(Point Clould)。 在获得扫描的点云后，可以在计算机中重现扫描物体/场景的三维信息。 这类设备往往用于如下几个方面： 1) 机器人定位导航 目前机器人的SLAM算法中最理想的设备仍旧是激光雷达(虽然目前可以使用kinect，但他无法再室外使用且精度相对较低)。机器人通过激光扫描得到的所处环境的2D/3D点云，从而可以进行诸如SLAM 等定位算法。确定自身在环境当中的位置以及同时创建出所处环境的地图。这也是我制作他的主要目的之一。 2) 零部件和物体的3D模型重建
3) 地图测绘 现状 目前市面上单点的激光测距仪已经比较常见，并且价格也相对低廉。但是它只能测量目标上特定点的距离。当然，如果将这类测距仪安装在一个旋转平台上，旋转扫描一周，就变成了2D激光雷达（LIDAR）。相比激光测距仪，市面上激光雷达产品的价格就要高许多： 图片: Hokuyo 2D激光雷达 上图为Hokuyo这家公司生产的2D激光雷达产品，这类产品的售价都是上万元的水平。其昂贵的原因之一在于他们往往采用了高速的光学振镜进行大角度范围(180-270)的激光扫描，并且测距使用了计算发射/反射激光束相位差的手段进行。当然他们的性能也是很强的，一 般扫描的频率都在10Hz以上，精度也在几个毫米的级别。 2D激光雷达使用单束点状激光进行扫描，因此只能采集一个截面的距离信息。如果要测量3D的数据，就需要使用如下2种方式进行扩充： 1. 采用线状激光器 2. 使用一个2D激光雷达扫描，同时在另一个轴进行旋转。从而扫描出3D信息。 第一种方式是改变激光器的输出模式，由原先的一个点变成一条线型光。扫描仪通过测量这束线型光在待测目标物体上的反射从而一次性获得一个扫描截面的数据。这样做的好处是扫描速度可以很快，精度也比较高。但缺点是由于激光变成了一条线段，其亮度(强度)将随着距离大幅衰减，因此测距范围很有限。对于近距离(<10m)的测距扫描而言，这种方式还是 很有效并且极具性价比的，本文介绍的激光雷达也使用这种方式，
激光准直仪操作规程 激光准直测量系统由半导体激光器、光学分光及转向系统、光电接收系统及液晶显示模块组成。激光光束经转向系统后出射两条相互平行的基准光束,作为导轨的安装检测基准。该系统利用二维PSD作为光电接收器件,采用液晶显示模块显示导轨偏差,可快速、直接、准确地测量导轨安装的偏移量,从而提高导轨安装的精度和速度。实验结果显示测量系统在X,Y方向上的标准偏差分别为： 0.002mm,0.005mm。 1、主要参数 序号项目单位指标 1 工作范围m 2-50 2 激光光轴与主机机械轴的同轴 度 mm ±0.05+0.002L 3 激光光轴漂移量mm/h 0.005 4 激光波长nm 635 5 电源电压V 3 6 系统准备时间min 15 7 环境温度℃5-40 8 环境湿度% ≤90 2、主机由半导体激光器、空间位相调制器、壳体、底座、和电源所组成。 3、激光准直仪的特点与工作原理 1）仪器的特点是采用了空间位相调制器。激光束在任意测距上，其横截面均为一组良好的、红黑反差很大的同心圆环，中心光斑亮且小，利于定位。而且在不同测距进行测量时是不用调焦的，实现了无调焦运行差。 中心光斑直径随着工作距离的增大而增大，符合下列参数: L=2.5米时?0.1mm L=20米时?1.2mm L=50米时?2.5mm 2）将仪器固定在主机的回转轴上后用百分表测量仪器端部的测环在盘车处于不同位置时的差值，通过调整仪器底座上的调整螺钉，使其差值越来越小，只要主机轴系配合良好，可以调至±0.02~0.03mm。然后利用置于远离主机15米左右的平面反射镜，将仪器射出的激光束反射至位于仪器附近的测微光靶。在主机盘车时调整仪器壳体上的四只调整螺钉，（必要时适当调整反射镜的角度），使反射回来的激光束画的圆的半径越来越小，最后调至±0.1mm以内为止，此时应再次检查盘车360°时，百分表所显示波动值的范围和测微光靶的测量差值，准确无误时即可用此光轴代替主机的机械轴。
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 引言 (1) 1雷达与激光雷达系统 (2) 2激光雷达测距方程研究 (3) 2.1测距方程公式 (3) 2.2发射器特性 (4) 2.3大气传输 (5) 2.4激光目标截面 (5) 2.5接收器特性 (6) 2.6噪声中信号探测 (6) 3伪随机m序列在激光测距雷达中的应用 (7) 3.1测距原理 (7) 3.2 m序列相关积累增益 (8) 3.3 m序列测距精度 (8) 4脉冲激光测距机测距误差的理论分析 (9) 4.1脉冲激光测距机原理 (9) 4.2 测距误差简要分析 (10) 5激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用 (10) 6结束语 (11) 致谢 (12) 参考文献 (12) -
激光雷达测距原理与其应用 摘要:本文简单介绍激光雷达系统组成，激光雷达系统与普通雷达系统性能的对比，着重阐述激光雷达测距方程的研究。针对激光远程测距中的微弱信号检测，介绍一种基于m序列的激光测距方法，给出了基于高速数字信号处理器的激光测距雷达数字信号处理系统的实现方案，并理论分析了脉冲激光测距机的测距误差。了解并学习激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用。 关键词：激光雷达；发射器和接收器特性; 伪随机序列; 脉冲激光；测距误差 Applications and Principles of laser radar ranging Student majoring in Optical Information Science and Technology Ren xiaonan Tutor Shang lianju Abstract:This paper briefly describes the composition of laser radar systems, laser radar system and radar system performance comparison of normal, focusing on the laser radar range equation. Laser Ranging for remote signal detection, presents a introduction of a sequence based on laser ranging method m, gives the high-speed digital signal processor-based laser ranging radar digital signal processing system implementations, and theoretical analysis of the pulse Laser rangefinder range error.We understand and learn application of Laser radar in the mobile robot and other aspects. Key words：Laser radar; Transmitter and receiver characteristics；Pseudo-random sequence；Pulsed laser；Ranging error. 引言：激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，激光具有亮度 高、单色性好、射束窄等优点,成为光雷达的理想光源,因而它是目前激光应用主要的研究领域之一。激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。利用激光作为遥感设备可追溯到30多年以前，从20世纪60年代到70年代，人们进行了多项试验，结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距。激光雷达测量技术是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用.LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称，通常指机载对地激光测距技术，对地激光测距的主要目标是获取地质、地形、地貌以及土地利用状况等地表信息。相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。随着LIDAR传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR数据将提供更为丰富的地表和地物信息。激光测距可分为星载(卫星搭载)、机载(飞机搭载)、车载(汽车搭载)以及定位(定点测量)四大类，目前激光测距仪已投入使用,激光雷达正处在试验阶段,某些激光雷达已付诸实
Li-Air无人机激光雷达扫描系统 Li-Air无人机激光雷达扫描系统可以实时、动态、大量采集空间点云信息。根据用户不同应用需求可以选择多旋翼无人机、无人直升机和固定翼无人机平台，可快速获取高密度、高精度的激光雷达点云数据。 硬件设备 Li-Air无人机激光雷达系统可搭载多种类型扫描仪，包括Riegl, Optech, MDL, Velodyne等，同时集成GPS、IMU和自主研发的控制平台。 图1扫描仪、GPS、IMU、控制平台 无人机激光雷达扫描系统设备参数见表格1： 表格 1 Li-Air无人机激光雷达扫描系统 图2 八旋翼无人机激光雷达系统图3 固定翼无人机激光雷达系统 设备检校
公司提供完善的设备检较系统，在设备使用过程中，定期对系统的各个组件进行重新标定，以保证所采集数据的精度。 图1扫描仪检校前（左）扫描仪检校后（中）检校前后叠加图（右） 图4（左）为检校前扫描线：不连续且有异常抖动；图4（中）为检校后扫描线：数据连续且平滑变化；图4（右）为检校前后叠加图，红线标记的部分检校效果对比明显。 图5从左至右依次为校正前（侧视图）、校正后（侧视图）、叠加效果图图5（左）为检校前扫描线：不在同一平面；图4（中）为检校后扫描线：在同一平面；图4（右）为检校前后叠加图。 成熟的飞控团队 公司拥有成熟的软硬件团队以及经验丰富的飞控手，保证数据质量以及设备的安全性，大大节约了外业成本和时间。
图6无人机激光雷达系统以及影像系统 完善的数据预处理软件 公司自主研发的无人机系统配备有成套的激光雷达数据预处理软件Li-Air，该软件可对无人机实时传回的激光雷达数据进行航迹解算、数据生成、可视化等。 图7 Li-Air数据预处理功能 成功案例 2014年7月，本公司利用Li-Air无人机激光雷达扫描系统进行中关村软件园园区扫描项目，采集园区高清点云以及影像数据。飞行高度200m，点云密度约50点/平方米，影像地面分辨率为5cm。通过POS数据解算，完成对点云和影像数据的整合，得到地形信息和DOM等。
激光加工机的光学系统--激光束传输.聚焦和观察系统
激光基础知识 1.1 激光的产生 三要素：1.具有亚稳态能级的激活介质——激光工作物质； 2.能量泵浦源——提供能量以实现粒子数反转； 3.激光谐振腔——多次光放大维持激光振荡；
1.2 激光光束的特性 1）高光亮度——激光束发散角很小，光能量集中，光强度很高例如：太阳光亮度 3 x 102 W / (cm2.sr) ；气体激光器的光亮度106W / (cm2. sr)；固体激光器的光亮度可达1011W / (cm2.sr)； 若进一步将激光束聚焦（空间上集中）或压缩脉冲宽度（时间上集中），则激光束更有极高的光亮度 2）高方向性——由于谐振腔对光束方向的限制，激光束发散角很小。例如He-Ne 激光器的发散角10-1 mrad; 固体激光器的发散角1－10 mrad（毫弧度） 3）高单色性——激光的谱线宽度极窄——准单色光；若进一步采用稳频和选取单一纵模，更可大大压缩谱线宽度，可视为单波长。 4）高相干性——由于激光的谱线宽度极窄，传播中能产生相干的两点的时间间隔很大（时间相干性好）；又激光发散角很小，方向性很高，激光束波前面内任意两点均相干（空间相干性好）
1.3激光器的输出特性 1）激光波长——激光器输出准单色光； 不同激光器输出激光波长不同，材料吸收特性各不同；对不同材料用不同的激光来加工。 2）激光输出的能量和功率 连续激光: 激光功率P = 激光能量/ 秒 脉冲激光: 峰值功率P = 脉冲能量E / 脉冲宽度T m 脉冲激光: 平均功率P=脉冲能量E x 脉冲频率f
3）激光束的空间分布特性—— 基模（TEM00）高斯光束——光场振幅按高斯函数分布； 振幅值下降到1/e(=0.368)强度下降到中心强度1/e2 的光斑宽度定义为光斑半径；对应的全角宽度定义为光束发散角； 为了改善发散角可用小孔选模，非稳腔选模，拉长谐振腔等方法 高斯光束的参数： 束腰； 等相位面； 发散角；
激光雷达测量系统介绍 数据事业部李谨Lidar (Light Detecting And Ranging)技术是一种利用光束来探测物体和测定距离的高科技集成系统，代表着当前数码测绘技术的前沿。机载GPS提供Lidar系统的空间位置，惯性测量系统提供Lidar激光的方向，激光系统提供激光脉冲，计算机系统提供高速、大规模数据存储空间与处理能力。近年来，国内外学者对于lidar的应用做了大量的研究。其主要研究集中在lidar数据的矫正和匹配问题、基于近距离小功率lidar测距器的目标的表面重建研究，以及基于正射影像或遥感影像的房屋建模研究等等。 一．Lidar技术产生背景 激光是60年代发展起来的一门崭新的学科。40年来，经过基础理论和应用技术研究，目前已经进入全面发展和应用阶段。激光技术的发展和应用不仅使古老的光学技术别开生面，而且广泛渗透到各个学科。它已成为科学技术领域中强有力的研究工具和行之有效的手段，带动和促进了科学技术的发展。 利用激光作为遥感设备，可追溯到30多年以前。从20世纪60年代到70年代这段时期,人们进行了多项试验,结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力,其中包括激光测月和卫星激光测距。美国早在20世纪70年代阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术。20世纪80年代末,以机载激光扫描测高技术为代表的空间，对地观测技术在多等级三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破。随着相关技术的发展和社会需求的不断扩大,机载激光扫描测高技术的发展日新月异。机载激光扫描测高系统能够快速获取精确的高分辨率数字地面模型，以及地面物体的三维坐标，进而获取地表物体的垂直结构形态。同时，配合地物的视频或红外成像结果,增强了对地物的认识和识别能力,在摄影测量与遥感及测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。机载激光扫描测高技术的发展，为获取高时空分辨率的地球空间信息，提供了一种全新的技术手段。使人们从传统的人工单点数据获取，变为连续自动数据获取,提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处理逐渐向智能化、自动化方向发展。二．Lidar技术的发展与现状 20世纪80年代,激光测量得到了迅速发展,包括当时美国NASA研制的大气海洋LIDAR系 统以及机载地形测量设备等机载系统。但机载、空载激光扫描测高技术直到最近十几年才取得重大进展,研制出精确可靠的激光测高传感器,包括航天飞机激光测高仪、火星观测激光测高仪，以及月球观测激光测高仪。利用它们可获取地球表面、火星表面及月球表面的高分辨
Preliminary System Configuration 10/08 Scanner Basic Configuration Part-No. 21R09-00-106-00 Airborne Laser Scanner RIEGL VQ-480 Part-No. 21R09-00-006-00 ? Laser transmitter & receiver front end ? Motorized mirror scanning mechanism, FOV 60° ? Signal processing electronics with echo digitization and online waveform analysis ? Internal power supply electronics, input voltage 18 – 32 V DC Detailed specifications and laser classification according to the latest datasheet RIEGL VQ-480. Electrical Interfaces, integrated ? TCP/IP Ethernet Interface, providing smooth integration of the RIEGL VQ-480 data into a 10/100/1000 MBit/sec, twisted-pair (TP) Local Area Network (LAN). The scanner acts as a server allowing remote configuration and data acquisition via a platform-independent TCP/IP Ethernet Interface. Serial RS232, 19? .2 kBd, for data string with GPS time information for ? TTL input for 1 PPS Sync Pulse synchronization Mechanical Interfaces, integrated ? 2 mounting brackets with 6 x M6 thread inserts for mounting of the laser s 3 x M6 thread inserts in the bottom plate, rigidly couple canner ? d with the internal nting of the IMU sensor 6 thread inserts on top mechanical structure for mou ? 3 x M Cables Part-No. 02Z03-02-003-00 TCP/IP Cable M12-M12, 3 m ?? Part-No. 02Z03-01-001-00 TCP/IP Cable M12-RJ45, 0.3 m ? Part-No. 02Z03-01-002-00 TCP/IP Cable M12-RJ45 cross over, 0.3 m Part-No. 02Z03-02-032-00 Serial Data and PPS Cable to GPS receiver, 5 m ? Part-No. 02Z03-02-033-00 Power Supply Cable, 2 pole, 5 m ?
第44卷第11期红外与激光工程2015年11月Vol.44No.11Infrared and Laser Engineering Nov.2015一种激光雷达复合式扫描方法及试验 马辰昊，付跃刚，宫平，欧阳名钊，张书瀚 (长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022) 摘要：传统激光雷达系统中，固态激光光源的重复频率和扫描系统的扫描带宽、精度均制约着系统成像。为提高激光雷达的成像精度，首先，在激光光源上采用经EDFA放大后的DFB高重频激光光源。其次，提出了一种PZT与振镜相结合的两级复合式激光扫描方法，利用PZT对小视场范围进行精细扫描，利用振镜对PZT的扫描视场和接收视场进行偏转完成粗扫描，在提高激光雷达扫描精度的同时拥有较大的扫描视场。最后，经试验所设计的复合式扫描激光雷达的方位角为±99mrad，俯仰角为±49.5mrad，角分辨率达到0.1mrad，测距精度达到0.159m。 关键词：激光雷达；视场拼接；振镜 中图分类号：TN247文献标志码：A文章编号：1007-2276(2015)11-3270-06 A composite scanning method and experiment of laser radar Ma Chenhao,Fu Yuegang,Gong Ping,Ouyang Mingzhao,Zhang Shuhan (School of Opto-Electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun130022,China) Abstract:In traditional laser radar system,the imaging is influenced by repetition rate of selected solid-state laser as well as scanning bandwidth and scanning precision in the laser scanning system.In order to improve the scanning bandwidth and precision,DFB high-repetition-rate semiconductor laser which was amplified by EDFA was adopted as the laser source firstly.Secondly,a two-stage composite laser scanning method had been proposed with combination of PZT and galvanometer.PZT got on meticulous scanning in small areas,then galvanometer was used to deflect and finish coarse scanning on the PZT scanning field and receiving the field.The scanning accuracy had been raised and the scanning field of laser radar had been expanded simultaneously.At last,azimuth of composite scanning laser radar is±99mrad,pitch angle is±49.5mrad.Angular resolution can measure up to0.1mrad,and the ranging precision can reach0.159m. Key words:laser radar;field joint;galvanameter 收稿日期：2015-03-21；修订日期：2015-04-23 基金项目：国家自然科学基金(61108044) 作者简介：马辰昊(1988-)，女，讲师，博士，主要从事光电检测方面的研究。Email:mch6567@https://www.doczj.com/doc/9f11891664.html, 通讯作者：付跃刚(1972-)，男，教授，博士生导师，博士，主要从事光电检测方面的研究。Email:fuyg@https://www.doczj.com/doc/9f11891664.html,
激光雷达激光器的扫描方式 目前市场上的脉冲式激光器有四种扫描方式 1. 振荡(或钟摆)式(Oscillating Mirror) 2. 旋转棱镜式(Rotating Polygon) 3. 章动(或Palmer)式(Nutating Mirror,or Palmer Scan) 4. 光纤扫描式(Fiber Switch) 钟摆扫描方式 原理：光直接入射到反射平面镜上，每一个钟摆周期在地面上生成一个周期性的线性图案，Zig-Zag型，或称为之字形。 生产厂家：Optech和徕卡公司 钟摆扫描时，反射镜面需要在一秒内振荡数百次，同时要不断地、循环地从一端开始启动，加速、达到钟摆的最低点后，减少，知道速度为零，至V达钟摆的另一端。因此它的扫描方向是左右两个方向的。 优点： 1. 对于扫描视窗角(FOV)，扫描速度有多种选择，使得地面的覆盖宽度和激光点密度的选择有较多的机会； 2. 大的光窗数值孔径； 3. 较高的接受信号比。 弱点： 1. 由于在一个周期内，不断地经历了加速、减速等步骤，因此，所输出的激 光点的密度是不均匀的。这种不均匀性在扫描角度很小(如+-2°)时，因为过程短，并不显著；当扫描角逐渐增大，大到+-4°时，不均匀性会越来越显著； 2. 由于反射镜的加速/减速，造成了激光点的排练一般是在钟摆的两端密，中间疏。而中间的数据是更受关注的。由于在钟摆的两端，镜面的摆动速度较低或停止，并扫描两次，因此所得的数据精度差，需要剔除，约占总数据的10%，如扫描角为+-22.5°，只选取+-20°； 3. 由于不断地变化速度，造成了机械的磨损，使得IMU的配置发生了漂移，依次每一次飞行前都需要进行“ boresigh f检校飞行； 4. 消耗更多的功率。 旋转棱镜式扫描 原理：激光入射到连续旋转的多棱镜的表面上，经反射在地面上形成一条条连续的、平行的扫描线。 激光器生产厂家：Riegl 激光雷达生产厂家：IGI,TopoSys,FliMap,iMAR,Fugro/Cha nee 优点： 1?需要的功率小； 2.棱镜旋转的角速度不变，使得激光点的密度均匀，尤其是沿飞机飞行的方向的线间距完全相同。 缺点： 1. 因为使用了对眼睛安全的长的波长，为了减少色散度，选择了较小的光窗数值孔
激光雷达原理 1.激光雷达原理 激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的工作原理相似,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)、运动状态等信息,实现对飞机,导弹等目标的探测,跟踪和识别。 激光测距机是简化的激光雷达。在以激光测距技术基础上,配置方位与俯仰测量装置、激光目标自动跟踪装置,就构成了比较完备的目标探测/跟踪激光雷达。通常激光雷达由激光发射机、激光接收机、信息处理系统、伺服控制系统和操控显示终端组成。下图所示为基本的激光雷达原理图。 2. 发射激光系统 对于激光雷达整个系统来说，发射光学系统是最为重要的一部分，其中以激光器的性能为主，它的性能很大程度上激光器的探测性能，现阶段对于激光雷达来说532nm和1064nm的激光管最为常见，而激光器的种类有固体激光器和半导体激光器，随着输出功率的不断提高，半导体激光器因为宽的调谐范围，小巧的体积等优势是未来发展的主流方向。
激光雷达对激光光源有四点基本要求，一是有较大的功率，且大多数都需要工作于脉冲模式，因此相应的要求是脉冲能量大，脉冲重复频率高；激光的光束质量好，特别是要求光束的发散角要小，指向性要好；对于工作于差分吸收或荧光机制的激光雷达，还要求激光输出波长处于特定光谱范围；通常要求激光器体积小，功耗小，性能稳定可靠等，以满足激光雷达多种运载方式的要求。 常见的激光器选择有1064nm YAG激光器，DFB-1064半导体激光器。YAG激光器是一种典型的固体工作物质，由于它多方面的优良性能，早期在激光雷达中获得了广泛的应用。 而随着半导体激光器的飞速发展，现在越来越多的激光雷达应用采用半导体激光器，半导体激光器DFB-1064nm 拥有更小外形尺寸，更好的发散角，脉冲功率现在也能做到600mW,尤其是德国的半导体激光器做的非常出色，下面是一份半导体激光器的典型性能参数。 DFB 1064nm激光管 3. 接收光学系统 激光雷达的接收单元由接受光学系统，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，光电转换，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，高回波探测器概率和低的虚警率。探测器是激光接收机的核心部件，由于雪崩光电二极管具有高的内部增益，体积小，可靠性高等优点，往往是首选探测器。
激光雷达技术及其应用综述 一、激光雷达的概念 激光雷达（LIDAR-Light Detected And Ranging）是一套复杂的光机系统，它结合了光源、光电探测等技术，有时还包括计算机图象处理技术，能够同时获得方位、俯仰角度、距离、强度等信息，特别适合用于森林结构的估计、城市建设、工业、农业、航空航天等领域[1]。一个典型的激光雷达结构示意图，如图1所示。激光雷达是一种主动式遥感探测设备，从工作原理来说，它只是把传统微波雷达的光源变成了激光：向被测目标发射激光信号,然后接收反射回来的信号、并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。 激光雷达不同于机器视觉技术，使用的是更为精确的激光光源和光电传感器，而机器视觉多是使用普通相机摄像头探测和CCD或CMOS作为图像传感器。激光雷达可以实现较大测量范围内的3D立体探测，但易受环境天气因素影响；使用微波（毫米波）雷达的机器视觉探测技术，立体测量范围有限、精度不高，但抗干扰性强、测量距离远。 图 1 典型激光雷达系统结构 二、激光雷达的关键技术 2. 1 光源技术 激光雷达系统中使用的光源，目前主要是CO2激光器，半导体激光器(LD)和以Nd：YAG 为主的固体激光器。 较远测程(数百米以上)的二极管激光成像雷达对其辐射源的要求, 一是具有足够高的输出功率, 二是具有足够窄的发射波束。目前商品化的二极管激光器虽可分别达到10W 的平均功率和衍射极限的波束质量, 但同一器件却难以同时满足这两项要求。一种可能的途径是采用面发射分布反馈(SEDFB)的二极管激光器阵列和微光学(MOC)准直技术。一个40 阵列, 采用微透镜组1.3cm ×10cm 孔径, 得到0.5 ～0.75mrad 发散度的10W 连续输出功率。当然, 为了实现这样的准直效果, 必须对微光学系统进行精心设计加工, 使其达到1μm 的绝对准直精度, 采用激光辅助化学腐蚀工艺制造微光学系统, 可以满足这一要求。在具体设计时, 必须对孔径尺寸, 波束发散度和输出功率进行合理的折衷[2]。 2. 2 传感器的选择 如果说激光源是激光雷达的“发射机”，那么光电探测器就是“接收机”。类似雷达系统的接收机，光电探测器可选择如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、红外和可见光多元探测器件等[3]。 从激光源发射的脉冲只有小部分光子到达了光电探测器的有源探测区域[4]。若大气衰减不会随着脉冲路径发生变化，则激光的光束发散角可忽略不计，照明点小于目标，入射角度
激光雷达原理 -------读书笔记 99121-19 邓洪川 一.概念: “雷达”(Radio Detection and Range,Radar)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 微波雷达 激光雷达 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。 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: (1)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。 (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。
(4) 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。 (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。 激光雷达的波长比微波断好几个数量级，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： （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。 （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。 二.激光雷达作用距离方程 激光和微波统属电磁波，激光雷达作用距离方程的推导与微波雷达的推导是相似的。从微波雷达作用距离方程可以导出激光雷达方程： Sys Atm T T R D R R G P P ηηππδπ???=4442 2 2 式中，P R 是接收激光功率（W ）；P T 发射激光功率（W ）；G T 是发射天线增益；σ是目标散 射截面；D 是接收孔径（m ）；R 是激光雷达达到目标的距离（m ）；ηAtm 是单程大气传输系数；ηSys 是激光雷达的光学系统的传输系数。定义A R =πD 2是有效接收面积（m 2）.式中还有： 24T T G θ π = 其中 D K a T λ θ= 两式中，θT 是发射激光的带宽；λ是发射激光的波长；K a 是孔径透光常数。 经过整理，式（1）变为
1.2激光准直技术分类 按检测原理激光准直技术大致可分为三个类型。 （一）振幅(光强)测量型 利用激光本身的方向性，以激光光强分布中心作为准直基线，是这类准直方法的最初型式。当用位敏光电器件或CCD作为探测器时-可同时实现二维测量，这是振幅测量型激光准直仪的优点。然而如前面所述，由于激光漂移、光线弯曲、大气扰动以及光束横截面内光强分布的不对称性的影响，直接利用激光本身作准直基线，稳定性最好也只能达到5 10 量级。为提高准直精度，必须有效地克服上述影响，于是出现了多种设计方案，如菲涅尔波带法、零级条纹干涉法、零级衍射同心圆法、不对称位相板法 ]、海定格非定位干涉条纹法 ]、对称双光束法、单模光纤法等。这些方法在克服激光漂移及光强不对称分布的影响方面起到了好的效果-然而对大气扰动的影响仍无法解决 1、 Fresnel波带片法 激光束通过Fresnel波带片形成十字形的能量分布。以十字线的中心作为准直基线，来克服光强分布不对称的影响，但因为波带片有确定的焦距，不可能在很长距离上都得到清晰的十字像。 2、位相板法 采用二维非对称位相板，它的四个象限上每两个相邻的象限具有二相位差，所形成的直边衍射图是亮背景上的一个暗十字。这种方法很适合于对中控制，但由于衍射的作用，测量范围不可能太大。 3、双光束准直法 两光束是由一个空间棱镜分出的。当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜之后的两光束漂移方向相反。采用两光束的平分线作为准直基线可以克服激光器的漂移影响，但该系统对双光束的平行性要求较高，在长距离范围内不易实现。 4、反馈控制法 利用闭环反馈技术，实时修正各种因素而致的漂移误差，来提高准线精度，进而实现高精度的激光准直测量。 反馈控制法准直系统在出现光束漂移时，反馈系统的接收装置(控制用探测器)接收到该信号。并将其转换为相应的电信号，此信号再经驱动放大，作用于驱动机构(压电陶瓷)，来对激光束的方向进行二维调整，从而实现对光束漂移量的实时修正，提高准线的精度。该系统经实验测试表明:准直距离为5m，相对精度为
[实验十] 激光光学系统（演示型实验） 一、实验目的 1.了解激光器的种类 2.掌握激光器的发光原理 二、实验内容 掌握实验步骤，观察各种激光器产生的光斑现象。 三、实验仪器 CO 2 激光器、半导体甭浦激光器、Ar+激光器、He-Ne激光器、Nd:YAG激光器、导轨、小孔光阑、调节架、针孔（25μ）、显微物镜、透镜及夹持器 四、实验原理 具有代表性的典型激光器主要有气体激光器、固体激光器、半导体激光器、染料激光器等。气体激光器是以气体或蒸气作为工作物质的激光器。它是利用气体原子、分子或离子的分离能级进行工作的。气体激光器常用的泵浦方法是电激励，即令足够大的电流通过气体介质来完成泵浦的。由于气体的光学均匀性较好，较之固体激光器和半导体激光器其输出光束的质量(如单色性、相干性等)也较好。气体激光器中又包括由原子激光器、离子激光器和分子激光器。原子激光器是利用气体或蒸气形式下的中性原子作为工作物质，常见的有He-Ne激光器；离子激光器是利用气体离子激发态之间的跃迁来产生激光的一种气体激光器，常见的有Ar+激光器；分子激光器是利用未电离的气体份子作为工作物质的一种气体 激光器，如：CO 2 激光器。 固体激光器的基本组成包括工作物质、泵浦系统、谐振腔、冷却与滤光系统四部分。其中，工作物质是激光器的核心，固体工作物质是把金属离子掺入基质而形成的，发光粒子就是工作物质中的金属离子(称为激活离子)，工作物质的物理、化学性能主要决定于基质材料，而它的光谱特性则主要由激活离子的能级结 构所决定。常见的有掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）激光器 ,这是在基质Y 3Al 5 O 12 (YAG) 中掺入钕离子（Nd3+）,部分取代YAG中的钇离子（Y3+）而成为Nd3+:YAG。另外还有半导体激光泵浦激光器也属于固体激光器。 半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器，它具有超小型、高效率、结构简单、价格便宜以及可以高速工作等一系列优点。 每一种激光器的发光机理各不相同，具体问题可具体分析。
激光雷达扫描系统 激光雷达扫描系统可以实时、动态、大量采集空间点云信息。根据用户不同应用需求可以选择不同的载体平台（机载、车载），可快速获取高密度、高精度的激光雷达点云数据。 硬件设备 激光雷达系统可搭载多种类型扫描仪，包括RiegI, Op tech, MDL, Velod yne 等，同时集成GPS、IMU和自主研发的控制平台。 激光雷达扫描系统设备参数见表格1： 三维激光雷达扫描仪长距扫描仪 中距扫描仪短距扫描仪 扫描距离920m 500m 70m 扫描精度1cm 15cm 2cm 飞行速度20-60km/h 20-60km/h 20 -60km/h 扫描角度330°360°360° 每秒发射激光点数50万 3.6万70万 扫描仪重量 3.85kg 4.65kg 1kg 配备我公司自主研发的Li-Air数据处理系统 进行重新标 图1扫描仪、GPS、IMU、控制平台 图3固定翼无人机激光雷达系统 设备检校
定，以保证所采集数据的精度。 图1扫描仪检校前（左）扫描仪检校后（中）检校前后叠加图（右） 图4 （左）为检校前扫描线：不连续且有异常抖动；图4 （中）为检校后扫描线: 数据连续且平滑变化；图4 （右）为检校前后叠加图，红线标记的部分检校效果对比明显。 图5从左至右依次为校正前（侧视图）、校正后（侧视图）、叠加效果图 图5 （左）为检校前扫描线：不在同一平面；图4 （中）为检校后扫描线: 在同一平面；图4 （右）为检校前后叠加图。 完善的数据预处理软件 公司自主研发的激光雷达数据预处理软件可对实时传回的激光雷达数据进行航迹解算、数据生成、可视化等。