《光电子信息系统》.ppt

第六章 激光雷达
精选课件
1
战争需求促进科技发展
二次世界大战中雷达发挥了重要作用，成为战胜法西斯的法宝之一；
军用需求促使雷达波长进一步缩短，分辨率进一步提高；
从微波量子放大器maser到光学受激辐射放大器laser；
图像、距离选通图像和速度图像等。
（4）抗干扰能力强，不受外界电磁场干扰；波束窄，干扰光波不容易进入本信道；宽调谐，多光谱探测能力，对付隐形飞机；
（5）可以用于水下探测和通信，已实现了卫星和深海潜艇的通讯;
（6）体积小、重量轻、造价低。
精选课件
12
激光雷达的缺点
（1）大气传输性能差，易受气象条件影响，
一般只能短程应用（10-50km）；
（2）波束窄，不容易实现大视场扫描搜索。
精选课件
13
2、 激光雷达的构成和工作原理
精选课件
14
组成部分及其功能
本振：稳频小功率激光器，稳定度10-10以上，提供频率标准；
发射：提供激光功率，E=L（零差），或E-L=const；
调制器：调制频率或强度，调制电源-本振-发射之间锁相；
发射/接收：压缩发散角，包括二维扫描机械装置，单站/双站；
光电探测：光电转换、滤波、检波；
中频放大：窄带，带宽为（d）max，频响在2m附近；
I/Q相敏检波：I-In Phase：同相位，Q-Quadrature：90相移；解出距离、速度及与目标亮度成正比的回波振幅；
数据处理：给出距离D、方位角、仰角、速度v及目标上不同点的回波强度-图像。
精选课件
15
多普勒测速原理
多普勒现象：由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率发生变化的现象。
其中：fS-静止光频，fS’-相对运动状态下观测的光频；c-真空中的光速；vS-光源-探测器之间的相对运动速度，相向运动vS0，相背运动vS0
精选课件
16
多普勒测速原理
如果为相对速度方向与光传播方向间的夹角，则，
fd为多普勒频移。
光源和观察者相对静止，运动物体散射光的频移，为双重多普勒频移。
不共线情况
精选课件
17
多普勒测速原理
导出：
测出fd，即可计算出 vS，具体检测方法有零差法和外差法：
本振频率 = 发射频率 - 零差；
本振频率 - 发射频率 = 固定频差 - 外差；
由相干探测的基本关系式可知，输出电流正比于cos（2（fs-fs‘）t+），
零差法：vs=0时，fs-fs‘=0，输出电流为直流；vs0时，输出为交流，多普勒信号载在零频上，不能判别运动方向，有难以消除的直流噪声；
外差法：vs=0时，fs-fs‘0，有一固定频移，多普勒信号载在一个固定频差f上，可以判别物体运动方向，可以抑制噪声，提高信噪比。
精选课件
18
脉冲测距原理
激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。
-钟频脉冲间隔；一般采用f=15MHz，l=10m，f=30MHz，l=5m，f=150MHz，l=1m；
l=c/2f-一个钟频脉冲表示的距离增量，
测距精度：取决于激光脉冲上升沿的时间。
精选课件
19
脉冲测距基本框图
精选课件
20
脉冲测距各级波形
精选课件
21
脉冲激光测距的发展
红宝石激光：历史最早，可见光，单脉冲能量大，重复频率低，效率低；
Nd：YAG激光：最成熟常用，可以高重复频率使用，近百Hz；
人眼安全激光：m以上，发展方向，实现方案有铒玻璃、拉曼频移、OPO；
CO2激光：大气层传输性能好；
半导体激光：905nm，简单、价廉物美，适用于短距离使用。
微型全固态高重频激光器：MHz，声光调Q。
精选课件
22
相位测距原理
利用光波的调幅波测距，比脉冲测距精度高，但要求合
作目标，适于民用测量，其构成为
精选课件
23
相位测距原理
以调幅波作为“光尺”，光尺长度：=c/f， f为调制频率，不是光波频率，为光尺长度，不是光波长，距离
其中N为整数，n为分数。由于相位检测方法只能测出n，不能测出N，因此分为两种情况。
单波长应用：N=0，, (2/3600=), 两倍精度值，则有D=, for =2m, D=1mm; for =2km, D=1m; 在测相精度一定的条件下，为提高测距精度，必须缩短波长。
精选课件
24
相位测距原理
多波长应用：两个以上波长应用，Dmax，选择相近波长1、2；使N相等，但n1n2，
有
解出