第2讲激光及激光雷达系统-激光雷达系统2
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散射型激光雷达 探测大气中气溶胶或污染分 布 吸收型激光雷达 探测大气成分，臭氧或水蒸 探测大气成分 臭氧或水蒸 汽 激光荧光雷达 进行植被研究或污染物测定
5
激光雷达的分类
按照照使用用目的分类
6
激光雷达的分类
相互作用 反射 检测对象 比激光波长尺寸大 很多的物质 举例 地形测绘 气溶胶 空气分子 空气分子，水蒸气， SO2等污染物质 NO2等污染物质
8
激光成像雷达发展
四个阶段： 四个阶段 ：
激光测距仪 跟踪测角测距雷达 激光成像雷达
9
激光成像雷达
只要发射激光波形具有足够高的波束质量和重复频率， 发射激 波 有 够高的波束质 复频率 接收信号达到一定的信噪比要求，均能通过波束扫描在探 测器的光敏面上得到目标的图像 测器的光敏面上得到目标的图像。
分为外差探测 分为 外差探测， ，零拍探测 零拍探测和 和多频外差探测 多频外差探测等 等
19
激光雷达外差探测原理
一般外差探测激光雷达系统由一台连续工作的激光 一般外差探测 激光雷达系统由一台连续工作的激光 器作为独立辐射源发出参考波 称为本地振荡器 器作为独立辐射源发出参考波，称为本地振荡器 器作为独立辐射源发出参考波，称为 称为本地振荡器 系统接收到的回波 信号与来自本地振 荡器的参考信号混 合之后，由混频器 输出的光束聚焦到 探测器上然后再进 行信号处理。
29
激光遥感观测系统
飞机 激光扫描仪 航摄相机 CCNS4导航控制系统 AEROControl IId 高 精度位置姿态测量系统 (IMU/DGPS) IMU与相机连接架 机载DGPS天线 地面DGPS基站接收机
激光遥感集成系统
美国航空航天局 （NASA） NASA）最早支持开 发 激光成像三维测 量的机载集成系统 加拿大 瑞典 德国 加拿大、瑞典、德国 以及中国也相继开发 出这类机载集成系统， 出这类机载集成系统 主要用于陆地和浅海 水下地形测量。 水下地形测量 。
12
单稳态系统
发射与接收信号共用一光学子系统 由发送／接收(T／R)开关隔开
13
光束整形与扫描
激光器中的光学谐振腔 无论是什么形状, 其电磁 场均具有 定的振荡频 场均具有一定的振荡频 率和一定的空间分布, 被 称为腔的模式 用 称为腔的模式，用 TEMmn表示, m=n=0的 模称为基模 模称为 基模； ； 基模场振幅均满足高斯 分布，这时称为基模高 斯光束； 斯光束 对于激光雷达许多应用， 要求将基模高斯光束整 形为柱状、具有平顶强 形为柱状、具有 平顶强 度分布的光束； 度分布的光束 ；
18
信号接收的探测技术
激光信号接收过程中的探测技术： 直接探测
将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上 将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上， 产生与入射光功率成正比的电压或电流 与传统的光学接收系统原理基本上相同
相干探测
探测器接收目标回波信号和某一参考波的 相干混合波信号，按照参考波的辐射源及 其特性的不同进行探测。
系统集成随着数码相机的发展，将航摄数 码相机与激光成像系统结合成为新的集成 系统。
41
激光雷达光谱成像合成系统 激光雷达光谱成像合成系统SILC
42
43
典型激光遥感集成系统参数比较
ALTM 3100EA 最大激光发射频率 最大扫描频率 回波数 最大发射频率工作 范围(ρ<60%) 数据采集高度 (米 AGL）) 最大视窗角 (度) 激光器安全等级 使用温度范围 POS系统(IMU) 数码相机 年产用于机载的激 光雷达（台） 100kHz 70Hz 4 + 4 with last return 100kHz <800m; ; 83kHz <1100m; 50kHz <1800m ALS50-II ALS50 II 150kHz 90Hz 4 + 3 with last return 150kHz <550m; ; 100kHz <800m; 50kHz <1800m RIEGLQ560-I RIEGLQ560 I (II) 200kHz (400kHz) 2-160Hz 全波形分析，无穷次回 波 200kHz <700m; ; 100kHz <1200m; 50kHz <1800m
第二讲 激光及激光雷达系统
1
主要内容
激光 激光信号的大气衰减 激光器 激光雷达系统 激光雷达系统能量方程 激光遥感集成系统
2
激光雷达的产生
雷达工程师努力探索更短波长的辐射源， 在微波振荡器的基础上，发明了激光器， 将其与雷达技术相结合，产生了激光雷达 技术
3
激光雷达的特点
16
激光扫描
激光扫描：在光束整形之后，采用某种技术使激 光束发生偏转，实现对某区域的目标进行扫描。 束发生偏转 实 某 域的 标 扫描 激光扫描技术分为： 高惯性扫描
机械技术或反射镜棱镜技术 机械 机械技术或反射镜棱镜技术，主要靠反射镜或棱镜的 技术或反射镜棱镜技术 主要靠反射镜或棱镜的 技术或反射镜棱镜技术，主要靠反射镜或棱镜的 旋转实现扫描 旋转 实现扫描 电光棱镜的梯度扫描 电光棱镜的梯度扫描 振动反射镜的非梯度扫描 振动反射镜的 非梯度扫描 增益控制或损耗控制的内腔式扫描 增益控制或损耗控制的 内腔式扫描
39
激光脉冲重复频率为1KHz 至7 KHz 激光波长都在1微米左右 集成系统的同步观测方式
以时间标记 以GPS时间记录 中国采取位置同步技术
40
激光遥感集成系统
激光雷达成像技术可以获取精确的数字高 程模型数据
高程精度达到10 10-16 16cm cm 平面位置精度达到20 20-33cm
22
三频外差探测： 激光发射有两个独 立辐射源，两束激 光沿同一光轴向目 光沿同 光轴向目 标传播，经运动目 标产生多普勒频移 后返回接收器，两 后返回接收器， 两 个反射信号与本地 振荡器信号混频， 振荡器信号混频 ， 成像在光敏探测器 上。
23
接收孔直径
在相干探测激光雷达中，系统的有效接收孔径受散斑 在相干探测激光雷达中，系统的有效接收孔径受散斑 现象的限制，不能任意扩大；
14
光束整形与扫描
使光束强度在远场具有平顶分布的方法之一— —衍射光栅
光束整形器的能量色散元件由透明二元衍射光 色 栅构成 通过调整光栅周期 和刻线相位调制深度可以 通过调整光栅周期，和刻线相位调制深度可以 达到所要求的整形效果
15
美国麻省理工学院 研究人员以刻线数 N=6、相位调制深 度= 的光栅，在 光栅周期 不同情 况下的远场光强分 布结果图： 布结果图 ：
当接收孔径大于散斑瓣的平均直径时，接收孔有效直 当接收孔径大于散斑瓣的平均直径时，接收孔有效直 径可以表示为： 径 以表示为
D Dr d s
接收器孔径实际大小
散斑瓣直径
24
激光雷达系统能量方程
激光雷达因与目标作用的机理不同，分为不同的 类型，不同类型的激光雷达要用不同的激光雷达 方程加以描述。 一般而言，对于单稳脉冲激光雷达 一般而言， 对于单稳脉冲激光雷达，探测器所测 ，探测器所测 得的目标 距离探测器范围为R到R+dR，辐射源 得的目标，距离探测器范围为 辐射源 产生的波长间隔为[,d]的微分信号功率为：
AIMS
31
激光遥感集成系统
FLI-Map
32
激光遥感集成系统
OPTECH SHOALS
33
激光遥感集成系统 激光 集成系统
OPTECH ALTM
34
激光遥感集成系统
TopEye
35
激光遥感集成系统
TopoSys
36
国产ALIMS
37
38
激光遥感集成系统 激光 集成系统
机载激光三维测量系统飞行高度多在 机载 光 高 2000m以 下,系统的构成各不相同： 激光系统与摄像机集成 有的装载成像光谱仪 有的还没有采取集成方式 系统的视场角较小，一般小于45°
dA R, r 表示距离为R目标上点 目标上点面积元 面积元； 面积元；
26
探测器所接收到的总信号功率 探测器所接收到的 总信号功率则表示为 信号功率则表示为 信号功率 则表示为
P , R dR
0 R
I , R, r p , R, r dA R, r
高功率和高波束质量的激光器 高性能二维扫描技术 高灵敏度接收器 图像处理及目标识别算法
10
激光雷达系统
激光雷达系统原理框图
11
激光雷达系统结构
激光雷达系统按结构分：
双稳系统 单稳系统
双稳系统
发射部分和接收部分分开放置，目的是为了提高空间 分辨率 由于目前脉宽为ns级的激光已达到很高空间分辨率， 因此该系统已经很少被采用
角分辨率较高 距离和速度分辨率高 抗干扰能力强 能够与一些目标发生生化作用 可以对极小的目标进行探测
4
激光雷达
微波雷达——接收的信号大多是反射信号 激光雷达——接收的信号：
可能是反射信号 能 反射信号 也可能是大气散射信号 吸收衰减信号、荧光信号等
用于不同目的的激光雷达系统
当接收孔径小于和等于散斑瓣的平均直径的情况下， 接收功率是随接收孔的面积（孔径平方 接收功率是随接收孔的面积（ 孔径平方）线性增加； ）线性增加；
在接收孔径增大，大于散斑瓣平均直径的情况下，接收 功率不再服从与接收孔径面积线性相关的规律，而是与 孔径线性相关； 孔径 线性相关；—— 这种信号采集效率的下降是接收 孔面积增大、反射信号相干性变差的结果 ；
7 7
按照激光和物质的相互作用分类
米氏散射 微粒直径与激光波 长相近的物质 瑞利散射 微粒直径比激光波 长小很多的物质 拉曼散射 具有震动和旋转能 力的分子 荧光法 具有共振能级的分 子和原子
激光雷达的分类
按使用的激光器分类 按脉冲方式或连续波方式分类 按光波检测的方法的分类 按工作台分类
dP , R I , R, r p , R, r ddRdA R, r
25
射波长为到d的辐射强度 辐射强度； ；
I , R, r 表示距离在R到R+dR内的目标物质反
p , R, r 表示 r点将在距离为R到R+dR的辐射
源发射波长为到的辐射打到探测器上概率 源发射波长为到的辐射打到探测器上 概率； ；
20
零拍探测技术
本地振荡信号是来自激光发射源的部分激光辐射， 不需要另一个激光源。 不需要另 个激光源。 零拍激光雷达比普通外差激光雷达结构更简单，可 零拍激光雷达比普通外差激光雷达结构更简单，可 靠性也更好。 靠性也更好
21
多频外差探测
目标与激光雷达的相对运动产生接收信号的多 普勒（Doppler）频移，可以提供有关目标的非 常精确的信息； 多频外差探测：要求接收器具有很宽的频带， 以覆盖回波信号的频率和外差探测信号频率； 但增加带宽会提高噪声水平，降低探测概率， 解决这一问题的办法是采用三频外差系统 解决这一问题的办法是 解决这 问题的办法是采用三频外差系统； 问题的办法是采用三频外差系统 ；
低惯性扫描
17
近年来 二元光学或衍射光学迅速发展 近年来，二元光学或衍射光学迅速发展 衍射光学元件（DOE 衍射光学元件（ DOE） ）可替代旋转平面反射镜或棱 镜 省去了机械转动部件 减少了折射元件数量 镜，省去了机械转动部件，减少了折射元件数量， 能对任意非球面误差进行校正。
DOE物镜后的曲场扫描示意图
其中，p , R, r 取决于 大气传输因子； 接收系统传输因子 Tr ； 接收立体角A0／R2（A0为物镜面积）；
接收视场与激光辐射照射面的重叠因子
及在距离R到R+dR内回波到达探测器的 概率 pR 。
27
在此基础上 可以扩展出散射型激光雷达方程 在此基础上，可以扩展出散射型激光雷达方程：
是激光一个脉冲的能量，
为双程吸收系数
L 分别表示激光波长和探测波长； 分别表示激光波长和探测波长 对于弹性散射（瑞利散射或米氏散射） L
28
激光遥感集成系统
距离信息 准确 强度图像 质量差 空间 位置 准确 姿态 信息 准确
图像 信息 丰富
…
激光成像雷达
普通遥感相机
GPS
INS
…
激光成像集成系统
5
激光雷达的分类
按照照使用用目的分类
6
激光雷达的分类
相互作用 反射 检测对象 比激光波长尺寸大 很多的物质 举例 地形测绘 气溶胶 空气分子 空气分子，水蒸气， SO2等污染物质 NO2等污染物质
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激光成像雷达发展
四个阶段： 四个阶段 ：
激光测距仪 跟踪测角测距雷达 激光成像雷达
9
激光成像雷达
只要发射激光波形具有足够高的波束质量和重复频率， 发射激 波 有 够高的波束质 复频率 接收信号达到一定的信噪比要求，均能通过波束扫描在探 测器的光敏面上得到目标的图像 测器的光敏面上得到目标的图像。
分为外差探测 分为 外差探测， ，零拍探测 零拍探测和 和多频外差探测 多频外差探测等 等
19
激光雷达外差探测原理
一般外差探测激光雷达系统由一台连续工作的激光 一般外差探测 激光雷达系统由一台连续工作的激光 器作为独立辐射源发出参考波 称为本地振荡器 器作为独立辐射源发出参考波，称为本地振荡器 器作为独立辐射源发出参考波，称为 称为本地振荡器 系统接收到的回波 信号与来自本地振 荡器的参考信号混 合之后，由混频器 输出的光束聚焦到 探测器上然后再进 行信号处理。
29
激光遥感观测系统
飞机 激光扫描仪 航摄相机 CCNS4导航控制系统 AEROControl IId 高 精度位置姿态测量系统 (IMU/DGPS) IMU与相机连接架 机载DGPS天线 地面DGPS基站接收机
激光遥感集成系统
美国航空航天局 （NASA） NASA）最早支持开 发 激光成像三维测 量的机载集成系统 加拿大 瑞典 德国 加拿大、瑞典、德国 以及中国也相继开发 出这类机载集成系统， 出这类机载集成系统 主要用于陆地和浅海 水下地形测量。 水下地形测量 。
12
单稳态系统
发射与接收信号共用一光学子系统 由发送／接收(T／R)开关隔开
13
光束整形与扫描
激光器中的光学谐振腔 无论是什么形状, 其电磁 场均具有 定的振荡频 场均具有一定的振荡频 率和一定的空间分布, 被 称为腔的模式 用 称为腔的模式，用 TEMmn表示, m=n=0的 模称为基模 模称为 基模； ； 基模场振幅均满足高斯 分布，这时称为基模高 斯光束； 斯光束 对于激光雷达许多应用， 要求将基模高斯光束整 形为柱状、具有平顶强 形为柱状、具有 平顶强 度分布的光束； 度分布的光束 ；
18
信号接收的探测技术
激光信号接收过程中的探测技术： 直接探测
将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上 将接收到的激光能量聚焦到光敏元件上， 产生与入射光功率成正比的电压或电流 与传统的光学接收系统原理基本上相同
相干探测
探测器接收目标回波信号和某一参考波的 相干混合波信号，按照参考波的辐射源及 其特性的不同进行探测。
系统集成随着数码相机的发展，将航摄数 码相机与激光成像系统结合成为新的集成 系统。
41
激光雷达光谱成像合成系统 激光雷达光谱成像合成系统SILC
42
43
典型激光遥感集成系统参数比较
ALTM 3100EA 最大激光发射频率 最大扫描频率 回波数 最大发射频率工作 范围(ρ<60%) 数据采集高度 (米 AGL）) 最大视窗角 (度) 激光器安全等级 使用温度范围 POS系统(IMU) 数码相机 年产用于机载的激 光雷达（台） 100kHz 70Hz 4 + 4 with last return 100kHz <800m; ; 83kHz <1100m; 50kHz <1800m ALS50-II ALS50 II 150kHz 90Hz 4 + 3 with last return 150kHz <550m; ; 100kHz <800m; 50kHz <1800m RIEGLQ560-I RIEGLQ560 I (II) 200kHz (400kHz) 2-160Hz 全波形分析，无穷次回 波 200kHz <700m; ; 100kHz <1200m; 50kHz <1800m
第二讲 激光及激光雷达系统
1
主要内容
激光 激光信号的大气衰减 激光器 激光雷达系统 激光雷达系统能量方程 激光遥感集成系统
2
激光雷达的产生
雷达工程师努力探索更短波长的辐射源， 在微波振荡器的基础上，发明了激光器， 将其与雷达技术相结合，产生了激光雷达 技术
3
激光雷达的特点
16
激光扫描
激光扫描：在光束整形之后，采用某种技术使激 光束发生偏转，实现对某区域的目标进行扫描。 束发生偏转 实 某 域的 标 扫描 激光扫描技术分为： 高惯性扫描
机械技术或反射镜棱镜技术 机械 机械技术或反射镜棱镜技术，主要靠反射镜或棱镜的 技术或反射镜棱镜技术 主要靠反射镜或棱镜的 技术或反射镜棱镜技术，主要靠反射镜或棱镜的 旋转实现扫描 旋转 实现扫描 电光棱镜的梯度扫描 电光棱镜的梯度扫描 振动反射镜的非梯度扫描 振动反射镜的 非梯度扫描 增益控制或损耗控制的内腔式扫描 增益控制或损耗控制的 内腔式扫描
39
激光脉冲重复频率为1KHz 至7 KHz 激光波长都在1微米左右 集成系统的同步观测方式
以时间标记 以GPS时间记录 中国采取位置同步技术
40
激光遥感集成系统
激光雷达成像技术可以获取精确的数字高 程模型数据
高程精度达到10 10-16 16cm cm 平面位置精度达到20 20-33cm
22
三频外差探测： 激光发射有两个独 立辐射源，两束激 光沿同一光轴向目 光沿同 光轴向目 标传播，经运动目 标产生多普勒频移 后返回接收器，两 后返回接收器， 两 个反射信号与本地 振荡器信号混频， 振荡器信号混频 ， 成像在光敏探测器 上。
23
接收孔直径
在相干探测激光雷达中，系统的有效接收孔径受散斑 在相干探测激光雷达中，系统的有效接收孔径受散斑 现象的限制，不能任意扩大；
14
光束整形与扫描
使光束强度在远场具有平顶分布的方法之一— —衍射光栅
光束整形器的能量色散元件由透明二元衍射光 色 栅构成 通过调整光栅周期 和刻线相位调制深度可以 通过调整光栅周期，和刻线相位调制深度可以 达到所要求的整形效果
15
美国麻省理工学院 研究人员以刻线数 N=6、相位调制深 度= 的光栅，在 光栅周期 不同情 况下的远场光强分 布结果图： 布结果图 ：
当接收孔径大于散斑瓣的平均直径时，接收孔有效直 当接收孔径大于散斑瓣的平均直径时，接收孔有效直 径可以表示为： 径 以表示为
D Dr d s
接收器孔径实际大小
散斑瓣直径
24
激光雷达系统能量方程
激光雷达因与目标作用的机理不同，分为不同的 类型，不同类型的激光雷达要用不同的激光雷达 方程加以描述。 一般而言，对于单稳脉冲激光雷达 一般而言， 对于单稳脉冲激光雷达，探测器所测 ，探测器所测 得的目标 距离探测器范围为R到R+dR，辐射源 得的目标，距离探测器范围为 辐射源 产生的波长间隔为[,d]的微分信号功率为：
AIMS
31
激光遥感集成系统
FLI-Map
32
激光遥感集成系统
OPTECH SHOALS
33
激光遥感集成系统 激光 集成系统
OPTECH ALTM
34
激光遥感集成系统
TopEye
35
激光遥感集成系统
TopoSys
36
国产ALIMS
37
38
激光遥感集成系统 激光 集成系统
机载激光三维测量系统飞行高度多在 机载 光 高 2000m以 下,系统的构成各不相同： 激光系统与摄像机集成 有的装载成像光谱仪 有的还没有采取集成方式 系统的视场角较小，一般小于45°
dA R, r 表示距离为R目标上点 目标上点面积元 面积元； 面积元；
26
探测器所接收到的总信号功率 探测器所接收到的 总信号功率则表示为 信号功率则表示为 信号功率 则表示为
P , R dR
0 R
I , R, r p , R, r dA R, r
高功率和高波束质量的激光器 高性能二维扫描技术 高灵敏度接收器 图像处理及目标识别算法
10
激光雷达系统
激光雷达系统原理框图
11
激光雷达系统结构
激光雷达系统按结构分：
双稳系统 单稳系统
双稳系统
发射部分和接收部分分开放置，目的是为了提高空间 分辨率 由于目前脉宽为ns级的激光已达到很高空间分辨率， 因此该系统已经很少被采用
角分辨率较高 距离和速度分辨率高 抗干扰能力强 能够与一些目标发生生化作用 可以对极小的目标进行探测
4
激光雷达
微波雷达——接收的信号大多是反射信号 激光雷达——接收的信号：
可能是反射信号 能 反射信号 也可能是大气散射信号 吸收衰减信号、荧光信号等
用于不同目的的激光雷达系统
当接收孔径小于和等于散斑瓣的平均直径的情况下， 接收功率是随接收孔的面积（孔径平方 接收功率是随接收孔的面积（ 孔径平方）线性增加； ）线性增加；
在接收孔径增大，大于散斑瓣平均直径的情况下，接收 功率不再服从与接收孔径面积线性相关的规律，而是与 孔径线性相关； 孔径 线性相关；—— 这种信号采集效率的下降是接收 孔面积增大、反射信号相干性变差的结果 ；
7 7
按照激光和物质的相互作用分类
米氏散射 微粒直径与激光波 长相近的物质 瑞利散射 微粒直径比激光波 长小很多的物质 拉曼散射 具有震动和旋转能 力的分子 荧光法 具有共振能级的分 子和原子
激光雷达的分类
按使用的激光器分类 按脉冲方式或连续波方式分类 按光波检测的方法的分类 按工作台分类
dP , R I , R, r p , R, r ddRdA R, r
25
射波长为到d的辐射强度 辐射强度； ；
I , R, r 表示距离在R到R+dR内的目标物质反
p , R, r 表示 r点将在距离为R到R+dR的辐射
源发射波长为到的辐射打到探测器上概率 源发射波长为到的辐射打到探测器上 概率； ；
20
零拍探测技术
本地振荡信号是来自激光发射源的部分激光辐射， 不需要另一个激光源。 不需要另 个激光源。 零拍激光雷达比普通外差激光雷达结构更简单，可 零拍激光雷达比普通外差激光雷达结构更简单，可 靠性也更好。 靠性也更好
21
多频外差探测
目标与激光雷达的相对运动产生接收信号的多 普勒（Doppler）频移，可以提供有关目标的非 常精确的信息； 多频外差探测：要求接收器具有很宽的频带， 以覆盖回波信号的频率和外差探测信号频率； 但增加带宽会提高噪声水平，降低探测概率， 解决这一问题的办法是采用三频外差系统 解决这一问题的办法是 解决这 问题的办法是采用三频外差系统； 问题的办法是采用三频外差系统 ；
低惯性扫描
17
近年来 二元光学或衍射光学迅速发展 近年来，二元光学或衍射光学迅速发展 衍射光学元件（DOE 衍射光学元件（ DOE） ）可替代旋转平面反射镜或棱 镜 省去了机械转动部件 减少了折射元件数量 镜，省去了机械转动部件，减少了折射元件数量， 能对任意非球面误差进行校正。
DOE物镜后的曲场扫描示意图
其中，p , R, r 取决于 大气传输因子； 接收系统传输因子 Tr ； 接收立体角A0／R2（A0为物镜面积）；
接收视场与激光辐射照射面的重叠因子
及在距离R到R+dR内回波到达探测器的 概率 pR 。
27
在此基础上 可以扩展出散射型激光雷达方程 在此基础上，可以扩展出散射型激光雷达方程：
是激光一个脉冲的能量，
为双程吸收系数
L 分别表示激光波长和探测波长； 分别表示激光波长和探测波长 对于弹性散射（瑞利散射或米氏散射） L
28
激光遥感集成系统
距离信息 准确 强度图像 质量差 空间 位置 准确 姿态 信息 准确
图像 信息 丰富
…
激光成像雷达
普通遥感相机
GPS
INS
…
激光成像集成系统