第2讲激光及激光雷达系统-激光雷达系统2
激光雷达系统ppt课件
组成
机载激光雷达
测量平台
姿态测量与导航系统
激光系统
数据处理
数码相机
同步控制
惯性导航
差分GPS
激光系统
工作流程
• • 机载激光雷达测量系统的的数据采集和处理过程 （一）航飞采集激光扫描数据及数码影像 1．在航飞前要制订飞行计划。航飞计划应包括航带划分，确定飞行高度、 速度、激光脉冲频率、航带宽度、激光反射镜转动速度、数码相机方位元素 及定位、相机拍摄时间间隔等，并将各航带的首尾坐标及其他导航坐标输入 导航计算机内，在飞行导航控制软件的辅助下进行飞行作业。 2．安置GPS接收机。为保证飞机飞行各时刻的三维坐标数据的精度，需 要在地面沿航线布设一定数量的GPS基准站，同时将GPS流动站安置在飞机 上。 3．激光扫描测量。预先设置好扫描镜的摆动方向和摆动角度，当飞机飞行 时，红外激光发生器向扫描镜上不停地发射激光，通过飞机的运动和扫描镜 的运动反射，使激光束打到地面并覆盖测区，当激光束到达地面或遇到其它 障碍物时被反射回来，被一光电接收感应器接收并将其转换成电信号。根据 激光发射至接收的时间间隔即可精确测出传感器至地面的距离。 4．惯性测量。当飞机飞行时，惯性测量装置同时也将飞机的飞行姿态测出 来，并和激光的有关数据、扫描镜的扫描角度一起记录在磁带上。 5．数码相机拍摄。利用数码相机进行拍摄时，需要对其拍摄时间间隔和拍 摄位置进行控制。通常是用GPS系统进行时间和位置控制。 6．数据传输。航飞数据采集结束后，将所有的激光扫描测量数据、数码影 像数据、GPS数据及惯性测量数据都传输到计算机中，为后续数据处理作准 备。
网点的平面坐标（X，Y）及其高程（Z）的数据集，它主要是描述区域地貌形态的空 间分布，是通过等高线或相似立体模型进行数据采集（包括采样和量测），然后进行 数据内插而形成的。DEM是对地貌形态的虚拟表示，可派生出等高线、坡度图等信息， 也可与DOM或其它专题数据叠加，用于与地形相关的分析应用，同时它本身还是制作 DOM的TM, Digital Terrain Model）最初是为了高速公路的自
《激光雷达简介》课件
测量范围越大，激光雷达的 探测距离就越远
测量范围越小，激光雷达的 探测精度就越高
激光雷达的分辨率是指其能够分辨的最小距离或角度 分辨率越高，激光雷达的精度和探测距离就越高 分辨率受激光雷达的硬件和软件设计影响 分辨率是衡量激光雷达性能的重要指标之一
扫描速率是指激光雷达在一定时间内能够扫描的频率 扫描速率越高，激光雷达的探测范围越广 扫描速率与激光雷达的硬件性能和算法有关 扫描速率是衡量激光雷达性能的重要指标之一
发射激光：激光雷 达发射激光束，形 成光束
接收反射：激光遇 到物体后反射，被 激光雷达接收
计算距离：通过计 算发射和接收的时 间差，计算出物体 与激光雷达的距离
生成图像：通过多次 发射和接收，激光雷 达可以生成三维图像 ，用于定位和导航
自动驾驶汽车：用于感知周围环境，实现自动驾驶 智能机器人：用于导航和避障，提高机器人自主性 测绘和地理信息：用于地形测绘、城市规划等 工业自动化：用于生产线上的物体检测和定位 安防监控：用于监控区域，实现智能安防 航空航天：用于卫星导航、空间探测等
激光雷达性能指标
测量距离：激光雷达可以精确测量物体的距离，误差范围在厘米级 测量角度：激光雷达可以精确测量物体的角度，误差范围在度级 测量速度：激光雷达可以精确测量物体的速度，误差范围在米/秒级 测量分辨率：激光雷达可以精确测量物体的分辨率，误差范围在毫米级
测量范围受到激光雷达的功率、 波长、接收器灵敏度等因素的 影响
工业监控：用 于监测生产设 备、环境、人
员等
环境监控来发展 前景
自动驾驶：激光雷达是自动驾驶汽车的关键传感器，可以提供精确的3D环境信息， 提高自动驾驶的安全性和可靠性。
激光雷达系统
历史沿革
自从1839年由Daguerre和Niepce拍摄第一张像片以来，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术一直沿用。到 了1901年荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成 为可能。一百年以来，立体摄影测量仍然是获取地面三维数据最精确和最可靠的技术，是国家基本比例尺地形图 测绘的重要技术。
激光雷达系统
激光探测及测距系统的简称
01 简介
03 技术发展 05 基本原理
目录
02 历史沿革 04 主要途径 06 主要用途
激光雷达LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)，是激光探测及测距系统的简称。
用激光器作为辐射源的雷达。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。
基本原理
LIDAR是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统，用于获得数据并生 成精确的DEM。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。它又分为日臻成熟的用于获 得地面数字高程模型(DEM)的地形LIDAR系统和已经成熟应用的用于获得水下DEM的水文LIDAR系统，这两种系统 的共同特点都是利用激光进行探测和测量，这也正是LIDAR一词的英文原译，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。
激光雷达测量系统介绍
激光雷达测量系统介绍激光雷达是一种能够通过发射和接收激光束来测量目标位置和形状的传感器。
它使用激光束在目标表面上形成回波并测量返回时间来计算目标与激光雷达的距离。
激光雷达主要由激光发射器、接收器、控制装置和数据处理器组成。
激光发射器发射出一束激光，经过目标后产生回波，回波由接收器接收。
控制装置负责控制激光发射和接收的时间间隔，数据处理器则负责处理接收到的数据，并计算出目标的位置和形状。
激光雷达测量系统具有许多优点。
首先，激光束是光电信号，传输速度快，能够实时获取目标的位置信息。
其次，激光雷达能够在长距离范围内进行测量，同时精度也很高。
再次，激光雷达可以工作在各种环境下，包括光照不好或恶劣天气条件。
最后，激光雷达的测量结果不受目标颜色、形状和纹理的影响，适用于各种不同的目标。
激光雷达测量系统在许多领域有广泛的应用。
在自动驾驶车辆中，激光雷达能够实时感知车辆周围的环境，帮助车辆避免障碍物并规划最优路径。
在机器人领域，激光雷达能够提供环境的三维地图，帮助机器人进行定位和导航。
在建筑工程中，激光雷达可以用于测量建筑物的形状和尺寸，帮助设计和施工过程中的精确测量。
在激光雷达的发展过程中，随着技术的进步，激光雷达的性能和精度也不断提高。
目前，已经出现了多线激光雷达和相位调制激光雷达等新型激光雷达技术。
多线激光雷达能够同时发射多束激光，并在接收端同时接收多个回波，从而提高测量效率。
相位调制激光雷达则能够通过测量激光的相位信息，实现更高的距离分辨率和测量精度。
总之，激光雷达测量系统是一种非常重要的传感技术，它在机器人、自动驾驶车辆、建筑工程等领域有着广泛的应用前景。
随着技术的不断发展，激光雷达的性能和精度将会进一步提高，为各个领域的应用提供更好的支持。
激光雷达技术下册
激光雷达技术下册激光雷达技术是一种利用激光进行距离测量和成像的技术，具有高精度、高分辨率、高抗干扰能力等特点。
本册将详细介绍激光雷达技术的原理、应用及发展趋势，帮助读者全面了解和掌握这一先进技术。
第一章激光雷达技术概述1.1 激光雷达的定义激光雷达（Light Detection and Ranging，简称LiDAR）是一种主动遥感技术，通过发射激光脉冲，并接收从目标反射回来的激光脉冲，计算出激光往返时间，从而测量目标距离。
同时，通过对激光脉冲的编码、调制和信号处理，可以获取目标的详细信息，如三维结构、速度、形状等。
1.2 激光雷达的分类（1）脉冲激光雷达：发射脉冲激光，通过测量激光往返时间来确定目标距离。
（2）连续波激光雷达：发射连续波激光，通过测量激光的频率变化来确定目标距离。
（3）相干激光雷达：利用相干光进行测距，具有高精度、高分辨率的特点。
（4）多普勒激光雷达：利用多普勒效应测量目标速度。
1.3 激光雷达的关键技术（1）激光发射技术：包括激光器的设计、制造及驱动电路。
（2）激光接收技术：包括光电探测器、信号放大、滤波及信号处理等。
（3）光学系统设计：包括激光束的聚焦、扫描及成像等。
（4）数据处理与算法：包括目标检测、跟踪、识别及三维重建等。
第二章激光雷达技术的应用2.1 航空航天领域激光雷达技术在航空航天领域具有广泛的应用，如地形测绘、大气探测、空间目标监测等。
通过激光雷达技术，可以实现高精度、高分辨率的地球表面三维测绘，为航空航天器提供准确的导航、着陆和地形分析数据。
2.2 汽车自动驾驶激光雷达技术在汽车自动驾驶领域具有重要应用，如障碍物检测、车道线识别、车辆定位等。
通过激光雷达技术，可以实现对周围环境的实时、精确感知，为自动驾驶系统提供可靠的数据支持。
2.3 环境监测与灾害预警激光雷达技术在环境监测和灾害预警方面具有重要作用，如森林火灾监测、洪水预警、大气污染监测等。
通过激光雷达技术，可以实现对大范围区域的实时监测，为环境保护和灾害预警提供有力支持。
《激光雷达简介》课件
市场发展前景
自动驾驶
激光雷达是自动驾驶汽车的关键传感器之一，随着自动驾驶市场 的不断扩大，激光雷达市场也将迎来更大的发展空间。
无人机
无人机市场对激光雷达的需求也在不断增长，激光雷达在无人机中 主要用于定位、导航和避障。
地理信息获取
激光雷达在地形测绘、城市规划、资源调查等领域也有广泛应用， 市场前景广阔。
放大与滤波
对接收到的微弱信号进行 放大和滤波处理，以提高 信噪比。
信号解调
从接收到的信号中提取距 离、速度等有用信息。
数据处理技术
数据预处理
对原始数据进行去噪、滤波等处 理，以提高数据质量。
目标识别与跟踪
利用算法对目标物体进行识别和跟 踪，实现动态监测。
三维重建
通过对大量数据进行处理和分析， 重建出目标物体的三维模型。
THANKS
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技术挑战与问题
高精度和高分辨率
如何实现高精度和高分辨率的探测是激光雷达面 临的重要挑战之一。
环境适应性
激光雷达在复杂环境和恶劣天气下的性能和稳定 性需要进一步提高。
数据处理和分析
随着激光雷达数据的不断增加，如何快速、准确 地处理和分析数据成为了一个重要问题。
05
激光雷达的未来应用
无人驾驶汽车
无人驾驶汽车是激光雷达的重要应用领域之一。通过激光雷 达的扫描数据，无人驾驶汽车可以精确地感知周围环境，实 现自主导航、障碍物识别和避障等功能，从而提高道路安全 性和交通效率。
动扫描。
扫描器的性能指标包括扫描角度范围、扫描速度和稳定性等，这些指标 影响着激光雷达的扫描效率和精度。
光电探测器
光电探测器负责接收反射回来的 激光信号，并将其转换为电信号
激光雷达的组成
激光雷达的组成激光雷达是一种高精度、高分辨率的测量技术，被广泛应用于自动驾驶、机器人导航、地形测量等领域。
它可以通过向目标发射激光束，接收反射回来的光信号，并根据信号的时间、强度、相位等特征来确定目标的位置、形状、运动状态等信息。
本文将介绍激光雷达的组成结构，包括激光发射器、光学系统、探测器、信号处理器等部分。
一、激光发射器激光发射器是激光雷达的核心部件，它能够产生高功率、高频率、高稳定性的激光光束。
激光雷达通常采用半导体激光器、气体激光器或固体激光器作为激光发射器。
其中，半导体激光器是最常用的一种，它具有体积小、功耗低、寿命长等优点。
气体激光器则适用于需要高功率、高脉冲能量的应用场合，如激光雷达测距、激光雷达测速等。
固体激光器则具有高稳定性、高重复频率等特点，适用于长时间稳定工作的应用场合。
二、光学系统光学系统是激光雷达的另一个重要部分，它包括激光束发射、接收、聚焦等功能。
光学系统的设计直接影响激光雷达的测量精度、范围和分辨率。
常见的光学系统包括反射镜、透镜、光纤等。
反射镜是最常用的光学元件之一，它能够对激光束进行反射、折射、聚焦等操作。
透镜则适用于需要对激光束进行光学调制、光谱分析等应用场合。
光纤则可以将激光束传输到远距离的目标上，并将反射回来的光信号传回激光雷达。
三、探测器探测器是激光雷达的另一重要组成部分，它能够接收反射回来的光信号，并将其转换成电信号。
探测器的种类包括光电二极管、光电倍增管、光电探测器等。
光电二极管是最常用的探测器之一，它具有高灵敏度、高响应速度等特点。
光电倍增管则适用于需要高增益、低噪声的应用场合。
光电探测器则具有高速度、高分辨率等特点，适用于需要高精度测量的应用场合。
四、信号处理器信号处理器是激光雷达的最后一道防线，它能够对接收到的光信号进行处理、分析、解码等操作。
信号处理器的种类包括数字信号处理器、模拟信号处理器、光学信号处理器等。
数字信号处理器是最常用的信号处理器之一，它具有高速度、高精度、高可靠性等特点。
激光雷达原理(2)精编版课件
光电探测器的平方律特性
E (r , t ) 假定入射的光辐射电场为 ˆU (r , t ) exp(it ) E (r , t ) e
直 接 探 测 理 论
ˆ 偏振方向上的单位矢量， e
U S是入射光辐射电场振幅， (r , t ) 是入射光的角频率。根据波印亭
法则，光辐射场平均功率：
J ( x, y)dxdy 1
t
探测目标后向散射函数：
( x, y, r ) d ( x, y, r ) / dr
接收信号光能量：
ES PS T
Hale Waihona Puke 接收信号光光子数：NS ES / h
其它参量定义： Ar—光学天线有效接收孔径；R—激光雷达 作用距离；or—接收光学系统效率；t—发
后 向 散 射 激 光 雷 达 方 程
r2 exp exp(z ) (z ) 2 Et ( 2 ) z 2 r2 exp exp(z ) ( z ) 2 Er ( 2 ) z 2
P( z ) (c )r02 G( z) exp(2z) P0 8z 2
0 r 1 2Q arctan r 0
2
1/ 2
不 同 目 标 的 激 光 雷 达 距 离 方 程
短脉冲/扩展目标：与发射能量和(D/R)2成比例
未截断零深度硬目标：与发射能量和(D/R)2成比例
截断零深度硬目标：与发射能量、(D/R)4和(1/2)成比例
激 光 束 的 物 理 描 述
G
2 w0
爱里斑的宽度定义为：第一个暗环（第一个 最小值）的角弦， 光束质量一般定义为 M实际发射机束宽(rad);
激光雷达原理(2)
iIF AS ALO cos (LO S )t (LO S
在中频滤波器输出端瞬时中频信号电压为：
VIF AS ALO RL cos (LO S )t (LO S
相 干 探 测 理 论
后 向 散 射 激 光 雷 达 方 程
在考虑高斯光束情况下，即：
Et
exp
r2 (z)2
ex
p
(z)
( 2 )z2
Er
exp
(
r2 z)2
ex
p
(z
)
( 2 )z2
P(z) (c )r02 G(z) exp(2z)
P0
8z2
G(z)
2 2
2
exp
(
2
b2
2
)z
2
PR
S NR2eI (1
式中为含有量子效率D的比例因子，且=De/h。上式中第 一、第二项的平均值，即余弦函数平方的平均值等于1/2；第 三项和频项（余弦函数）的平均值等于零；第四项差频项相 对于光频来说要缓慢得多，与光频相比可视为常数。当差频 (LO-S)/2=IF/2低于光电探测器得截止频率时，光电探测器 就有的光电流输出。
束
决定。习惯上使用半宽度代替整个束宽。
的
当发射光束均匀照明一个圆形输出孔径时， 衍射极限的束宽为
物 理
p
2.44
d
高斯光束的有效束宽定义为e-2(0.1359)
描
峰值功率处的整个宽度。
述
衍射极限发射光束的有效束宽为
G
2 arctan
0
r
1
遥感测量中的激光雷达系统使用方法教程
遥感测量中的激光雷达系统使用方法教程遥感测量是一种通过遥感技术获取地球表面信息的方法。
激光雷达系统是其中一种常用的遥感测量工具，它利用激光束来测量地物的高程、形状和位置等信息。
本文将介绍激光雷达系统的使用方法，以帮助读者更好地理解和应用这一技术。
一、什么是激光雷达系统激光雷达系统由激光发射器、接收器、数据处理单元和地面控制单元等组成。
激光发射器发射短脉冲激光束，激光束经过地面或物体后，一部分被反射回来被接收器接收。
通过测量激光束的出射时间和返回时间差，激光雷达系统可以计算出地表或地物的距离。
二、激光雷达系统在遥感测量中的应用领域1. 地形测量：激光雷达系统可以测量地形的高程和形状，用于制图、土地规划和工程设计等领域。
2. 森林资源调查：激光雷达系统能够获取森林的地形、植被高度和密度等信息，用于森林资源调查和林业管理。
3. 建筑物测绘：激光雷达系统可以快速获取建筑物的立体模型，用于建筑设计、城市规划和文物保护等领域。
4. 水文测量：激光雷达系统可以测量水体的高程和面积，用于水资源管理、洪水预警和海岸线变化监测等。
三、激光雷达系统使用方法教程1. 准备工作：在进行激光雷达测量之前，需要先确定测量区域和测量目标，并选择合适的激光雷达系统。
同时，需要使用地面控制点或GPS等定位设备进行地理定位，以确保测量数据的准确性。
2. 安装激光雷达系统：将激光雷达系统的各部件安装在合适的位置上，确保激光发射器和接收器之间的距离和角度的准确性。
同时，还需调整和校准激光雷达系统的参数，以适应不同的测量需求。
3. 进行测量：启动激光雷达系统，根据预设的测量范围和参数，将激光束发射到目标区域，并接收反射回来的激光束。
逐点或扫面式地进行测量，记录测量结果并保存数据。
4. 数据处理：将测量得到的原始数据进行滤波和配准等处理，以去除噪声和提高数据的精度。
然后，根据需要，将数据进行可视化处理，生成高程模型、三维模型或其他分析结果。
激光雷达系统的原理和应用
激光雷达系统的原理和应用简介激光雷达（Lidar）是一种通过激光束进行测距和感测的技术。
原理激光雷达系统主要由激光器、光电二极管、扫描光学器件和信号处理器组成。
激光器激光器是激光雷达系统中最关键的组件之一。
它通过电流激发产生激光束，通常使用的激光器有固态激光器和半导体激光器。
光电二极管光电二极管用于接收激光束反射回来的光信号，并将其转化为电信号。
扫描光学器件扫描光学器件用于扫描激光束的方向，通常采用旋转镜和电动镜等方式实现。
信号处理器信号处理器用于处理接收到的电信号，对距离、角度等信息进行提取和分析。
应用激光雷达系统在多个领域有着广泛的应用。
自动驾驶激光雷达系统是自动驾驶技术中不可或缺的一部分。
它可以利用激光束对周围环境进行高精度的感测和测距，实现对障碍物、行人和车辆等的识别和跟踪。
遥感测绘激光雷达系统可以通过发射激光束对地面进行测距，从而实现三维地图的生成和测绘。
它在地质勘探、城市规划等领域有着广泛的应用。
环境感知激光雷达系统还可以用于环境感知，例如对建筑物、桥梁和道路等基础设施的监测和检查，以及对航空器、船舶等的导航和定位。
安防监控激光雷达系统可以在安防监控领域实现对场景的实时监测和异常检测。
它可以通过扫描激光束对目标进行跟踪和识别，提供高精度的监控效果。
无人机激光雷达系统还可以在无人机领域实现高精度的定位和飞行控制。
通过对地面的测距和感测，无人机可以实现自主避障和路径规划。
结论激光雷达系统是一种重要的测距和感测技术，在自动驾驶、遥感测绘、环境感知、安防监控和无人机等领域都有着广泛的应用前景。
随着激光雷达技术的不断进步，相信它将会在更多领域发挥重要作用。
激光雷达概述
激光雷达概述1、激光雷达LiDAR(Light Detection and Ranging)的定义及其组成系统激光雷达是激光探测及测距系统的简称。
是⼀种以激光器作为发射光源，采⽤光电探测技术⼿段的主动遥感设备。
激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测⽅式。
由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。
图1 激光雷达技术⽰意图发射系统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以及光学扩束单元等组成。
接收系统采⽤望远镜和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组合。
激光雷达采⽤脉冲或连续波两种⼯作⽅式，探测⽅法按照探测的原理不同可以分为⽶散射、瑞利散射、拉曼散射、布⾥渊散射、荧光、多普勒等激光雷达。
2、激光雷达的基本原理激光雷达是⼀种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与⼀⾝的系统，⽤于获得数据并⽣成精确的数字⾼程模型（DEM）。
这三种技术的结合，可以⾼度准确地定位激光束打在物体上的光斑。
它⼜分为⽬前⽇臻成熟的⽤于获得地⾯数字⾼程模型的地形激光雷达系统和已经成熟应⽤的⽤于获得数字⾼程模型的⽔⽂激光雷达系统，这两种系统的共同特点都是利⽤激光进⾏探测和测量，这也正是激光雷达⼀词的英⽂原译，即：LIght Detection And Ranging - LIDAR。
激光本⾝具有⾮常精确的测距能⼒，其测距精度可达⼏个厘⽶，⽽LIDAR系统的精确度除了激光本⾝因素，还取决于激光、GPS及惯性测量单元(IMU)三者同步等内在因素。
随着商⽤GPS及IMU的发展，通过LIDAR从移动平台上（如在飞机上）获得⾼精度的数据已经成为可能并被⼴泛应⽤。
LIDAR系统包括⼀个单束窄带激光器和⼀个接收系统。
激光器产⽣并发射⼀束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器所接收。
接被收器准确地测量光脉冲从发射到反射回的传播时间。
激光雷达技术专题讲座
激光雷达技术专题讲座尊敬的各位听众，大家好！今天我将为大家介绍激光雷达技术的基本原理和应用。
激光雷达作为一种高精度、高分辨率的远距离测距设备，在机器人导航、自动驾驶、环境感知等领域具有广泛的应用前景。
首先，让我们来了解一下激光雷达的基本原理。
激光雷达利用激光束和接收器进行测量，通过测量激光束从发射器到目标物体的时间差，再加上光速的传播时间，可以计算出目标物体与激光雷达的距离。
同时，激光雷达还可以测量激光束从发射器到目标物体反射回来的角度，从而得到目标物体的位置信息。
因此，激光雷达可以实现对周围环境的距离和位置高精度感知。
在实际应用中，激光雷达的应用非常广泛。
首先，激光雷达在机器人导航领域起到了关键作用。
通过激光雷达的测量，机器人可以实时感知周围环境的障碍物，并根据测量结果进行路径规划和避障。
这在自动导航、清洁机器人等领域具有重要意义。
其次，激光雷达在自动驾驶领域也起到了重要作用。
激光雷达可以实时感知道路上的车辆、行人等障碍物，从而帮助自动驾驶系统做出准确的决策和操作。
此外，激光雷达还可以应用于环境感知、地图构建、三维重建等领域。
激光雷达技术的发展也非常迅速。
近年来，随着激光器、光电器件和信号处理技术的不断进步，激光雷达的性能不断提高，同时价格也大大降低，进一步推动了激光雷达在各个领域的应用。
目前，市面上已经出现了很多种类的激光雷达，包括机械式扫描式激光雷达、固态式激光雷达、旋转式激光雷达等。
这些激光雷达在测距性能、角度分辨率、扫描速度等方面有所差异，因此在实际应用中需要根据具体需求选择适合的激光雷达。
然而，激光雷达技术也面临一些挑战和局限性。
首先，激光雷达虽然能够提供高精度的测距和位置信息，但是在复杂环境中存在一些问题，如光线干扰、物体表面反射率不均匀等。
其次，激光雷达的成本相对较高，限制了其在大规模应用中的普及。
另外，激光雷达对环境的要求较高，尤其是在恶劣天气和夜晚环境中，其性能可能会受到一定影响。
激光雷达遥感课件2PDF版
惯性导航系统
IMU
惯性导航系统中负责姿态测定的陀螺和加速 度计等惯性元件总称为惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)，它是INS的核心部件。 IMU通常由三个加速度计和三个陀螺，数字电路和 CPU组成的。 航测要求：尺寸小、抗干扰、长寿命、稳定可靠
GPS组成
GPS系统包括三大部分：
空间部分——GPS卫星星座 地面控制部分——地面监控系统 用户设备部分——GPS信号接收机
GPS卫星星座
由21颗工作卫星和3颗备用 卫星组成。
均匀分布在六个相互夹角 为60度的轨道平面内。
GPS卫星用L波段两种频率 的无线电波（1575.42MHz 和1227.6MHz）向用户发射 导航定位信号，同时接收 地面发送的导航电文以及 调度命令。
GPS误差包括：
接收机公有的误差 传播延迟误差 接收机固有的误差
DGPS技术可以完全消除第一部分误差，大部分消除 第二部分误差（取决于基准站和流动站之间的距离）
LiDAR系统的DGPS技术
LiDAR系统要求很高的定位精度，采取的是载波相 位差分GPS技术，又称为RTK（Real Time Kinematic） 技术，建立在实时处理两个测站的载波相位观测值 的基础上，它能实时提供观测点的三维坐标，可以 达到厘米级的高精度。
距离ZΔ=CTΔ2T
接收脉冲
距离选通 Tr
Pr 探测阈值
时间
测量激光往返目标所需要时间，然后通过光速c （ 299792458m/s） 和大气折射系数 计算出距离
激光测距技术
信号形式
1）脉冲测距
常见 瞬时功率大（ Nd: YAG激光器能发射宽度为1015ns、波长为1.06μm、峰值功率为2兆瓦的激光）
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激光雷达的分类
按照照使用用目的分类
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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
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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
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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。
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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 。
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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
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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 ；
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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。
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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
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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
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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
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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
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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
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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。
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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；
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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
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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
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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
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激光遥感集成系统
FLI-Map
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激光遥感集成系统
OPTECH SHOALS
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激光遥感集成系统 激光 集成系统
OPTECH ALTM
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激光遥感集成系统
TopEye
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激光遥感集成系统
TopoSys
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国产ALIMS
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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；
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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
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激光雷达系统
激光雷达系统原理框图
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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 ；