哈工大激光雷达课件一——激光雷达基本知识..
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转动来扫描，优点是扫描线性好、精度高， 缺点是体积大、价格高；
一 基 本 知 识
检流计式振镜扫描器，扫描角15；
声子偏转器，利用声光效应使入射光线产 生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描
角不大，一般在3左右
压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的 新型扫描器； 全息光栅扫描器。 光学相位扫描 MEMS扫描器
5.
激光雷达的基本体制
同微波雷达一样，可以依据信号形式、 探测方式和测量原理等对激光雷达体制
一 基 本 知 识
进行分类。
按不同信号形式: ①脉冲 ②连续波 ③每一类中又有不同的信号波形。
按不同探测方式: ①直接探测（能量探测）; ②相干探测（外差探测）
按不同功能:
①跟踪雷达（测距和测角）; ②测速雷达（测量多普勒信息）;
一 基 本 知 识
汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器
③
光学天线 透射式望远镜（开普勒、伽利略）
反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）
收发合置光学天线 收发分置光学天线
自由空间光路
全光纤光路 波片（四分之一、二分之一）
分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片
④ 光学扫描器。
多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的
⑤ 大气环境监测
⑥ 主动遥感
7. 研究内容及关键技术
① 激光器技术
一 基 本 知 识
② 探测器及探测技术 ③ 大气传输特性 ④ 激光雷达理论
性、功率、信号形式、功率要求、平台限
制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程 度、可靠性、成本和技术成熟程度等。
从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光器、 CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激 光器、光纤激光器等最具有代表性。
②
光电探测器。
适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电 二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉
一 基 本 知 识
③动目标指示雷达（目标的多普勒信息）;
④成像雷达（测量目标不同部位的反射强 度和距离等信号）;
⑤差分吸收雷达（目标介质对特定频率光
的吸收强度）等。
用微波相控阵原理的激光相控阵雷达 利用微波合成孔径原理的激光合成孔径
雷达。
6.
激光雷达的应用
① 跟踪
一 基 本 知 识
② 成像制导 ③ 三维视觉系统 ④ 测风
信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷 达中的成熟技术。
表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较
微波雷达
宏 观 雷 达 评 性 价 能 种 类
毫米波雷达
激光雷达
一 基 本 知 识
跟踪测量精度 综
合
下 上 上 下 上 下 下
中 中 中 中 中 中 中
上 下 下 上 下 上 上
作用距离 目标搜索和捕获能力 目标识别能力 全天候工作能力 抗电子干扰能力 抗反辐射导弹能力
激光雷达技术（1）
基本知识、应用前景、发展概况
哈尔滨工业大学航天学院 王春晖
1. 2.
绪论 基本知识、应用前景、发展概况 激光雷达基本理论 雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等
课 程 主 要 内 容
3.
4. 5. 6. 7.
激光成像雷达
工作原理、设计方法、典型举例 激光测风雷达 工作原理、设计方法、典型举例 激光差分吸收雷达 工作原理、设计方法、典型举例 信号处理方法
微弱信号检测、数字化处理与算法
数据处理方法 数据反演、显示
1. 学时安排：20，1~5周
一、基本知识
1.
激光雷达的概念及内涵
“雷达”(RADAR-Radio Detection And Ranging)。传统的雷达是以微波和毫米波
一 基 本 知 识
作为载波的雷达，大约出现1935年左右。
最早公开报道提出激光雷达的概念是: 1967年美国国际电话和电报公司提出的，
抗隐身目标能力
低仰角跟踪能力 低截获概率能力 多目标探测和跟踪能力 技术成熟程度
下
下 下 上 上
中
中 中 中 中
上Leabharlann Baidu
上 上 下 下
3.
激光雷达的优点
工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。 激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒
一 基 本 知 识
频率非常高，因而速度分辨率极高。
工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效 频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。
一 基 本 知 识
单色性和相干性好。
气体激光器的谱线宽度可达10-3~10-4nm，而且频
率稳定度能做得很高，可实现高灵敏度外差接收。
4.
①
激光雷达的基本构成
激光器。 激光器是激光雷达的核心器件。激光器种
一 基 本 知 识
类很多，性能各异，究竟选择哪种激光器
作为雷达辐射源，往往要对各种因素加以 综合考虑，其中包括：波长、大气传输特
有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲
（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达 厘米量级）测距。
能量高度集中。
用很小的准直孔径（10cm左右）即可获得很高的 天线增益和极窄的波束（1mrad左右），而且无 旁瓣，因而可实现高精度测角（优于0.1mrad）、 单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像，且 不易被敌方截获，自身隐蔽性强。
主要用于航天飞行器交会对接，并研制出
原理样机;1978年美国国家航天局马歇尔航 天中心研制成CO2相干激光雷达.
激光雷达(LADAR-Laser Detection And Ranging)是以激光作为载波的雷达，以光 电探测器为接收器件，以光学望远镜为天 线的雷达。
早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-Light
2.
激光雷达与微波雷达的异同
激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它 是在微波雷达技术基础上发展起来的，两
一 基 本 知 识
者在工作原理和结构上有许多相似之处
工作频率由无线电频段改变成了光频段， 雷达具体结构、目标和背景特性上发生了
变化。微波天线由光学望远镜代替；接收
通道中微波雷达可以直接用射频器件对接 收信号进行放大、混频和检波等处理，激 光雷达则必须用光电探测器将光频信号转 换成电信号后进行处理。
Detection And Ranging)，这里所谓的 光实际上是指激光。现在，普遍采用
一 基 本 知 识
LADAR这个术语，以区别于原始而低级的
LIDAR。
以后世界上陆续提出并实现：激光多普
勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、
激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、 微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、 激光相控阵雷达等。
一 基 本 知 识
检流计式振镜扫描器，扫描角15；
声子偏转器，利用声光效应使入射光线产 生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描
角不大，一般在3左右
压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的 新型扫描器； 全息光栅扫描器。 光学相位扫描 MEMS扫描器
5.
激光雷达的基本体制
同微波雷达一样，可以依据信号形式、 探测方式和测量原理等对激光雷达体制
一 基 本 知 识
进行分类。
按不同信号形式: ①脉冲 ②连续波 ③每一类中又有不同的信号波形。
按不同探测方式: ①直接探测（能量探测）; ②相干探测（外差探测）
按不同功能:
①跟踪雷达（测距和测角）; ②测速雷达（测量多普勒信息）;
一 基 本 知 识
汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器
③
光学天线 透射式望远镜（开普勒、伽利略）
反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）
收发合置光学天线 收发分置光学天线
自由空间光路
全光纤光路 波片（四分之一、二分之一）
分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片
④ 光学扫描器。
多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的
⑤ 大气环境监测
⑥ 主动遥感
7. 研究内容及关键技术
① 激光器技术
一 基 本 知 识
② 探测器及探测技术 ③ 大气传输特性 ④ 激光雷达理论
性、功率、信号形式、功率要求、平台限
制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程 度、可靠性、成本和技术成熟程度等。
从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光器、 CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激 光器、光纤激光器等最具有代表性。
②
光电探测器。
适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电 二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉
一 基 本 知 识
③动目标指示雷达（目标的多普勒信息）;
④成像雷达（测量目标不同部位的反射强 度和距离等信号）;
⑤差分吸收雷达（目标介质对特定频率光
的吸收强度）等。
用微波相控阵原理的激光相控阵雷达 利用微波合成孔径原理的激光合成孔径
雷达。
6.
激光雷达的应用
① 跟踪
一 基 本 知 识
② 成像制导 ③ 三维视觉系统 ④ 测风
信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷 达中的成熟技术。
表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较
微波雷达
宏 观 雷 达 评 性 价 能 种 类
毫米波雷达
激光雷达
一 基 本 知 识
跟踪测量精度 综
合
下 上 上 下 上 下 下
中 中 中 中 中 中 中
上 下 下 上 下 上 上
作用距离 目标搜索和捕获能力 目标识别能力 全天候工作能力 抗电子干扰能力 抗反辐射导弹能力
激光雷达技术（1）
基本知识、应用前景、发展概况
哈尔滨工业大学航天学院 王春晖
1. 2.
绪论 基本知识、应用前景、发展概况 激光雷达基本理论 雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等
课 程 主 要 内 容
3.
4. 5. 6. 7.
激光成像雷达
工作原理、设计方法、典型举例 激光测风雷达 工作原理、设计方法、典型举例 激光差分吸收雷达 工作原理、设计方法、典型举例 信号处理方法
微弱信号检测、数字化处理与算法
数据处理方法 数据反演、显示
1. 学时安排：20，1~5周
一、基本知识
1.
激光雷达的概念及内涵
“雷达”(RADAR-Radio Detection And Ranging)。传统的雷达是以微波和毫米波
一 基 本 知 识
作为载波的雷达，大约出现1935年左右。
最早公开报道提出激光雷达的概念是: 1967年美国国际电话和电报公司提出的，
抗隐身目标能力
低仰角跟踪能力 低截获概率能力 多目标探测和跟踪能力 技术成熟程度
下
下 下 上 上
中
中 中 中 中
上Leabharlann Baidu
上 上 下 下
3.
激光雷达的优点
工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。 激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒
一 基 本 知 识
频率非常高，因而速度分辨率极高。
工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效 频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。
一 基 本 知 识
单色性和相干性好。
气体激光器的谱线宽度可达10-3~10-4nm，而且频
率稳定度能做得很高，可实现高灵敏度外差接收。
4.
①
激光雷达的基本构成
激光器。 激光器是激光雷达的核心器件。激光器种
一 基 本 知 识
类很多，性能各异，究竟选择哪种激光器
作为雷达辐射源，往往要对各种因素加以 综合考虑，其中包括：波长、大气传输特
有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲
（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达 厘米量级）测距。
能量高度集中。
用很小的准直孔径（10cm左右）即可获得很高的 天线增益和极窄的波束（1mrad左右），而且无 旁瓣，因而可实现高精度测角（优于0.1mrad）、 单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像，且 不易被敌方截获，自身隐蔽性强。
主要用于航天飞行器交会对接，并研制出
原理样机;1978年美国国家航天局马歇尔航 天中心研制成CO2相干激光雷达.
激光雷达(LADAR-Laser Detection And Ranging)是以激光作为载波的雷达，以光 电探测器为接收器件，以光学望远镜为天 线的雷达。
早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-Light
2.
激光雷达与微波雷达的异同
激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它 是在微波雷达技术基础上发展起来的，两
一 基 本 知 识
者在工作原理和结构上有许多相似之处
工作频率由无线电频段改变成了光频段， 雷达具体结构、目标和背景特性上发生了
变化。微波天线由光学望远镜代替；接收
通道中微波雷达可以直接用射频器件对接 收信号进行放大、混频和检波等处理，激 光雷达则必须用光电探测器将光频信号转 换成电信号后进行处理。
Detection And Ranging)，这里所谓的 光实际上是指激光。现在，普遍采用
一 基 本 知 识
LADAR这个术语，以区别于原始而低级的
LIDAR。
以后世界上陆续提出并实现：激光多普
勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、
激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、 微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、 激光相控阵雷达等。