面阵激光雷达成像原理、技术及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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周国清，周祥著 著

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出版社： 武汉大学出版社

ISBN：9787307196834

商品编码：25572395764

出版时间：2018-01-01

作  者:周国清,周祥 著 定  价:60 出 版 社:武汉大学出版社 出版日期:2018年01月01日 页  数:243 装  帧:平装 ISBN:9787307196834 ●第1章绪论
●1.1引言
●1.2激光雷达成像技术的发展与现状
●1.3单点激光雷达成像系统的缺点
●1.4面阵激光雷达发展现状
●1.5激光成像仪的基本组成部分
●1.6三种典型激光雷达成像模式与比较
●第2章面阵激光雷达成像原理
●2.1面阵激光雷达成像系统组成
●2.2非相干探测的激光雷达测距原理
●2.3光电探测器工作原理及人APD接收性能分析
●2.4时间间隔测量原理和方法
●2.5面阵激光雷达测距原理
●第3章面阵激光雷达的激光器
●3.1激光器类型
●3.2半导体激光器
●3.3半导体激光器驱动原理
●3.4半导体激光器RC驱动电路
●3.5驱动电路的仿真与实验分析
●……

内容简介

针对目前单点扫描激光雷达成像仪存在对激光器重复频率要求高、需要扫描装置、光学系统设计复杂、 功耗大、成像速度低等缺点，机载和(/或)星载面阵激光雷达成像仪的研制已经成为靠前研究的热点。本书面向当前靠前面阵激光雷达遥感技术发展的前沿，系统地、全面地描述了作者所在课题组近几年来在面阵激光雷达成像仪研究方面的近期新成果，包括面阵激光雷达成像的原理、激光器、光机系统、探测处理、主控系统、多通道高精度量测、面阵激光雷达几何成像模型到面阵激光雷达数据的应用。 周国清,周祥 著 周国清，男，汉族，1965年1月生，江西湖口人，现任桂林理工大学副校长。博士，教授，博士生导师，第六批国家“千人计划”学者，国家863计划地球观测与导航领域专家。入选2014年“国家新世纪百千万人才工程”人员名单。

《光场成像：捕捉立体视角与深度信息的新维度》 一、 引言 在现代成像技术飞速发展的浪潮中，传统的二维成像方式已逐渐显露出其局限性。我们所见的现实世界，不仅仅是表面的色彩和纹理，更蕴含着丰富的空间信息，包括物体间的相对位置、距离远近，以及我们观察者自身所处的视角。光场成像（Light Field Imaging），作为一项突破性的成像技术，正是为了捕捉和重构这一完整的“光场”信息而生。它不再仅仅记录一个固定角度的二维投影，而是同时记录下光线在空间中传播的各个方向和位置信息，从而赋予图像前所未有的深度和立体感，开启了全新的视觉体验和信息获取模式。 本书旨在系统阐述光场成像的核心原理、关键技术以及在各个领域的创新应用。我们将从基础的光学理论出发，深入剖析光场数据采集与重构的复杂过程，并探讨其在三维重建、深度感知、运动跟踪、虚拟现实、增强现实以及科学研究等方面的巨大潜力。通过本书的学习，读者将能够全面理解光场成像的技术优势，掌握其核心算法，并激发其在各自专业领域进行创新性应用。 二、 光场成像的基本原理 1. 光场的概念与数学描述 “光场”并非一个全新的概念，它本质上是对空间中每一点、在每一个方向上传播的光线强度的描述。在光学中，一个完整的四维光场可以被定义为描述空间中所有光线的函数，通常用 $L(x, y, heta, phi)$ 或 $L(x, y, u, v)$ 来表示，其中 $(x, y)$ 代表光线通过的二维空间位置，而 $( heta, phi)$ 或 $(u, v)$ 代表光线传播的二维方向。 基于位置和方向的描述： 以 $(x, y)$ 作为光线通过某个二维平面（例如相机传感器）的位置，而 $(u, v)$ 则描述了该光线在该平面的切线方向。这种四维表示法是理解光场成像的基础。 光场的几何意义： 想象一下，在一个场景中，从任何一个点都可以发出无数条光线，朝向四面八方。光场就是对这些光线的全体进行精确描述。如果能完全捕捉到这些光线信息，我们就能从任意视角“重现”这个场景。 2. 光场成像的核心挑战 捕捉如此高维度的数据，本身就面临着巨大的技术挑战： 数据量庞大： 记录四维光场信息需要远超传统二维相机的数据存储和处理能力。 信息采集的复杂性： 如何设计相机系统，使其能够同时记录不同位置和方向的光线信息，是关键的技术难题。 数据重构的精度： 从采集到的有限光场数据中，精确地重构出原始场景的深度信息和多视角图像，需要复杂的算法支持。 三、 光场相机系统与技术 1. 微透镜阵列（Micro-lens Array, MLA）光场相机 微透镜阵列是目前最主流的光场相机设计方案之一，其核心思想是在主透镜和图像传感器之间放置一层微型透镜阵列。 工作原理： 主透镜将场景光线汇聚，而微透镜阵列则将汇聚后的光线在传感器上聚焦成多个小图像。每个微透镜下的传感器区域记录的光线，实际上是从主透镜的不同位置进入的光线。通过分析这些小图像的差异，就可以推断出光线的方向和场景的深度信息。 优势： 结构相对紧凑，易于集成到现有相机系统中。 挑战： 微透镜的尺寸和质量直接影响成像质量，可能引入衍射效应和像差。每个微透镜覆盖的传感器区域较小，可能影响空间分辨率。 2. 多相机阵列（Multiple Camera Array）光场相机 另一种实现光场成像的方法是利用多个相机并行采集数据。 工作原理： 将多个相机以预设的阵列方式（例如网格状或环形）固定，同步拍摄同一场景。每个相机记录下该特定视角的图像。通过融合多个相机的图像，可以构建出光场信息。 优势： 空间分辨率相对较高，每个相机都可以捕捉到较高质量的图像。 挑战： 相机系统的成本较高，体积较大，对相机之间的标定和同步要求严格，数据融合算法也更为复杂。 3. 其他光场采集技术 除了上述两种主流方案，还有一些其他创新的光场采集技术： 焦距扫描（Focus Scanning）： 通过连续改变相机的焦距，采集一系列不同景深下的图像。从这些不同焦平面上的图像中，可以反演出场景的深度信息，从而构建出光场。 衍射光学器件（Diffractive Optical Elements, DOE）： 利用衍射元件的特性，将不同方向的光线编码到传感器上的特定位置，从而实现光场信息的采集。 单相机多视角采集（Single-camera Multi-view Acquisition）： 通过设计特定的光学系统，如利用可变形反射镜或改变相机内部光学路径，使单个相机能够采集到不同视角的图像，再进行融合。 四、 光场数据的处理与重构 采集到的光场数据是一个复杂的多维信息集合，需要经过一系列精密的算法处理才能转化为有用的信息。 1. 光场数据表示与解析 子孔径图像（Sub-aperture Images）： 微透镜阵列相机采集的数据，本质上是由一系列子孔径图像组成的。每个子孔径图像对应于主透镜的一个特定区域所采集到的图像。 视差（Disparity）分析： 通过比较不同子孔径图像中同一场景点的偏移量，可以计算出该点的视差。视差与深度信息成反比，因此是计算深度的关键。 光线追踪（Ray Tracing）： 基于对光场数据的数学模型，可以模拟光线的传播路径，从而重构出场景的三维几何信息。 2. 深度图（Depth Map）的生成 深度图是光场成像最直接的应用之一。它将场景中每个像素点到相机的距离信息以灰度值或数值的形式表示出来。 基于视差的深度估计： 通过计算不同视角下场景点之间的视差，可以推算出其在三维空间中的深度。 基于图像聚焦（Image Defocus）的深度估计： 在光场图像中，不同深度的物体在不同焦平面上会呈现出不同的模糊程度。通过分析图像的聚焦程度，可以反演出物体的深度。 结合多信息融合： 结合视差、聚焦、纹理等多种信息，能够更鲁棒、更精确地生成深度图。 3. 新视角合成（Novel View Synthesis） 光场成像最令人惊叹的能力之一，就是能够根据采集到的光场数据，合成出在任意视角下的新图像，实现“焦点可调”和“视角可变”的视觉效果。 基于几何变换的方法： 根据光场数据中的方向信息，对图像进行几何变换和重投影，模拟不同视角的成像效果。 基于学习的方法： 利用深度学习模型，学习光场数据与新视角图像之间的映射关系，实现高效、逼真的新视角合成。 4. 三维重建（3D Reconstruction） 光场成像为三维重建提供了丰富的几何信息，能够更精确地重建出场景的形状、结构和纹理。 从深度图进行网格化： 利用生成的深度图，可以生成场景的三维点云，再通过网格化算法构建出三维模型。 直接从光场数据进行体素重建： 某些高级算法可以直接从四维光场数据中重建出场景的三维体素模型。 五、 光场成像的应用领域 光场成像技术因其独特的优势，在诸多领域展现出巨大的应用前景。 1. 计算机视觉与图形学 三维测量与建模： 在工业制造、文物保护、建筑设计等领域，实现高精度的三维测量和场景建模。 虚拟现实（VR）与增强现实（AR）： 提供逼真的三维场景和准确的深度信息，极大地提升VR/AR体验的沉浸感和交互性。例如，在AR应用中，可以将虚拟物体准确地放置在真实环境中，并与真实场景进行自然的交互。 图像与视频处理： 实现场景的“后处理”编辑，如自由调整焦点、改变景深、甚至修改场景中的物体位置和大小。 2. 机器人与自动驾驶 环境感知与导航： 为机器人和自动驾驶车辆提供更丰富、更准确的环境感知能力，包括物体的距离、大小、形状以及场景的立体结构，从而实现更安全、更智能的导航和决策。 障碍物检测与避障： 精确的深度信息有助于机器人和车辆更有效地检测和规避障碍物。 3. 医疗健康 医学影像： 在内窥镜、手术显微镜等应用中，提供更清晰、更具深度的三维视觉信息，辅助医生进行诊断和手术操作。例如，在微创手术中，操作者能够更直观地感知手术器械与组织的相对位置，提高手术的精准度。 康复辅助： 用于制作沉浸式的康复训练场景，帮助患者进行视觉和肢体康复。 4. 科学研究 显微成像： 在生物学、材料科学等领域，实现高分辨率、大景深的三维显微成像，深入研究微观世界的结构与动态。 流体动力学与光学测量： 用于测量流体的三维速度场、温度场等，以及进行精确的光学参数测量。 5. 消费电子产品 智能手机： 在智能手机中集成光场相机，可以实现“先拍照后对焦”的功能，以及生成具有空间感的3D照片和视频，为社交媒体分享带来全新的体验。 无人机： 用于更精确的地理测绘、环境监测以及影视拍摄。 六、 前沿技术与未来展望 光场成像技术仍在不断发展，涌现出许多前沿的研究方向： 高分辨率光场成像： 克服现有技术的空间分辨率限制，实现更高精度的三维信息采集。 实时光场处理与显示： 提高光场数据的处理速度，实现实时的光场显示和交互。 无透镜光场成像（Lensless Light Field Imaging）： 探索无需微透镜阵列等复杂光学器件的光场采集方法，进一步简化相机设计。 深度学习在光场成像中的融合： 利用更先进的深度学习模型，提升光场重构的精度、鲁棒性和效率。 七、 结论 光场成像技术以其捕捉完整空间光线信息的能力，正在深刻地改变我们观察和理解世界的方式。从基础原理的探索到关键技术的突破，再到在各个领域的广泛应用，光场成像正逐渐从实验室走向现实，成为下一代成像技术的重要方向。本书旨在为您提供一个全面、深入的视角，帮助您理解这一激动人心的技术，并激发您在相关领域的创新与探索。随着技术的不断进步，我们有理由相信，光场成像将在未来带来更多颠覆性的应用，为人类社会的科技发展和社会进步做出更大的贡献。

评分☆☆☆☆☆

这本书我拿到手已经有一段时间了，虽然我并不是激光雷达领域的专业人士，但我一直对高科技成像技术充满好奇。拿到这本《面阵激光雷达成像原理、技术及应用》后，我本来抱着学习一些基础知识的目的。但读下来，发现它远不止是“基础”。 书的开篇部分，对于激光的产生、传播以及与物质相互作用的物理原理，讲解得相当透彻，甚至深入到了量子力学层面。一开始我有些担心会过于枯燥，但作者巧妙地将复杂的物理概念与实际的应用场景联系起来，比如通过光强衰减、散射效应等来解释为什么激光在不同介质中的探测距离和效果会有差异。我印象最深的是关于“相干性”的论述，它直接关系到干涉式激光雷达的精度，书中用通俗易懂的比喻解释了为什么高相干性的激光束能够实现更精确的测量。 随后，它逐步过渡到了面阵激光雷达的成像机理。这里的“面阵”概念，对于我这种非专业读者来说，是一个巨大的知识点。我之前接触的很多成像设备都是扫描式的，而面阵一次性获取整个面的信息，效率和信息量上都有质的飞跃。书中详细阐述了不同类型的面阵激光雷达，比如TOF（Time-of-Flight）和FMCW（Frequency-Modulated Continuous Wave）的原理，以及它们各自的优缺点。TOF部分，我理解为就像给物体发出一束光，然后测量光往返的时间来计算距离，而FMCW则更像是通过发送不同频率的光来“调频”然后分析回波信号的频率变化来测距。书中对这两种方法的数学模型和信号处理流程都有详细的介绍，虽然部分数学公式让我有些吃力，但我能感受到它背后严谨的逻辑。 再往后，就是关于“技术”的部分，这让我看到了理论如何转化为实际应用。关于探测器、光学元件、信号处理芯片等关键硬件的介绍，让我对构成一个完整的激光雷达系统有了更直观的认识。书中还提到了各种先进的探测技术，比如 SPAD（Single-Photon Avalanche Diode）阵列，这种技术能够探测到单光子级别的信息，这在极低光照条件下进行成像时至关重要。对于数据采集和预处理的讨论，也让我了解到从原始的激光点云数据到最终的可视化图像，需要经过一系列复杂的算法处理，包括滤波、去噪、配准等等。 最后，关于“应用”的部分，更是让我眼前一亮。书中列举了激光雷达在自动驾驶、三维测绘、机器人导航、安防监控、工业检测等多个领域的应用案例。我特别关注了自动驾驶部分，书中解释了激光雷达如何为车辆提供精准的周围环境信息，实现障碍物检测、车道线识别、地图构建等功能。我还看到了它在虚拟现实和增强现实中的应用，通过精确的三维扫描，可以创建高度逼真的虚拟场景。总的来说，这本书虽然专业性很强，但对于想要了解激光雷达技术发展脉络和应用前景的读者来说，绝对是一本值得深入研读的佳作。

评分☆☆☆☆☆

读完《面阵激光雷达成像原理、技术及应用》这本书，我最大的感受是，原来我们眼中“看不见”的世界，可以通过这样一种技术被如此精确地“测量”和“描绘”出来。我一直对那些能够提供三维空间信息的设备很感兴趣，而这本书，正是将激光雷达这一神奇技术，从“是什么”到“怎么用”，进行了深入浅出的剖析。 书的开篇，作者就从激光本身的基本特性入手，讲解了激光是如何产生、传播，以及与物体发生相互作用的。这些基础知识对于理解激光雷达的工作原理至关重要。特别是关于激光的相干性、方向性和单色性，在书中得到了非常详尽的阐述，这让我明白为什么激光能够实现高精度的测距和成像。随后，它就引出了面阵激光雷达的核心概念——即一次性获取整个二维图像信息，这与传统逐点扫描的激光雷达有着本质的区别。书中对不同类型的面阵激光雷达，如TOF和FMCW，进行了详细的原理介绍，并对比了它们在测距精度、抗干扰能力和成本等方面的差异。 在“技术”层面，这本书更是将理论与实践紧密结合。它不仅介绍了激光雷达系统的组成部分，包括激光器、光学系统、探测器阵列、信号处理单元等，还深入讲解了各种关键技术。例如，关于探测器阵列的类型、性能指标以及如何提高探测效率的讨论，让我对激光雷达的“眼睛”有了更深的认识。同时，书中对数据采集、信号处理、点云滤波、目标识别等方面的算法介绍，也让我看到了如何从原始的激光数据中提取出有用的信息，并构建出高质量的三维模型。 而“应用”部分，更是这本书最吸引我的地方。我看到了面阵激光雷达在自动驾驶领域的革命性作用，它如何为车辆提供全方位的环境感知，实现安全可靠的导航。我也了解到，在三维测绘、机器人导航、虚拟现实、安防监控、工业检测等众多领域，激光雷达都扮演着越来越重要的角色。书中列举了许多具体的应用案例，让我对这项技术在现实世界中的价值有了更直观的体会。 总的来说，这本书的优点在于它能够将一个相对复杂的技术，通过清晰的逻辑、详细的阐述以及丰富的案例，呈现在读者面前。它既有严谨的科学理论作为支撑，又不乏贴近实际的应用视角，对于想要深入了解激光雷达成像技术的人来说，无疑是一本非常值得推荐的读物。

评分☆☆☆☆☆

我一直对那种能够“看穿”世界的科技很着迷，激光雷达无疑是其中最让我好奇的之一。收到《面阵激光雷达成像原理、技术及应用》这本书后，我迫不及待地翻阅起来，想看看它到底能给我揭示怎样的奥秘。 这本书的结构安排得相当合理，从“原理”到“技术”再到“应用”，层层递进，逻辑清晰。在“原理”部分，作者用一种非常严谨但不失趣味的方式，解释了激光是如何产生和传播的，以及它与物质相互作用的物理机制。我尤其对“衍射”、“干涉”等概念在激光雷达成像中的作用有了更深的理解，这让我明白为什么激光雷达能够实现如此高精度的测距和成像。书中还详细讲解了面阵激光雷达与传统扫描式激光雷达在工作方式上的根本区别，以及面阵技术带来的效率和信息量上的优势。 “技术”部分则让我看到了这项技术是如何从理论走向实践的。关于激光发射单元、光学接收单元、以及核心的探测器阵列，书中都进行了详细的介绍。我特别关注了不同类型探测器的优劣势分析，以及它们在不同应用场景下的选择依据。同时，书中对信号处理和数据融合技术的阐述，也让我意识到，从原始的激光回波到最终的高质量三维图像，需要经过一系列复杂的算法和处理流程。这些技术细节，对于理解激光雷达的性能至关重要。 “应用”部分则是我最感兴趣的。这本书非常全面地展示了面阵激光雷达在各个领域的应用前景。我看到了它在自动驾驶领域的关键作用，如何帮助车辆构建周围环境的三维地图，实现精准避障和路径规划。我还了解到，在机器人导航、三维测绘、虚拟现实、安防监控等领域，激光雷达也发挥着不可替代的作用。书中甚至提到了它在一些新兴领域的应用，比如无人机巡检和工业自动化，这让我对这项技术的发展潜力有了更深的认识。 这本书的优点在于，它既有理论深度，又有实际应用广度。作者在讲解复杂技术的同时，尽量用通俗易懂的语言来阐述，并辅以图示和案例，使得非专业读者也能相对容易地理解。这本书对于我来说，不仅仅是了解一项技术，更是看到了科技如何改变世界的一个缩影。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书，我其实是抱着一种“碰碰运气”的心态。市面上关于各种高科技技术的书籍琳琅满目，很多时候，它们要么过于浅显，要么又过于晦涩，很难找到那种既能让你涨知识，又能让你觉得“学有所用”的书。而这本《面阵激光雷达成像原理、技术及应用》，在我看来，恰好就做到了这一点。 这本书给我的第一印象是，它对“原理”的阐述相当扎实。作者并没有直接跳到高大上的技术名词，而是循序渐进地从激光的基本特性讲起。我之前对激光的理解仅仅停留在“发光”的层面，但书中详细讲解了激光的单色性、方向性、相干性等关键性质，以及这些性质是如何通过泵浦、谐振腔等物理过程实现的。这让我对激光的产生有了更深层次的认识。 接着，它深入到面阵激光雷达的“成像”环节。让我印象深刻的是，书中对“点云”这一概念的解释。我一直以为激光雷达输出的是一张张照片，但实际上它输出的是三维空间中的无数个点，每个点都带有距离、强度等信息。这本书详细解释了面阵激光雷达是如何通过一次性发射和接收多束激光，然后通过测量每束激光的返回时间或相位差，来构建出这个三维点云的。书中还对比了不同的面阵扫描方式，以及它们在效率和数据质量上的差异。 在“技术”部分，我看到了一些让我觉得非常“前沿”的内容。比如，关于新型探测器技术的介绍，像CMOS图像传感器在激光雷达中的应用，以及各种抗干扰技术。我还了解到，为了提高成像的精度和分辨率，需要在光学设计、电子硬件以及软件算法等多个层面进行协同优化。书中对信号处理的讲解，从原始的模拟信号如何转化为数字信号，再到各种降噪、滤波和特征提取算法，都给出了详细的说明。 最后，“应用”部分更是这本书的亮点。我看到了激光雷达在现实世界中的各种“酷”应用。特别是在无人机和机器人领域，激光雷达是如何帮助它们“看清”周围的环境，实现自主导航和避障的。书中还提到了它在工业自动化、文物保护等领域的应用，这些是我之前很少接触到的。这本书的价值在于，它不仅展示了技术的“能做什么”，更让我理解了“为什么能做”以及“如何做”。

评分☆☆☆☆☆

我通常对技术类的书籍不太感冒，总觉得离我的生活太遥远，而且一旦涉及专业名词，就很容易产生畏难情绪。但这次偶然翻阅了《面阵激光雷达成像原理、技术及应用》，却意外地发现它并没有那么“高冷”。 首先，这本书的“原理”部分，我觉得写得非常有条理。它并没有一开始就抛出复杂的公式，而是先从激光的基本物理概念入手，比如激光的相干性、单色性等，然后慢慢引申到激光雷达的工作原理。书中对不同类型的激光雷达，比如脉冲式和连续波式，以及它们各自的优势和劣势，都做了清晰的对比。我印象深刻的是关于“回波信号”的讲解，理解了激光在遇到物体后，会产生不同强度和延迟的回波，而激光雷达正是通过分析这些回波来获取信息的。 接着，“技术”部分则更像是给我打开了一扇新世界的大门。我之前一直以为成像设备就是一个“盒子”，里面有什么元器件是看不见的。但这本书把激光雷达的“心脏”——探测器，以及“眼睛”——光学系统，都进行了详细的介绍。特别是关于面阵探测器的部分，它让我明白了为什么叫做“面阵”，以及这种技术相比于传统扫描式激光雷达在效率上的巨大提升。书中还提到了很多关于信号处理的技术，比如如何从杂乱的信号中提取出有用的信息，如何提高成像的稳定性和鲁棒性，这部分让我感觉非常“实在”。 在“应用”方面，这本书更是让我惊叹不已。我一直对自动驾驶很感兴趣，而书中详细介绍了激光雷达在自动驾驶中的核心作用，比如它如何为车辆提供精准的周围环境感知，实现障碍物检测、路径规划等。我还看到了激光雷达在三维重建、虚拟现实、安防监控等领域的广泛应用，这些都让我看到了这项技术巨大的发展潜力。书中还提到了它在一些我之前意想不到的领域，比如精准农业和医疗影像，这让我对激光雷达的想象空间又拓宽了。 总的来说，这本书虽然涵盖了相当多的专业知识，但作者的叙述方式很清晰，而且非常注重将理论与实际相结合。对于像我这样非专业出身的读者来说，它提供了一个很好的学习路径，让我能够逐步理解这项复杂但又极具前景的技术。