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赵继广，杜小平，曾朝阳 著

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• 调频连续波激光
• FMCW激光
• 激光探测
• 光纤激光
• 相移测量
• 距离测量
• 气体检测
• 工业测量
• 激光技术
• 精密测量

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出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118099331

商品编码：29434130745

包装：平装

出版时间：2015-04-01

基本信息

书名：调频连续波激光探测技术

定价：65.00元

作者：赵继广,杜,曾朝阳

出版社：国防工业出版社

出版日期：2015-04-01

ISBN：9787118099331

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书紧密结合复杂战场环境对激光探测系统在探测精度、抗干扰性能方面的军事需求，在综合分析、比较外相关领域发展的基础上，将微波雷达中调频连续波探测技术与激光测距技术相结合，系统介绍了一种新体制激光近距离探测技术--调频连续波激光探测技术，该技术在近距离具有定距精度高、抗干扰能力强等优点。

目录

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章 绪论
1.1 典型激光探测技术体制基本原理及特点
1.1.1 典型激光探测技术体制分类
1.1.2 脉冲飞行时间激光探测技术基本原理与特点
1.1.3 脉冲增益调制激光探测技术基本原理与特点
1.1.4 光子计数激光探测技术基本原理与特点
1.1.5 鉴相式连续波激光探测技术基本原理与特点
1.1.6 调频连续波激光探测技术基本原理与特点
1.1.7 激光三角探测技术基本原理与特点
1.2 调频连续波激光探测技术优势与应用前景
1.2.1 调频连续波激光探测技术优势
1.2.2 调频连续波激光探测技术应用前景
1.3 调频连续波激光探测技术现状及发展趋势
1.3.1 调频连续波激光探测技术总体现状及趋势
1.3.2 调制与发射关键技术现状及趋势
1.3.3 光电混频接收关键技术现状及趋势
1.3.4 信号处理关键技术现状及趋势
参考文献
第2章 调频连续波激光探测机理
2.1 调频连续波激光探测基本原理
2.2 调频连续波激光探测系统基本组成
2.3 调频连续波激光测距方程
2.4 距离分辨力和测距精度
2.5 激光测距的多普勒效应
参考文献
第3章 调频连续波激光探测调制发射
3.1 调频连续波激光调制发射原理及系统组成
3.1.1 调频连续波激光调制原理
3.1.2 调制发射系统组成及关键技术
3.2 线性调频信号生成
3.2.1 线性调频信号的生成方法概述
3.2.2 基于DDS的Chirp信号生成
3.2.3 Chirp信号参数对FMCW激光探测系统性能的影响分析
3.3 激光高频宽带调制与放大
3.3.1 常用激光调制方法及原理
3.3.2 FMCW激光探测系统大功率宽带调制
3.3.3 已调激光的放大
3.4 激光发射光学系统
3.4.1 激光传输特性与准直扩束
3.4.2 常用激光发射光学系统
3.4.3 FMCW激光探测发射光学系统构建
参考文献
第4章 调频连续波激光探测混频接收技术
4.1 调频连续波激光混频接收原理及系统组成
4.1.1 调频连续波激光探测光电混频原理
4.1.2 混频接收系统组成
4.2 FMCW激光探测接收系统的实现结构
4.2.1 电混频光接收机前端实现结构
4.2.2 光电混频光接收机前端实现结构
4.2.3 电混频与光电混频接收机性能比较
4.3 基于量子阱电光反射调制器和电压调制光电探测器的光电混频
4.3.1 基于量子阱电光反射调制器的光电混频方法
4.3.2 基于电压调制光电探测器的光电混频方法
4.4 基于ICCD的光电混频
4.4.1 基于ICCD的光电混频方法概述
4.4.2 ICCD电子轰击倍增过程过剩噪声因子
4.4.3 ICCD光电混频模型
4.5 基于EBAPS的光电混频
4.5.1 EBAPS概述
4.5.2 EBAPS电子轰击倍增过程过剩噪声因子
4.5.3 EBAPS光电混频模型
4.6 基于MSM的光电混频
4.6.1 MSM概述
4.6.2 MSM电压—电流模型
4.6.3 MSM光电混频模型
4.6.4 MSM光电混频性能
4.7 基于APD的光电混频
4.7.1 APD概述
4.7.2 APD电压—电流模型
4.7.3 APD光电混频模型
4.7.4 APD光电混频性能
参考文献
第5章 调频连续波激光探测信号处理方法
5.1 调频连续波激光探测回波信号特性
5.1.1 中频信号时域分析
5.1.2 中频信号频域分析
5.1.3 FMCW激光探测信号的多普勒效应分析
5.1.4 近距高速目标回波信号频谱及TBP影响分析
5.1.5 中频信号的噪声频域统计特性
5.2 调频连续波激光探测信号检测方法
5.2.1 频域过门限检测方法
5.2.2 基于频域自适应阈值的恒虚警检测方法
5.3 回波信号的距离—速度解耦
5.3.1 距离—速度解耦合分析
5.3.2 调频连续波激光探测信号模糊函数
5.3.3 距离一速度解耦原理
5.4 中频信号频谱细化方法
5.4.1 频谱细化方法概述
5.4.2 时域补零法
5.4.3 基于实输出结构的ZFFT变换法
5.4.4 Chirp—Z变换法
5.4.5 FFT—Chirp—Z频谱细化方法
5.4.6 频谱细化方法性能分析
5.5 调频连续波激光探测目标信息提取方法
5.5.1 基于二维傅里叶变换的目标信息提取方法
5.5.2 基于距离补偿的目标信息提取方法
5.5.3 基于速度补偿的目标信息提取方法
5.5.4 基于参数估计的目标距离与速度信息快速提取方法
5.5.5 基于二次混频和变周期调频解耦的多目标信息提取方法
5.5.6 基于余弦变换的多目标分辨方法
参考文献
第6章 调频连续波激光探测性能分析
6.1 调频连续波激光探测性能影响因素
6.1.1 发射子系统对探测性能的影响因素分析
6.1.2 接收子系统对探测性能的影响因素分析
6.1.3 传输介质对探测性能的影响因素分析
6.1.4 信号处理子系统对探测性能的影响因素分析
6.2 激光器调制发射对探测性能的影响
6.2.1 探测系统光源的影响分析
6.2.2 发射激光信号调制特性的影响分析
6.3 调频连续波激光探测接收对探测性能的影响
6.3.1 接收光学系统对信噪比的影响
6.3.2 探测器对信噪比的影响
6.3.3 信号解调系统对信噪比的影响
6.3.4 中频信号调理模块对信噪比的影响
6.4 传输介质对调频连续波激光探测性能的影响
6.4.1 激光探测系统在气溶胶环境下的探测过程分析
6.4.2 气溶胶的散射特性
6.4.3 气溶胶对FMCW激光信号传输的影响
6.4.4 FMCW激光探测系统气溶胶后向散射特性分析
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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《远近皆可：激光雷达探测的原理与应用》 一、 简介 在飞速发展的科技时代，精准、高效的测量与感知技术已成为推动社会进步的关键力量。从自动驾驶汽车的“慧眼”到智慧城市的“神经末梢”，再到精密工业制造的“尺子”，一项名为激光雷达（LiDAR）的技术正以前所未有的速度渗透到我们生活的方方面面。它以光的速度，描绘出我们所处世界的精细三维图像，为理解、交互和优化物理空间提供了革命性的手段。 本书《远近皆可：激光雷达探测的原理与应用》旨在系统、深入地剖析激光雷达这一强大传感器的核心工作机制，并全面展示其在各个领域的广泛应用。我们将从最基础的光学原理出发，逐步揭示激光雷达如何通过发射激光脉冲并测量回波信号来构建精确的三维环境模型。本书将摒弃晦涩的理论推演，以清晰的逻辑、丰富的图示和生动的案例，带领读者循序渐进地理解激光雷达的“眼睛”是如何工作的，以及它如何“看见”并“理解”这个复杂的世界。 本书的重点不仅在于理论的阐释，更在于对激光雷达在现实世界中如何落地生根、发挥价值的深度挖掘。我们将详细探讨不同类型的激光雷达系统，分析它们在性能、成本、功耗和适应性上的差异，并聚焦于它们在自动驾驶、地理测绘、机器人导航、工业自动化、考古勘探、环境监测乃至军事国防等关键领域的实际应用案例。读者将有机会了解到，激光雷达是如何帮助自动驾驶汽车在复杂路况下安全行驶，如何为地理信息系统提供高精度的地形数据，如何赋能机器人实现自主导航和避障，以及如何在古迹保护和资源勘探中扮演不可或缺的角色。 本书适合广泛的读者群体，包括但不限于： 对前沿科技感兴趣的普通读者： 了解未来科技如何改变世界，特别是自动驾驶和智慧城市等领域。 计算机视觉、机器人学、测绘工程、光学工程等相关专业的学生和研究人员： 深入学习激光雷达的原理、算法和应用，为学术研究或工程实践打下坚实基础。 从事自动驾驶、智慧城市、工业自动化、无人机应用等行业的工程师和从业者： 掌握激光雷达技术的核心知识，提升在产品研发、系统集成和方案设计方面的能力。 对地理信息系统（GIS）、遥感技术等领域感兴趣的专业人士： 了解激光雷达在空间数据获取和处理方面的优势。 通过阅读本书，您将不仅能够理解激光雷达的“是什么”和“怎么工作”，更将深刻认识到它在“能做什么”以及“为什么如此重要”方面的巨大潜力和价值。让我们一同踏上这段探索激光雷达奥秘的旅程，揭开它“远近皆可”的超凡感知能力。 二、 核心内容详解 第一部分：激光雷达的基石——光学与物理原理 在深入了解激光雷达的系统构成和应用之前，我们必须首先构建对支撑其运作的基本物理原理的理解。本部分将聚焦于激光雷达的核心技术基础，用通俗易懂的方式阐述其“看”世界的物理依据。 1. 光的本质与激光的特性： 光的基本性质： 简要回顾光的波粒二象性，以及光波的频率、波长、振幅等基本概念，为理解激光打下基础。 激光的诞生与独特性： 详细介绍激光器的工作原理，特别是其“相干性”、“单色性”和“方向性”这三大特性。强调激光为何能够被精确地发射、聚焦，并以极高的效率穿透介质，成为理想的探测光源。我们将解释，正是这些特性，赋予了激光雷达远超普通光源的测量精度和探测距离。 2. 时间飞行（Time-of-Flight, ToF）测量原理： 距离测量的基本公式： 核心公式“距离 = (光速 × 飞行时间) / 2”将被清晰地呈现和解释。我们将逐一解析每个参数的含义，并强调“除以2”的由来——激光信号的往返过程。 脉冲式激光雷达的运作流程： 详细描述脉冲式激光雷达如何发射短暂的激光脉冲，如何精确地捕捉到从目标反射回来的微弱回波信号。这包括发射单元、接收单元、高精度时钟以及信号处理等关键环节。 连续波（CW）激光雷达的补充说明： 虽然本书的名称侧重于“调频连续波”而非“脉冲式”，但为了完整性，我们将简要对比脉冲式与连续波（CW）激光雷达在距离测量原理上的差异。重点将放在调频连续波（FMCW）激光雷达的独特测距方法上，解释其如何通过测量发射和接收信号的频率差来推算距离，以及其在抗干扰和同时测量距离与速度上的优势。 3. 回波信号的分析与处理： 信号强度与目标特性： 解释回波信号的强度与目标表面反射率、距离、大小以及激光束覆盖范围等因素的关系。这有助于理解激光雷达如何初步感知目标的物理属性。 信号去噪与特征提取： 介绍常用的信号处理技术，用于去除环境噪声（如太阳光、其他光源干扰）和系统自身噪声，提取出真实的目标回波信号。我们将提及滤波、阈值判断、信号平均等基本方法。 多回波处理： 对于某些激光雷达系统，一个激光脉冲可能会产生多个回波（例如，穿过植被到达地面）。我们将解释如何处理这些多回波，以区分不同层面的目标。 第二部分：激光雷达的“眼睛”——系统构成与关键技术 理解了基本原理后，我们将深入剖析构成一台激光雷达系统的各个关键组成部分，以及实现高效、精确探测所依赖的核心技术。 1. 激光发射系统： 激光器类型： 介绍不同类型的激光器（如半导体激光器、光纤激光器）在激光雷达中的应用，及其在波长、功率、寿命和成本上的权衡。 光学器件： 聚焦于用于发射和准直激光束的透镜、反射镜等光学元件，以及它们在控制激光束形状、发散度和方向上的作用。 2. 激光接收系统： 光学接收系统： 讲解望远镜、滤光片等用于收集、聚焦和滤除杂散光的回波信号的光学组件。 光电探测器： 详细介绍光电探测器的类型（如APD、SPAD、SiPM），以及它们将接收到的光信号转化为电信号的关键作用。强调其灵敏度、响应速度和动态范围对整体系统性能的影响。 3. 扫描机制与数据获取： 机械扫描： 介绍基于旋转、摆动等机械部件实现激光束二维或三维扫描的方式，如单线、多线激光雷达的扫描原理。 固态扫描： 重点介绍新兴的固态扫描技术，如MEMS（微机电系统）扫描、光学相控阵（OPA）扫描、Flash LiDAR等，分析其在提高扫描速度、可靠性和减小体积方面的优势。 数据同步与采集： 讨论激光发射、接收、扫描运动以及GPS/IMU（惯性测量单元）等外部传感器数据的同步采集是构建精确三维点云的关键。 4. 核心算法与数据处理： 点云生成与配准： 解释原始激光雷达扫描数据如何被转换为具有空间坐标（X, Y, Z）的点云。介绍点云配准技术，用于将来自不同扫描角度或不同时间的数据融合成一个完整的、统一的三维模型。 目标检测与识别： 概述如何利用点云数据来检测和识别特定目标，如车辆、行人、障碍物等。涉及点云分割、特征提取和机器学习分类等技术。 环境建模与场景理解： 探讨如何利用点云数据构建高精度的三维地图，以及如何进一步对场景进行语义理解，如区分道路、建筑物、植被等。 第三部分：激光雷达的“触角”——多元化应用领域 本书的核心价值在于展示激光雷达如何在现实世界中解决实际问题，其“远近皆可”的感知能力，使得它在众多前沿和传统领域都扮演着越来越重要的角色。 1. 自动驾驶与智能交通： 感知障碍物与构建高精地图： 详细说明激光雷达在全天候、远距离感知障碍物（车辆、行人、非机动车、路沿石、交通标识等）方面的关键作用。展示其如何辅助自动驾驶车辆规划路径、规避碰撞。 精准定位： 介绍激光雷达点云与高精地图的匹配，实现厘米级车辆定位，这是自动驾驶安全性的基石。 交通流量监测与管理： 探讨激光雷达在交通枢纽、交叉路口的应用，用于实时监测车流量、车速，优化交通信号灯配时。 2. 地理测绘与三维建模： 航空/倾斜摄影测量： 介绍机载激光雷达（LiDAR）如何快速、高效地获取大范围区域的地形地貌数据，用于制作数字高程模型（DEM）、数字表面模型（DSM）。 城市建模与数字孪生： 展示激光雷达在构建精细的城市三维模型中的应用，为城市规划、管理、应急响应提供可视化支持，催生数字孪生城市的概念。 土地利用调查与环境监测： 解释激光雷达如何用于植被覆盖度分析、森林资源估算、地质灾害风险评估等。 3. 机器人技术与工业自动化： 自主导航与避障： 详细阐述激光雷达在服务机器人、工业机器人、AGV（自动导引车）中的导航和避障功能，使其能够在复杂、动态的环境中自由移动。 精确测量与质量检测： 介绍激光雷达在工业生产线上的应用，用于零部件的尺寸测量、形变检测、装配误差校正，实现高精度自动化质检。 仓储自动化： 探讨激光雷达如何支持自动化立体仓库的货架定位、货物扫描和路径规划。 4. 考古勘探与文化遗产保护： 无损探测古迹： 介绍激光雷达如何穿透地表植被，探测隐藏在地下的古代遗迹、建筑轮廓，为考古学家提供重要的线索。 文物数字化存档： 展示激光雷达在三维扫描和高精度建模古建筑、雕塑等文物，用于永久存档、修复和虚拟展示。 5. 其他新兴应用： 智慧安防： 激光雷达在周界防范、入侵检测、目标跟踪等方面的应用。 气象学： 激光雷达在探测大气粒子、云层、风场等方面的应用。 军事与国防： 目标识别、测距、战场态势感知等。 四、 结论与展望 本书从基础的光学原理出发，层层深入地解析了激光雷达的工作机制、系统构成以及在各个领域的创新应用。我们希望通过本书，能够让读者深刻理解激光雷达技术是如何通过精准的光学测量，为我们描绘出一个清晰、真实的三维世界。 展望未来，激光雷达技术正朝着更高精度、更广视角、更低成本、更强鲁棒性、更低功耗的方向不断发展。固态激光雷达的普及将进一步降低成本，提升可靠性，并带来更小的体积，为更多消费级应用铺平道路。多传感器融合（如激光雷达与摄像头、雷达的结合）将是提升感知系统整体性能的关键趋势。人工智能和深度学习算法的进步，将使激光雷达数据处理和场景理解能力得到飞跃。 《远近皆可：激光雷达探测的原理与应用》不仅是一本技术手册，更是一扇通往未来的窗户。它揭示了激光雷达如何从实验室走向现实，如何改变我们的出行方式、工作模式和生活体验。随着技术的不断成熟和应用场景的持续拓展，激光雷达必将成为构建更智能、更安全、更高效世界的强大驱动力。

评分☆☆☆☆☆

我对于作者在案例分析部分所采取的策略感到非常好奇。它似乎避开了所有广为人知、已经被过度解读的“标准案例”，转而深入挖掘了一些非常小众、但却极具启发性的应用场景。这种选择，使得整本书的阅读体验充满了探索的乐趣。它不像某些书籍那样，总是在重复已经被嚼烂的理论演示，而是将那些抽象的数学模型，巧妙地植入到一些非常具体的、甚至有些“冷门”的工程实践中去。这迫使我必须跳出固有的思维定势，重新审视那些看似简单的参数背后所蕴含的复杂物理背景。这种“反套路”的教学方式，极大地激发了我的批判性思维，让我不仅仅满足于“知道是什么”，而是更进一步去探究“为什么会这样设计”以及“在其他条件下会如何变化”。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图示设计简直是一场视觉上的挑战，但挑战的背后，却隐藏着作者对信息密度极致榨取的意图。我必须承认，初次翻开时，那些密集的文字块和略显陈旧的黑白插图，着实让人有些望而却步。它没有迎合现代快餐阅读的习惯，反而像一本上世纪中叶的严肃学术专著，要求读者付出额外的努力去“解码”它所承载的信息。那些图表，虽然清晰度上稍欠现代印刷的精致，但其信息量之大，内容之丰富，却是令人惊叹的。很多复杂的关系，如果不用这种高度浓缩的方式表达，恐怕需要用数倍的篇幅才能勉强说明白。这本书的价值，恰恰在于它拒绝为了表面的易读性而牺牲核心的学术深度，它更像是一本工具书，一本需要反复翻阅、在案头随时准备参考的案头宝典。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事风格简直是教科书级别的严谨，每一个章节的逻辑推进都像是在绘制一张精密复杂的电路图。作者似乎对信息的组织有着近乎偏执的追求，每一个概念的引入都建立在扎实的前置知识之上，绝不容许任何跳跃或含糊其辞的地方。我尤其欣赏它在阐述理论框架时所展现出的那种深入骨髓的透彻感，仿佛能透过文字直接触摸到那些抽象的物理过程。对于那些希望系统性构建自己知识体系的读者来说，这本书无疑提供了一个坚固的基石。它不是那种追求花哨比喻或轻快节奏的读物，它要求你全神贯注，用最严肃的态度去对待每一个公式和定义。读完第一部分，我感觉自己对底层原理的理解迈上了一个全新的台阶，那种“豁然开朗”的体验，是很多同类书籍难以给予的。它更像是一位德高望重的导师，不厌其烦地为你扫清每一个潜在的认知障碍，确保你每一步都走得稳健而扎实。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格，用一个词来形容就是“冷峻的诗意”。虽然它探讨的是高度技术性的主题，但作者在叙述过程中，偶尔会流露出一种对所研究现象的深刻敬畏和近乎哲学的思考。这种气质非常独特，它不是那种干巴巴的技术手册，而是仿佛能在冰冷的公式和严谨的推导中，窥见一丝对自然界精妙运作的赞叹。例如，在讨论到某种信号处理的极限性能时，作者用了一段极富画面感的文字来描述信息是如何“挣脱”噪声的束缚的。这种偶尔的“文学性点缀”，恰到好处地缓解了技术内容的枯燥，让长篇的阅读过程变得不那么单调乏味，如同在漫长的隧道尽头瞥见了一束柔和的光芒。

评分☆☆☆☆☆

从结构上看，这本书展现出了一种高度的“模块化”特征，这对于一个希望按需学习的读者来说，是一个巨大的福音。它不是那种强迫你必须从头到尾线性阅读的作品。我可以毫不犹豫地跳到我最感兴趣的特定章节，去钻研那些我当前项目最需要解决的问题，而无需担心因为跳过了前面的基础知识而导致理解上的断裂。每一个章节似乎都作为一个独立的知识单元存在，拥有清晰的自我边界和完备的内部逻辑。这种设计哲学，极大地提高了学习的效率和针对性，让这本书成为了一个非常实用的“知识库”，而不是一个必须被“攻克”的堡垒。我可以根据我的时间安排和当前的需求，随时从任何一个锚点开始我的探索之旅。