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

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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
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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
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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
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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 ；