2023年激光雷達(dá)測(cè)量實(shí)習(xí)報(bào)告

激光雷達(dá)測(cè)量實(shí)習(xí)報(bào)告激光雷達(dá)工作原理

激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科學(xué)技術(shù)成就之一。它的出現(xiàn)深化了人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)，擴(kuò)大了光為人類服務(wù)的天地。激光技術(shù)從它的問世到現(xiàn)在，雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但是由于它有著幾個(gè)極有價(jià)值的特點(diǎn)：高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機(jī)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；接收機(jī)采用各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測(cè)器件等。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法分直接探測(cè)與外差探測(cè)。

首先明白一下激光雷達(dá)，激光雷達(dá)是以激光為光源，通過探測(cè)激光與被探測(cè)無(wú)相互作用的光波信號(hào)來遙感測(cè)量的.使用振動(dòng)拉曼技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的激光雷達(dá)技術(shù)即為拉曼激光雷達(dá)，主要用于大氣遙感測(cè)量。拉曼激光雷達(dá)屬于遙感技術(shù)的一種。激光雷達(dá)作為一種主動(dòng)遙感探測(cè)技術(shù)和工具已有近50年的歷史，目前廣泛用于地球科學(xué)和氣象學(xué)、物理學(xué)和天文學(xué)、生物學(xué)與生態(tài)保持、軍事等領(lǐng)域。其中，傳統(tǒng)意義上的激光雷達(dá)主要用于陸地植被監(jiān)測(cè)、激光大氣傳輸、精細(xì)氣象探測(cè)、全球氣候預(yù)測(cè)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等。隨著激光器技術(shù)、精細(xì)分光技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達(dá)在遙感探測(cè)的高度、空間分辨率、時(shí)間上的連續(xù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量精度等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。從工作原理上講，與微波雷達(dá)沒有根本的區(qū)別：向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束），然后將接收到的從目標(biāo)反射回來的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較，作適當(dāng)處理后，就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息，如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù)，從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。

根據(jù)探測(cè)技術(shù)的不同，激光雷達(dá)可以分為直接探測(cè)型和相干探測(cè)型兩種。而按照不同功能，則可分為跟蹤雷達(dá)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)指示雷達(dá)、流速測(cè)量雷達(dá)、風(fēng)剪切探測(cè)雷達(dá)、目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)、成像雷達(dá)及振動(dòng)傳感雷達(dá)。

激光雷達(dá)與無(wú)線電雷達(dá)的工作原理基本相同，且依賴于所采用的探測(cè)技術(shù)。其中直接探測(cè)型激光雷達(dá)的基本結(jié)構(gòu)與激光測(cè)距機(jī)頗為相近。工作時(shí)，由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測(cè)量激光信號(hào)往返傳播的時(shí)間而確定目標(biāo)的距離。至于目標(biāo)的徑向速度，則可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)或多個(gè)距離，并計(jì)算其變化率而求得速度。

相干探測(cè)型激光雷達(dá)又有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號(hào)共用一個(gè)光學(xué)孔徑，并由發(fā)送-接收開關(guān)隔離。而雙穩(wěn)系統(tǒng)則包括兩個(gè)光學(xué)孔徑，分別供發(fā)送與接收信號(hào)使用，發(fā)送-接收開關(guān)自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)相同。

激光雷達(dá)是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機(jī)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導(dǎo)體激光器及波長(zhǎng)可調(diào)諧的固體激光器等；天線是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡；接收機(jī)采用各種形式的光電探測(cè)器，如光電倍增管、半導(dǎo)體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測(cè)器件等。激光雷達(dá)采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測(cè)方法分直接探測(cè)與外差探測(cè)。

氣象雷達(dá)是專門用于大氣探測(cè)的雷達(dá)。屬于主動(dòng)式微波大氣遙感設(shè)備。與無(wú)線電探空儀配套使用的高空風(fēng)測(cè)風(fēng)雷達(dá)，只是一種對(duì)位移氣球定位的專門設(shè)備，一般不算作此類雷達(dá)。氣象雷達(dá)是用于警戒和預(yù)報(bào)中、小尺度天氣系統(tǒng)（如臺(tái)風(fēng)和暴雨云系）的主要探測(cè)工具之一工作在30～3000兆赫頻段的氣象多普勒雷達(dá)。一般具有很高的探測(cè)靈敏度。因探測(cè)高度范圍可達(dá)1～100公里，所以又稱為中層-平流層-對(duì)流層雷達(dá)（mstradar）。它主要用于探測(cè)晴空大氣的風(fēng)、大氣湍流和大氣穩(wěn)定度等大氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的鉛直分布

美國(guó)國(guó)防部最初對(duì)激光雷達(dá)的興趣與對(duì)微波雷達(dá)的相似，即側(cè)重于對(duì)目標(biāo)的監(jiān)視、捕獲、跟蹤、毀傷評(píng)（satka）和導(dǎo)航。然而，由于微波雷達(dá)足以完成大部分毀傷評(píng)估和導(dǎo)航任務(wù)，因而導(dǎo)致軍用激光雷達(dá)計(jì)劃集中于前者不能很好完成的少量任務(wù)上，例如高精度毀傷評(píng)估，極精確的導(dǎo)航修正及高分辨率成像。軍事上常常希望飛機(jī)低空飛行，但飛機(jī)飛行的最低高度受到機(jī)上傳感器探測(cè)小型障礙物能力的限制。且不說阻塞氣球線這樣的對(duì)抗設(shè)施，在60米以下，各種動(dòng)力線，高壓線鐵塔，桅桿、天線拉線這樣的小障礙物也有明顯的危險(xiǎn)性。現(xiàn)有的飛機(jī)傳感器，從人眼到雷達(dá)，均難以事先發(fā)現(xiàn)這些危險(xiǎn)物，這種情況，在夜間和惡劣天氣條件下尤其突出。而掃描型激光雷達(dá)因其具有高的角分辨率，故能實(shí)時(shí)形成這些障礙物有效的影像，提供適當(dāng)?shù)念A(yù)警。

激光雷達(dá)在軍事上可用于對(duì)各種飛行目標(biāo)軌跡的測(cè)量。如對(duì)導(dǎo)彈和火箭初始段的跟蹤與測(cè)量，對(duì)飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈的低仰角跟蹤測(cè)量，對(duì)衛(wèi)星的精密定軌等。激光雷達(dá)與紅外、電視等光電設(shè)備相結(jié)合，組成地面、艦載和機(jī)載的火力控制系統(tǒng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、識(shí)別、跟蹤和測(cè)量。由于激光雷達(dá)可以獲取目標(biāo)的三維圖像及速度信息，有利于識(shí)別隱身目標(biāo)。激光雷達(dá)可以對(duì)大氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，遙測(cè)大氣中的污染和毒劑，還可測(cè)量大氣的溫度、濕度、風(fēng)速、能見度及云層高度。

海用激光雷達(dá)對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行警戒、搜索、定性和跟蹤的傳統(tǒng)方式，是采用體大而重的一般在600千克至幾十噸重的聲納。自從發(fā)展了海洋激光雷達(dá)，即機(jī)載藍(lán)綠激光器發(fā)射和接收設(shè)備后，海洋水下目標(biāo)探測(cè)既簡(jiǎn)單方便，又準(zhǔn)確無(wú)誤。尤其是20世紀(jì)90年代以后研制成功的第三代激光雷達(dá)上，增加了gps定位、定高功能，實(shí)現(xiàn)了航線和高度的自動(dòng)控制。如美國(guó)諾斯羅普公司研制的“alarms”機(jī)載水雷探測(cè)激光雷達(dá)，可24小時(shí)工作，能準(zhǔn)確測(cè)得水下水雷等可疑目標(biāo)。美國(guó)卡曼航天公司研制的水下成像激光雷達(dá)，更具優(yōu)勢(shì)，可以顯示水下目標(biāo)的形狀等特征，準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)，以便采取應(yīng)急措施，確保航行安全。

此外，激光雷達(dá)還可以廣泛用于對(duì)抗電子戰(zhàn)、反輻射導(dǎo)彈、超低空突防、導(dǎo)彈與炮彈制導(dǎo)以及陸地掃雷等。

參考文獻(xiàn)

王保成張衛(wèi)華激光雷達(dá)工作原理與氣象探測(cè)《現(xiàn)代物理知識(shí)》2001年06期王德志激光雷達(dá)原理《科協(xié)論壇》2008年05期

內(nèi)容總結(jié)

（1）激光雷達(dá)測(cè)量實(shí)習(xí)報(bào)告

激光雷達(dá)工作原理

激光是2