激光雷达光源说课材料.ppt

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1、激光雷达光源激光雷达LIDAR激光雷达的基本概念激光工作模式测距雷达（TimeofFlight：TOF)和相干多普勒雷达（CoherentDopplerLIDAR：CDL）激光雷达对光源的要求光源的参数和LIDAR参数的对应关系LIDAR的基本概念激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等

2、参数信息。LIDAR（LightDetectionandRanging)或者叫LADAR（LaserDetectionandRanging)激光探测和测距系统的简称。LIDAR的基本概念TimeofFlight(TOF)光的飞行时间测距雷达多普勒频移测速去极化（Depolarization)宏观成分差分吸收化学成分激光器工作模式脉冲激光器大部分LIDAR系统采用脉冲工作，尤其是测距的激光雷达。雷达的发射机发出激光脉冲，通过光学系统望远镜照射目标，类似的光学系统“接收”测试目标的散射光，通过光电探测器转换成电信号处理。测

3、试目标的距离通过激光发射到接收的时间和光速的关系来确定。TimeofFlight:TOF连续激光器激光器发射连续的激光，通过对激光的相位调制，或者依赖多普勒频移效应。发射端激光（本振光）和“接收”光的相位差和目标移动速度有直接的比例关系TOF测距雷达-非相干LIDAR距离（Z）=光速(c)x时间T/2通常使用非相干光源相干多普勒雷达-CDL速度V=波长x频移fD/2激光器光谱线宽通常小于10MHz长相干长度LIDAR对激光光源的要求（1）非相干测距雷达激光波长理论上任何波长都可以使用；需要选择大气吸收低，目标反射度高的波长

4、。人眼安全波长越来越受到重视。输出功率越高越好，但是要考虑到其它性能参数。波长的稳定性和准确度要求不高，但是稳定的波长有助于通过对噪声的滤波提高系统的信噪比。激光器的相干长度无要求，最好非相干激光器的光谱线宽无要求相对强度噪声（RIN）不是很重要抗震性能通常不是很重要工作温度范围很重要，例如机载雷达可靠性重要成本较低LIDAR对激光光源的要求（2）相干多普勒雷达-CDL激光波长理论上任何波长都可以使用；需要选择大气吸收低，目标反射度高的波长。人眼安全波长越来越受到重视。输出功率越高越好，但是要考虑到其它性

5、能参数。波长的稳定性和准确度非常重要激光器的相干长度相干长度必须要大于等于工作距离！激光器的光谱线宽必须很窄相对强度噪声（RIN）非常重要，决定了系统的灵敏度，RIN越低，系统的灵敏度越高！抗震性能非常重要，尤其是恶劣工作环境工作温度范围很重要，例如机载雷达可靠性重要成本较高LIDAR系统激光器的参数定义单脉冲能量一个脉冲所包含的能量，用字母E表示，单位焦耳（J）。单脉冲能量(J)=脉冲平均功率（W）/脉冲重复频率（sec-1),通常为uJ到mJ量级。脉冲重复频率每秒发射的脉冲数量，用PRF或者f表示，单位为赫

6、兹（Hz),千赫兹（kHz).通常雷达系统的的脉冲重复频率为几十到几百kHz。脉冲宽度脉冲持续的时间，用字母t表示，通常以脉冲的半高全宽（FWHM）来衡量；雷达系统中的脉冲宽度为ns到us量级，例如1ns、10ns等。光束发散角BeamDivergence发散角，用于描述光束的发散程度，用符号（γ）表示，单位为毫弧度（mrad)。其它描述光束发散情况的参数还有M2，BPP等LIDAR系统参数和激光器参数的关系激光器参数雷达系统参数相互关系脉冲重复频率（PRF）工作距离（z)重复频率低-->工作距离长，例如想实现1000m的探测

7、距离，重复频率需要<150kHz;c是光速脉冲宽度（τ）可探测距离的精度（Δz)例如：10ns脉冲宽度相当于1.6m的识别精度光束发散角（γ）输出光斑直径大小（Sx）例如：1mrad的发散角，在1公里处，光束直径：1m单脉冲能量（E)系统的信噪比SNR单脉冲能量越高，SNR越高光谱线宽（Δv)速度（V）线宽决定了测速的精度LIDAR用激光光源的基本信息工作波长近红外1064nm；人眼安全1550nm（>1.4um)可见光532nm：用于水下，例如测深仪中红外2um波段单脉冲能量从uJ量级到mJ量级脉冲宽度从<1ns到几个us量

8、级，决定了分辨精度1ns用于成像、制图几个ns用于遥感测距脉冲重复频率决定了速率、距离几kHz用于遥感测距几百kHz到MHz用于成像、制图LIDAR的应用（1）-民用领域地球科学-->地形测绘，激光雷达制图，断层运动、冰川监控、海岸线变化、森林砍伐等大气监测-->风速、污染、