Question

激光雷达的基本原理

Answer 1

激光雷达定标板特点如下：防水不掉灰，测量数据准确，反射率可从1%-99%可定制，尺寸在10mm-3000mm之间均可定制生产，均具有近乎完美的朗伯特性和稳定性，使激光雷达校准得到较佳的测试效果。目前国产激光雷达定标板厂家中，广州瑞科光电科技有限公司生产的激光雷达定标板均可以达到这些特点，而且瑞科光电自主研究生产激光雷达定标板，价格更优惠，品质有保障，性价比更高。

Answer 2

5.8.1.1 激光的特性

激光和普通光的根本不同在于激光是一种有很高光子简并度的光。光子简并度可以理解为具有相同模式（或波型）的光子数目，即具有相同状态的光子数目。

激光器主要由增益介质和谐振腔组成。谐振腔选模，增益介质通过受激辐射向确定的模提供能量，从而形成具有很高光子简并度的激光。高光子简并度表现出很好的单色性、方向性、相干性及高亮度；激光可被压缩成极短的超短脉冲，脉宽已达到秒量级，能产生短至4.6 fs的超短激光脉冲，高达10²⁰W／cm²的光功率密度。

（1）单色性

激光的好单色性是由激光器的工作原理和结构决定的。由于谐振腔内的增益介质可以向一个模提供足够的能量，从整体来看可以认为光在腔内没有损耗，因而由该谐振腔输出的激光可以理解为是没有衰减的，具有无限窄的谱线宽度。

实验证明，激光的谱线不可能无限窄，因为自发辐射在激光的输出中不可避免。自发辐射只能平均地向所有模提供能量，因而对某一特定模而言，它所提供的能量是很小的，而这份小小的能量恰恰造成激光发射中一种不可避免的衰减。所以，激光谱线仍有一定的宽度。通常把激光器中自发辐射引起的线宽称为线宽极限Δυ_L，Δυ_L正比于该模式中每秒自发辐射的能量。

单模稳频气体激光器的单色性最好，固体激光器的单色性较差，半导体激光器的单色性最差。

（2）方向性

光源发出光束的方向性通常用发散角2θ（单位rad）来描述，亦可用光束所占的空间立体角ΔΩ=πθ²（单位sr）来描述。普通光源辐射的光束来自于自发辐射，自发辐射总是任意的，是向4π立体角辐射的，所以方向性很差。

激光的优良方向性，是激光器的工作原理和结构决定的。由于激光器中增益介质只向特定模式提供能量，受激辐射提供的光子总是与激发光完全一样，同频率、同偏振、同位相和同方向。所以，如果谐振腔选出的模不受衍射的影响，激光束的发散角可以无限小。一般说来，激光器的发散角（θ）决定于该激光器的腔长，即

环境地球物理学概论

式中：λ是激光波长，L是腔长。若λ=0.63μm，L=0.4 m，则θ=2×10^-3rad。增加腔长，还可以进一步减小发散角。

不同类型激光器的方向性差别很大，这与增益介质的类型、均匀性、光腔的类型、腔长、激励方式和激光器的工作状态有关。气体激光器的增益介质有良好的均匀性，且腔长大，方向性好；固体激光器的方向性差；半导体激光器的方向性最差。

（3）高相干性光强

激光具有极好相干性。激光的单色性，使其具有优良的高光束质量和高相干光强。因此有助于进一步提高光功率密度。例如，激光好的单色性容易聚焦为小的光斑，从而获得更大的功率密度。若将一个10¹²W的激光脉冲聚焦为5 μm直径的光斑，其功率密度可达10¹⁸W/cm²。

5.8.1.2 激光器

在已有的数百种激光器中按工作物质可分为气体激光器、固体激光器、液体激光器和半导体激光器。用于激光雷达的是能够发射高功率、窄脉宽、窄频带且有较小远场发散角光束的激光器。对于机载或星载图像雷达，或在返回信号极其微弱的情况下，通常还要求有较好的脉冲重复性。为了适应多领域的应用，波长可调激光雷达越来越受到重视。

（1）气体激光器

激光雷达常用的是以强放电激励的气体激光器，其波长在红外到近紫外范围。

二氧化碳（CO₂）激光器是最早用于雷达的激光器之一，由于输出波长10.6μm恰好处于大气传输窗窗口，因而至今仍被用于大气探测。

HgBr激光器输出激光的波长（495～505 nm）位于第一绿色光波段，而且波长可调，两个峰值位置在502 nm和504 nm，线宽0.05 nm，重复频率（100 Hz）优良，单脉冲输出能量高，非常适合于海洋勘查，用作海洋、湖泊污染调查和海洋油气勘查。

在紫外波段工作的N₂分子气体激光器和准分子激光器，适用于探测污染。其最强输出谱线为337.1 nm，输出峰值功率可达10⁷W。

（2）固体激光器

与气体激光器相比，固体激光器体积较小、价格低、质量可靠。

Nd：YAG是一类应用广泛的固体激光器。发射波长为1.06μm的基频辐射有利于研究瑞利（Rayleigh）和米（Mie）散射，适用于对大气物质进行探测的大气雷达。波长0.532μm的2倍频光辐射适用于海洋激光雷达。波长0.355μm和0.266μm的3倍频和4倍频光辐射，适用于测污雷达。在典型情况下脉冲宽度为10～30 ns，单脉冲能量为100 mJ～1 J，脉冲重复率10～100 Hz。技术性能优良的砷化镓（GaAs）半导体激光器，输出809 nm的光波长正好与Nd：YAG工作物质的一条吸收谱线相匹配，将其用作泵浦源可以使Nd：YAG激光器的能量转换效率大幅度提高，而小型化、寿命长，已在激光雷达中应用。

正在研究的可调谐固体激光器，将有利于提高激光雷达的适用性。

5.8.1.3 激光雷达的组成

激光雷达的基本原理与普通电磁波雷达类似。所不同的是发射的信号为激光，比无线电波的波长短很多。由光学原理可知，电磁波在传播路程上遇到比波长小很多的物体时，波的大部分能流绕过物体继续向前传播。因此，普通的无线电波雷达无法感知小尺寸的目标物体。激光的波长一般都是微米（μm）级波长，足以探测直径很细的导线和极细微粒。

图5.8.1 单稳激光雷达原理框图

激光雷达按其基本结构，可分为单稳系统和双稳系统两类。在双稳系统中，为了提高空间分辨率，将发射光部分和接收部分分别设置。当前激光源的脉宽达纳秒（ns）级，具有相当高的空间分辨率，因此双稳系统已很少应用。单稳系统发射与接收信号共用一个光学孔径，用开关（T/R）隔离，其原理框图如图5.8.1所示。

无线电波雷达接收的信号主要是反射信号。

激光雷达根据不同探测目标，接收的信号可以是反射信号，也可以是弹性散射信号（包括Rayleigh散射或Mie散射），还可以是吸收衰减的信号，共振散射信号，荧光信号，拉曼（Raman）散射信号，以及差分吸收散射信号等，形成不同用途的激光雷达系统。

Answer 3

激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。 激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理

Answer 4