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激光雷达技术（上册） 1

第1章 概论 1

1.1 引言 2

1.2 发展简史 3

1.2.1 理论基础和工程实践准备阶段 4

1.2.2 激光雷达的兴起和发展 4

1.2.3 激光雷达的发展趋势 7

1.3 激光雷达的特点 9

1.3.1 一般特点 9

1.3.2 新世纪激光雷达发展的特点 11

1.4 激光雷达的分类 14

1.5 激光雷达的应用 16

1.5.1 在国防建设中的应用 16

1.5.2 在国民经济和日常生活中的应用 18

1.6 激光雷达系统工程概念 18

参考文献 20

第2章 激光雷达基本物理知识 21

2.1 基本物理概念 22

2.1.1 波长和频率 22

2.1.2 基本物理量 22

2.1.3 光谱物理量 25

2.1.4 光子物理量 26

2.1.5 光学量 27

2.1.6 辐射和物质相互作用的基本物理量 28

2.2 基本物理定律 30

2.2.1 理想黑体与基尔霍夫定律 30

2.2.2 朗伯余弦定律 31

2.2.3 斯蒂芬-玻耳兹曼定律 32

2.2.4 维恩位移定律 33

2.2.5 瑞利-金斯定律 33

2.2.6 普朗克辐射定律 34

2.2.7 爱因斯坦辐射公式和系数 35

2.3 定律推论 36

2.3.1 辐射源的光谱效率和工程最佳值 36

2.3.2 对比度 37

2.3.3 空间频谱特性 38

2.4 实际辐射体 40

2.4.1 辐射功率特性 40

2.4.2 影响发射率的因素 41

参考文献 46

第3章 光度学和辐射度学基础 47

3.1 基本概念 48

3.1.1 立体角 48

3.1.2 辐射度学量 49

3.1.3 光度学量 51

3.1.4 辐射度量和光度量的关系 53

3.2 基本度量原理 58

3.2.1 反平方定律 58

3.2.2 叠加原理 59

3.2.3 互易定理 59

3.2.4 立体角投影定理 59

3.3 辐射量的计算 60

3.3.1 朗伯余弦体 60

3.3.2 圆盘 62

3.3.3 球面 62

3.3.4 半球面 62

3.3.5 点源 63

3.3.6 小面源 63

3.3.7 扩展源 63

3.3.8 线状源 65

3.4 黑体辐射的简易计算 66

3.4.1 黑体辐射函数表 66

3.4.2 黑体辐射计算的近似公式 67

3.4.3 黑体辐射图表计算方法 67

参考文献 68

第4章 光电测量技术 69

4.1 光电测量基本概念和原理 70

4.1.1 标准测量的重要性 70

4.1.2 辐射度标准基本测量方法 72

4.1.3 辐射度测量的标准辐射源 73

4.1.4 辐射测量的基本问题 75

4.2 光度学测量 77

4.2.1 基本概念和重要性 77

4.2.2 光照度标准 78

4.2.3 光度导轨 79

4.2.4 发光强度测量 80

4.2.5 光通量测量 84

4.2.6 亮度的测量 94

4.2.7 单色仪 97

4.3 光谱学测量 106

4.3.1 光谱仪结构和原理 106

4.3.2 傅里叶变换基本原理 108

4.3.3 仪器特点 109

4.3.4 用途 110

4.4 色度学基本规律 111

4.4.1 色度学与成像探测技术 111

4.4.2 颜色测量 112

4.4.3 人眼的颜色效应 114

4.4.4 色调、饱和度和明度 115

4.4.5 三原色原理 116

4.4.6 色品图 117

4.4.7 色温、照度与人体感受的舒适度 119

4.5 色度学的测量 120

4.5.1 色度学测量的作用与基本概念 120

4.5.2 分光测色仪——红外分光光度计 121

4.5.3 色度计 124

4.6 光电测量技术 126

4.6.1 基本概念 126

4.6.2 基本特点 126

4.6.3 测量的法律法规 127

4.6.4 基本测量要素和原则 128

4.6.5 测量误差 130

4.6.6 测量结果的评价 132

4.6.7 数据处理 136

4.6.8 测量结果与定标 139

4.7 激光参数测量 142

4.7.1 激光的基本特性参数测量 142

4.7.2 激光空域特性参数测量 145

4.7.3 激光时域特性参数测量 148

4.7.4 半导体激光器参数测量 149

4.8 光电探测器参数测量 151

4.8.1 光电探测器基本特性参数测量 151

4.8.2 半导体光电探测器参数测量 155

4.9 光探测和光通信参数测量 155

4.9.1 辐射度和色度计量标准 155

4.9.2 激光接收系统计量标准 156

4.9.3 激光发射系统计量标准 157

4.9.4 光电综合测量系统 157

4.9.5 光学传递函数 159

4.10 光电测量系统的性能 161

4.10.1 测量系统静态特性 161

4.10.2 测量系统动态特性 163

4.10.3 现代光电测量技术的发展 167

参考文献 170

第5章 激光雷达探测原理 173

5.1 激光雷达基本概念 174

5.1.1 激光雷达的基本组成及功能 174

5.1.2 主要战术参数 176

5.1.3 主要技术参数 178

5.2 激光雷达作用距离方程 179

5.2.1 标准形式 179

5.2.2 特殊形式 180

5.3 探测概率和虚警概率 183

5.3.1 引言 183

5.3.2 目标探测统计模型 184

5.3.3 非相干激光雷达模型 189

5.3.4 相干激光雷达模型 191

5.4 激光雷达的性能参数 192

5.4.1 基本概念 192

5.4.2 背景噪声 193

5.4.3 信噪比 194

5.4.4 噪声因子 196

5.4.5 等效噪声功率 197

5.5 多路径效应和搜索视场 197

5.5.1 多路径效应 197

5.5.2 搜索视场 198

5.6 激光雷达优化原理 200

5.6.1 系统信噪比优化原理 201

5.6.2 系统效率优化原理 202

参考文献 204

第6章 激光雷达发射与接收技术 207

6.1 发射和接收技术概述 208

6.2 激光雷达发射系统 209

6.2.1 激光发射系统的一般结构 209

6.2.2 激光发射波形 210

6.2.3 激光调制 211

6.2.4 激光放大 215

6.2.5 激光准直和扫描 215

6.3 相干激光雷达发射机 216

6.3.1 光栅选支技术 217

6.3.2 稳频技术 218

6.3.3 本振光功率控制技术 219

6.4 激光雷达接收技术基本要求 221

6.4.1 基本要求 221

6.4.2 激光直接接收 222

6.4.3 激光外差接收 223

6.4.4 对探测器的基本要求 224

6.4.5 对信号处理的基本要求 225

6.5 激光雷达接收机 229

6.5.1 脉冲接收 229

6.5.2 连续波接收 233

6.5.3 接收机解调 235

6.6 相干激光雷达接收机 238

6.6.1 混频定理与混频效率 238

6.6.2 天线定理 240

6.6.3 波前匹配 241

6.6.4 偏振控制 242

6.7 激光雷达的发射接收机设计原则 242

6.7.1 体制的选择原则 242

6.7.2 系统整机的主要参数 244

6.7.3 相干激光雷达接收系统主要参数 245

6.7.4 相干激光雷达接收系统计算基本公式 245

6.7.5 接收机性能评估 247

参考文献 248

第7章 激光雷达的辐射源 251

7.1 标准黑体辐射源 252

7.1.1 黑体辐射计算近似公式和图表计算方法 253

7.1.2 辐射源的光谱效率和工程最佳值 253

7.1.3 辐射对比度 254

7.1.4 辐射体的功率特性 255

7.1.5 影响辐射体发射率的因素 256

7.1.6 实际黑体辐射源 257

7.1.7 黑体辐射源的定标 258

7.1.8 其他标准辐射源 259

7.2 激光辐射源 260

7.2.1 激光辐射基本原理 260

7.2.2 激光的特点 263

7.2.3 激光光束特性 263

7.2.4 激光器参数的测试与定标 264

7.2.5 气体激光器 265

7.2.6 固体激光器 269

7.2.7 激光二极管 270

7.2.8 新型激光二极管 277

7.2.9 二极管泵浦固体激光器 286

7.2.10 光纤激光器 291

7.2.11 激光辐射源单元模块集成组件 296

7.3 阵列激光辐射源 299

7.3.1 微透镜阵列和微光栅阵列 299

7.3.2 阵列激光二极管 302

参考文献 310

第8章 激光雷达的探测器 313

8.1 探测器的分类和发展简史 314

8.1.1 探测器的分类谱系 314

8.1.2 发展简史 317

8.2 特性参数 318

8.2.1 响应率（响应度） 319

8.2.2 信噪比 321

8.2.3 探测率或归一化探测率（探测度） 323

8.2.4 其他参数 324

8.2.5 探测器的极限性能 325

8.3 光子探测器 327

8.3.1 光子探测器的物理效应 327

8.3.2 内光电效应探测器 330

8.3.3 光电二极管 334

8.3.4 PIN型硅光电二极管 341

8.3.5 雪崩光电二极管 343

8.3.6 四象限光电二极管 349

8.3.7 光电位置敏感器 350

8.3.8 肖特基势垒二极管 351

8.3.9 异质结光电二极管 353

8.3.10 其他光子探测器 354

8.4 光纤探测器 355

8.5 固态阵列探测器 357

8.5.1 阵列探测器的关键技术 358

8.5.2 MOS结构 360

8.5.3 微电子机械系统技术 363

8.5.4 焦平面阵列技术 365

8.5.5 电荷耦合器件 367

参考文献 378

第9章 背景与目标光学特性 381

9.1 研究对象与意义 382

9.2 地球背景的光学特性 383

9.2.1 激光雷达下视探测的背景 383

9.2.2 激光雷达上视探测的背景 387

9.2.3 地球-大气系统的热辐射 392

9.2.4 水面的辐射和反射 394

9.2.5 地表特征物的辐射和反射 399

9.3 目标光学特性 405

9.3.1 概述 405

9.3.2 基本概念 406

9.3.3 各类目标的激光雷达截面 413

9.3.4 有动力飞行器 416

9.3.5 地面车辆 421

9.3.6 水面舰艇 422

9.4 生命体的红外辐射 423

参考文献 424

第10章 激光的大气传输特性 425

10.1 意义和主要研究内容 426

10.2 大气的空间组成 428

10.2.1 地球大气组成层次 428

10.2.2 大气模式 429

10.2.3 辐射的大气传输方程 432

10.2.4 大气窗口 433

10.3 大气辐射的物理现象 434

10.3.1 大气对辐射和激光的反射 434

10.3.2 大气对辐射和激光的折射 434

10.3.3 大气对辐射和激光的衍射 435

10.3.4 其他大气光学现象 435

10.4 大气对辐射和激光的吸收 435

10.4.1 大气吸收现象 435

10.4.2 大气吸收的研究方法 437

10.5 大气对激光的散射 444

10.5.1 大气散射现象 444

10.5.2 散射的物理模型 446

10.5.3 确定大气散射系数的实用方法 453

10.5.4 气溶胶粒子散射的衰减 456

10.5.5 气溶胶与电磁辐射和光辐射的相互作用 457

10.5.6 吸收和散射对大气衰减的联合效应 458

10.5.7 LOWTRAN（LOWresolution TRANsmission）法 461

10.6 大气湍流效应 464

10.6.1 大气湍流效应简介 464

10.6.2 湍流对大气的折射率影响 465

10.6.3 强度闪烁 467

10.6.4 光束扩展 472

10.6.5 源像抖动 473

10.6.6 光束漂移 473

10.6.7 湍流的其他影响 474

10.7 气象对激光传输的影响 477

参考文献 486