面阵激光雷达成像原理、技术及应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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周国清，周祥 著

图书标签:

• 激光雷达
• 面阵激光雷达
• 成像原理
• 三维成像
• 自动驾驶
• 机器人
• 智能交通
• 目标检测
• 点云处理
• 光学工程

出版社： 武汉大学出版社

ISBN：9787307196834

版次：1

商品编码：12294255

包装：平装

丛书名： 地球空间信息学前沿丛书

开本：16

出版时间：2018-01-01

用纸：胶版纸

页数：243

字数：373000

内容简介

针对目前单点扫描激光雷达成像仪存在对激光器重复频率要求高、需要扫描装置、光学系统设计复杂、 功耗大、成像速度低等缺点，机载和(/或)星载面阵激光雷达成像仪的研制已经成为国际研究的热点。本书面向当前国际面阵激光雷达遥感技术发展的前沿，系统地、全面地描述了作者所在课题组近几年来在面阵激光雷达成像仪研究方面的成果，包括面阵激光雷达成像的原理、激光器、光机系统、探测处理、主控系统、多通道高精度量测、面阵激光雷达几何成像模型到面阵激光雷达数据的应用。

作者简介

周国清，男，汉族，1965年1月生，江西湖口人，现任桂林理工大学副校长。博士，教授，博士生导师，第六批国家“千人计划”学者，国家863计划地球观测与导航领域专家。入选2014年“国家新世纪百千万人才工程”人员名单。

目录

第1章 绪论
1.1 引言
1.2 激光雷达成像技术的发展与现状
1.3 单点激光雷达成像系统的缺点
1.4 面阵激光雷达发展现状
1.5 激光成像仪的基本组成部分
1.6 三种典型激光雷达成像模式与比较

第2章 面阵激光雷达成像原理
2.1 面阵激光雷达成像系统组成
2.2 非相干探测的激光雷达测距原理
2.3 光电探测器工作原理及APD接收性能分析
2.4 时间间隔测量原理和方法
2.5 面阵激光雷达测距原理

第3章 面阵激光雷达的激光器
3.1 激光器类型
3.2 半导体激光器
3.3 半导体激光器驱动原理
3.4 半导体激光器RC驱动电路
3.5 驱动电路的仿真与实验分析
3.6 半导体激光模块试验与测试

第4章 面阵激光雷达光机系统
4.1 光学系统分析
4.2 光学系统组成及功能
4.3 5×5面阵激光雷达发射光学系统设计
4.4 5×5面阵激光雷达接收光学系统设计
4.5 5×5面阵激光雷达光学系统调试及测试
4.6 面阵激光雷达系统结构设计

第5章 面阵激光雷达阵列探测处理
5.1 APD探测器功能与选择
5.2 探测处理电路分析
5.3 并行探测处理电路
5.4 抗干扰处理
5.5 阵列探测处理电路实现及测试分析

第6章 多通道高精度时间间隔测量
6.1 多通道时间间隔测量的实现方式
6.2 基于TDC-GPx多通道时间间隔测量
6.3 基于TDC-GPX软件设计
6.4 时间间隔测量系统测试及32通道测时仪

第7章 面阵激光雷达仪三维几何成像数学模型及模拟
7.1 面阵激光雷达仪几何成像模型
7.2 面阵激光三维(3D)坐标数学模型
7.3 理想飞行状态下面阵激光雷达成像模拟
7.4 非理想飞行状态下面阵激光雷达成像模拟
7.5 点阵扫描激光雷达数据精度分析
7.6 面阵激光雷达数据与单点扫描激光雷达3D数据精度对比分析

第8章 面阵激光雷达成像仪初始误差校准及系统评价
8.1 面阵激光雷达成像仪误差来源
8.2 误差校正方法
8.3 面阵激光雷达测距性能验证试验
8.4 绝对精度评估

第9章 面阵激光雷达数据预处理及三维可视化系统
9.1 面阵激光测距点云异常数据分类
9.2 点云异常数据补偿方法
9.3 点云异常数据预处理
9.4 点云异常数据处理程序设计及测试结果
9.5 面阵激光多幅点云配准及拼接
9.6 面阵激光雷达三维数据处理软件
9.7 数据预处理及精度分析

第10章 GPS和电子罗盘组合的低价POS系统
10.1 POS系统的功能与组成
10.2 POS系统常用坐标系及相互关系
10.3 GPS／电子罗盘组合的低价POS系统设计
10.4 低价POS系统误差分析及误差模型
10.5 低价POS系统测试及精度分析

第11章 机载激光雷达的应用
11.1 典型机载LiDAR数据应用领域
11.2 几种典型点云数据滤波算法
11.3 点云滤波算法的评价
11.4 点云数据应用实例——森林地区多回波滤波
11.5 结论
11.6 点云数据后处理的展望
附录A 英文简写和中英文对照
附录B 面阵激光雷达成像仪样机简介
参考文献

前言/序言

《光影探索：非接触式三维空间测量技术精要》 一、 引言：洞悉空间，感知万物 人类对三维空间的认知和测量，一直是科学技术发展的重要驱动力。从古老的测绘工具到现代的高精度仪器，我们不断寻求更精确、更高效、更安全的方式来捕捉和理解我们所处的物理世界。尤其是在工业生产、科学研究、艺术创作、文物保护乃至日常生活中，对物体三维形状和空间关系的精准获取，已成为不可或缺的一环。 传统的接触式测量方法，如游标卡尺、三坐标测量机（CMM）等，虽然在精度上有一定保障，但往往耗时耗力，且难以适用于易损、精密或难以触及的物体。随着科技的进步，非接触式测量技术应运而生，它们如同为我们打开了“透视”物体的新视角，能够在不触碰被测对象的情况下，高效地获取其三维信息。 本书《光影探索：非接触式三维空间测量技术精要》便是对这一领域进行深度探索的成果。我们旨在系统性地梳理非接触式三维空间测量技术的核心原理，剖析其关键技术环节，并展示其在诸多前沿领域的广泛应用。本书并非单纯的技术堆砌，而是力求从“光影”这一最基本的物理现象出发，揭示如何通过对光的行为进行巧妙设计和精准捕捉，来实现对真实世界三维形态的“逆向工程”。 二、 光学的奥秘：测量原理的基石 非接触式三维测量技术的根基在于对光的物理特性的深刻理解和巧妙运用。光，作为一种电磁波，携带了丰富的空间信息。通过控制光的发射、传播、反射以及对光的接收和分析，我们可以“读取”物体表面的几何特征。本书将围绕以下几个核心光学原理展开： 几何光学与三角测量： 这是许多三维测量方法的基础。我们知道，知道一个已知长度的线段（基线）和两条线段与该线段形成的夹角，即可确定一个点的空间位置。在三维测量中，我们通常会发射一束光，并在不同位置观察其与物体表面的交点，利用相机的成像原理和已知的相机参数，通过三角关系，即可推算出该点的三维坐标。本书将详细解析基于此原理的衍射光栅、结构光等技术。 光程差与干涉： 干涉现象是光的波动性的体现，即两束或多束光波叠加时，会产生加强或减弱的现象。利用激光的相干性，通过让两束光经历不同的光程后发生干涉，干涉条纹的形态会直接反映出物体表面的微小形变或高低起伏。本书将深入讲解白光干涉、相移干涉等高精度测量技术，它们在表面形貌分析、微纳器件检测等领域扮演着至关重要的角色。 光的时间飞行（Time-of-Flight, ToF）： 光的传播速度是恒定的，因此，测量光从发射到被物体反射回来的往返时间，就可以计算出光传播的距离。激光雷达（LiDAR）正是基于这一原理。通过发射脉冲激光并测量其返回时间，即可构建出环境的三维点云。本书将详细阐述ToF测距的原理，包括直接ToF（dToF）和间接ToF（iToF）的差异，以及其在距离测量中的精确度影响因素。 光的信息编码与解码： 为了更高效地获取三维信息，我们可以通过编码光来增加其携带的信息量。例如，结构光技术将预设的光图案（如条纹、点阵）投射到物体表面，这些图案在物体表面的形变能够被相机捕捉，通过分析图案的畸变，即可快速复原物体表面的三维形状。本书将详细介绍不同类型的结构光（如线扫描、面扫描），以及其数据采集和处理的流程。 光的回波信号分析： 对于激光雷达等技术，接收到的回波信号不仅包含距离信息，还可能包含反射强度、多径效应等信息。对这些回波信号进行精细分析，可以进一步提取出物体的材质、表面纹理等附加信息，这对于目标识别和场景理解至关重要。本书将探讨回波信号的特性及其解析方法。 三、 关键技术剖析：从原理到实践 理解了基本的光学原理，本书将进一步深入剖析实现这些原理的关键技术环节： 光源的选择与控制： 不同测量需求对光源的特性有着不同的要求。例如，激光因其单色性好、方向性强、相干性高，成为许多高精度测量的首选；LED则因其成本低、易于驱动，在某些应用中也占有一席之地。本书将讨论不同类型光源（如激光器、LED）的光谱特性、功率、模式（连续波、脉冲）对测量结果的影响，以及如何进行精确控制。 成像系统设计： 图像传感器（如CCD、CMOS）是捕捉光信号的关键。本书将探讨不同成像传感器的像素尺寸、量子效率、动态范围、帧率等参数对测量精度的影响，以及镜头的设计（焦距、视场角、畸变校正）如何影响图像质量和测量范围。 光学传感器与探测器： 除了成像传感器，特定的光电探测器（如光电二极管、雪崩光电二极管APD、单光子雪崩二极管SPAD）在ToF和激光雷达等技术中扮演着核心角色，它们负责将接收到的光信号转化为电信号，并精确测量信号的时序和强度。本书将深入研究这些探测器的性能指标和工作原理。 数据采集与处理算法： 从传感器获取的原始数据往往是海量的、未经处理的。如何高效地采集这些数据，并进行后续的处理，是实现三维测量的关键。这包括： 图像配准与校准： 确保不同相机视角或不同时间采集到的图像能够精确对齐。 特征提取与匹配： 在点云或图像中寻找关键特征点，用于相机位姿估计或物体识别。 滤波与降噪： 去除测量过程中的随机误差和系统误差，提高点云的质量。 曲面拟合与重建： 将离散的点云数据转化为连续的表面模型。 坐标转换与标定： 将传感器坐标系下的数据转换到世界坐标系，实现精确的定位。 系统集成与优化： 将光源、光学元件、传感器、处理器等各个模块有机地集成起来，并进行整体性能优化，是构建可靠测量系统的必要步骤。本书将讨论光路设计、散热、抗干扰等方面的工程化考量。 四、 应用领域纵览：赋能百业 非接触式三维空间测量技术凭借其高效、安全、精确的特点，已在众多领域展现出巨大的应用潜力，并深刻地改变着传统行业： 工业制造与质量控制： 三维扫描与逆向工程： 快速获取复杂零件的三维模型，用于模具设计、产品仿制、定制化生产。 尺寸检测与形变分析： 实时监测产品尺寸精度，检测生产过程中的形变，确保产品质量。 自动化装配与机器人引导： 为工业机器人提供精确的环境感知和目标定位信息，实现自动化抓取、焊接、组装。 文物保护与文化遗产研究： 高精度数字化存档： 对珍贵的文物、雕塑、古建筑进行高精度三维扫描，建立数字档案，便于研究、修复和展示。 虚拟现实（VR）与增强现实（AR）应用： 创建逼真的三维虚拟场景，让人们能够在线“参观”博物馆，或在真实环境中叠加虚拟文物信息。 地理信息系统（GIS）与测绘： 地形地貌测绘： 利用航空、无人机搭载的三维扫描设备，快速绘制高精度数字高程模型（DEM）和数字表面模型（DSM）。 城市三维建模： 构建城市的三维数字孪生，用于规划、管理、应急响应。 自动驾驶与智能交通： 环境感知： 激光雷达是自动驾驶汽车感知周围环境的关键传感器，能够检测障碍物、车道线、行人等，并构建实时三维地图。 交通流量监测与分析： 通过对道路场景的三维扫描，实现对交通流量、车辆行为的精确统计和分析。 生物医学与人体工程学： 医学影像与手术规划： 获取人体器官、骨骼的三维模型，辅助医生进行手术规划和导航。 姿态捕捉与运动分析： 用于康复医学、运动科学、虚拟现实游戏等领域，分析人体的运动轨迹和姿态。 娱乐与虚拟现实/增强现实： 角色建模与场景构建： 为电影、游戏制作提供高精度的人物模型和虚拟场景。 沉浸式体验： 通过捕捉真实世界的三维信息，与虚拟世界无缝融合，提供更逼真的沉浸式体验。 五、 未来展望：挑战与机遇 尽管非接触式三维空间测量技术已取得长足发展，但其发展前景依然广阔，同时也面临着新的挑战： 更高精度与更远距离的融合： 如何在保证高精度的同时，实现更远的测量距离，是许多应用场景的迫切需求。 实时性与智能化： 提高数据采集和处理的实时性，并进一步融合人工智能技术，实现对三维场景的智能理解和分析。 小型化与低成本化： 推动测量设备的进一步小型化、集成化，降低成本，使其能够更广泛地应用于消费级产品和新兴领域。 多模态信息融合： 将三维几何信息与颜色、纹理、材质等其他信息进行更有效的融合，构建更全面的三维感知能力。 隐私与安全性： 在某些应用场景，如何处理和保护获取的三维数据，成为一个重要的议题。 本书《光影探索：非接触式三维空间测量技术精要》旨在为读者提供一个全面、深入的学习平台。通过对光学原理的深入理解，对关键技术的细致剖析，以及对前沿应用的广泛介绍，我们希望能够激发读者对这一领域的兴趣，并为相关领域的研究、开发和应用提供有价值的参考。让我们一同走进光影的世界，探索三维空间的无限可能。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计很有意思，银色的底色配上深蓝色的书名，下方是模糊但依然能辨认出是点状云的激光雷达扫描图，整体给人一种科技感和专业感。我一直在关注激光雷达技术在无人驾驶领域的应用，市面上相关的书籍也看过几本，但往往侧重于算法或者系统集成。这本书的书名“面阵激光雷达”一下子就吸引了我，因为我之前接触到的很多是扫描式激光雷达，对点云的形成和处理有些基础了解，但对面阵激光雷达的工作原理还比较陌生，它是否能实现更高频率的扫描，或者在某些特定场景下有什么优势，我非常好奇。封面上的图似乎在暗示其在三维空间重建方面的能力，这正是我最想深入了解的部分。而且“原理、技术及应用”这样的结构，也表明了这是一本内容全面、由浅入深的教材，希望能帮助我从根本上理解面阵激光雷达的技术脉络，而不是停留在表面的应用介绍。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容，虽然书名听起来很专业，但我作为一名对前沿科技充满好奇的普通读者，还是被它所吸引了。我最近在玩一些VR游戏，对三维建模和空间感知非常感兴趣，也了解到激光雷达是实现这些技术的重要手段之一。我特别想知道，“面阵激光雷达”到底和我们日常生活中听到的“激光”有什么不同，它怎么能“成像”的？书名中的“成像原理”四个字，听起来就充满了科学的严谨和探索的乐趣。我希望这本书能用比较易懂的方式解释清楚它的基本工作机制，比如它是如何发射激光，又是如何接收反射回来的信号，然后是如何一步步构建出三维图像的。我不太懂物理和数学，所以如果能有图示和生动的比喻来辅助理解，那就再好不过了。我对“应用”部分也很好奇，除了无人驾驶，它还能在哪些领域发挥作用？比如在艺术创作、考古勘探、甚至是室内导航等方面，它的应用前景是不是很广阔？

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的第一感觉就是“专业”和“全面”。我是一名在测绘行业工作多年的老兵，一直以来我们主要依赖传统的全站仪和GPS进行地形测量，近些年也开始接触一些LiDAR技术。但之前接触到的多是倾斜摄影和航空LiDAR，对于“面阵激光雷达”这个概念相对陌生。书名中的“原理、技术及应用”这几个关键词，让我觉得这本书很有可能是一本能够系统性梳理面阵激光雷达技术发展脉络的权威著作。我特别想了解，与我们现有的测绘技术相比，面阵激光雷达在精度、效率、作业方式等方面有什么颠覆性的优势，它在城市规划、土地管理、道路检测等方面的实际应用案例会如何呈现，是否能为我们提供新的技术工具和工作方法。另外，书名中“技术”的部分，我想了解它背后有哪些核心的工程实现和创新点，比如在光学设计、探测器选择、数据处理等方面。

评分☆☆☆☆☆

我是一名研究生，研究方向是计算机视觉，最近导师让我们关注一下三维感知技术，特别是激光雷达在机器人导航和环境重建方面的进展。我之前看过一些关于激光雷达的书，但多数集中在点云处理算法上，对于硬件本身的工作原理介绍得比较少。这本书的书名“面阵激光雷达”引起了我的注意，因为我一直想深入了解不同类型激光雷达的优劣，以及它们在硬件层面上的技术差异。我尤其对“原理”和“技术”这两个词很感兴趣，希望能弄清楚面阵激光雷达相比于其他类型激光雷达（比如机械扫描式）在结构、精度、扫描速度、抗干扰能力等方面有什么独特之处，以及有哪些关键的技术突破。在“应用”方面，我比较关注它在机器人避障、SLAM（同步定位与地图构建）、以及三维场景理解等方面的具体实现。这本书的深度和广度，能否满足我们进行深入研究的需求，是我最看重的一点。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧很朴实，硬壳封面，纸张的触感也相当不错，拿在手里有分量，感觉是那种可以经常翻阅、不易损坏的类型。我是一位在工业自动化领域工作的工程师，最近公司正在考虑引入激光雷达进行产线上的精密测量和视觉引导，之前主要用的是传统的光学传感器，效果有些局限，尤其是对复杂形变和反光表面的处理能力。朋友推荐我看看这本书，说里面的“技术”部分可能包含一些我需要的内容，特别是关于面阵激光雷达在复杂工业场景下的应用案例，比如高精度尺寸测量、异形物体识别等等。我比较关注它的“成像原理”是不是能够解释清楚，它和传统的工业相机有什么本质区别，在抗干扰能力、环境适应性等方面是否更胜一筹，这些都是我在实际工作中需要考虑的关键因素。希望这本书能提供一些切实可行的解决方案和技术思路，帮助我拓展新的技术视野。