麵陣激光雷達成像原理、技術及應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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周國清，周祥 著

圖書標籤:

• 激光雷達
• 麵陣激光雷達
• 成像原理
• 三維成像
• 自動駕駛
• 機器人
• 智能交通
• 目標檢測
• 點雲處理
• 光學工程

齣版社： 武漢大學齣版社

ISBN：9787307196834

版次：1

商品編碼：12294255

包裝：平裝

叢書名： 地球空間信息學前沿叢書

開本：16

齣版時間：2018-01-01

用紙：膠版紙

頁數：243

字數：373000

內容簡介

針對目前單點掃描激光雷達成像儀存在對激光器重復頻率要求高、需要掃描裝置、光學係統設計復雜、 功耗大、成像速度低等缺點，機載和(/或)星載麵陣激光雷達成像儀的研製已經成為國際研究的熱點。本書麵嚮當前國際麵陣激光雷達遙感技術發展的前沿，係統地、全麵地描述瞭作者所在課題組近幾年來在麵陣激光雷達成像儀研究方麵的成果，包括麵陣激光雷達成像的原理、激光器、光機係統、探測處理、主控係統、多通道高精度量測、麵陣激光雷達幾何成像模型到麵陣激光雷達數據的應用。

作者簡介

周國清，男，漢族，1965年1月生，江西湖口人，現任桂林理工大學副校長。博士，教授，博士生導師，第六批國傢“韆人計劃”學者，國傢863計劃地球觀測與導航領域專傢。入選2014年“國傢新世紀百韆萬人纔工程”人員名單。

目錄

第1章 緒論
1.1 引言
1.2 激光雷達成像技術的發展與現狀
1.3 單點激光雷達成像係統的缺點
1.4 麵陣激光雷達發展現狀
1.5 激光成像儀的基本組成部分
1.6 三種典型激光雷達成像模式與比較

第2章 麵陣激光雷達成像原理
2.1 麵陣激光雷達成像係統組成
2.2 非相乾探測的激光雷達測距原理
2.3 光電探測器工作原理及APD接收性能分析
2.4 時間間隔測量原理和方法
2.5 麵陣激光雷達測距原理

第3章 麵陣激光雷達的激光器
3.1 激光器類型
3.2 半導體激光器
3.3 半導體激光器驅動原理
3.4 半導體激光器RC驅動電路
3.5 驅動電路的仿真與實驗分析
3.6 半導體激光模塊試驗與測試

第4章 麵陣激光雷達光機係統
4.1 光學係統分析
4.2 光學係統組成及功能
4.3 5×5麵陣激光雷達發射光學係統設計
4.4 5×5麵陣激光雷達接收光學係統設計
4.5 5×5麵陣激光雷達光學係統調試及測試
4.6 麵陣激光雷達係統結構設計

第5章 麵陣激光雷達陣列探測處理
5.1 APD探測器功能與選擇
5.2 探測處理電路分析
5.3 並行探測處理電路
5.4 抗乾擾處理
5.5 陣列探測處理電路實現及測試分析

第6章 多通道高精度時間間隔測量
6.1 多通道時間間隔測量的實現方式
6.2 基於TDC-GPx多通道時間間隔測量
6.3 基於TDC-GPX軟件設計
6.4 時間間隔測量係統測試及32通道測時儀

第7章 麵陣激光雷達儀三維幾何成像數學模型及模擬
7.1 麵陣激光雷達儀幾何成像模型
7.2 麵陣激光三維(3D)坐標數學模型
7.3 理想飛行狀態下麵陣激光雷達成像模擬
7.4 非理想飛行狀態下麵陣激光雷達成像模擬
7.5 點陣掃描激光雷達數據精度分析
7.6 麵陣激光雷達數據與單點掃描激光雷達3D數據精度對比分析

第8章 麵陣激光雷達成像儀初始誤差校準及係統評價
8.1 麵陣激光雷達成像儀誤差來源
8.2 誤差校正方法
8.3 麵陣激光雷達測距性能驗證試驗
8.4 絕對精度評估

第9章 麵陣激光雷達數據預處理及三維可視化係統
9.1 麵陣激光測距點雲異常數據分類
9.2 點雲異常數據補償方法
9.3 點雲異常數據預處理
9.4 點雲異常數據處理程序設計及測試結果
9.5 麵陣激光多幅點雲配準及拼接
9.6 麵陣激光雷達三維數據處理軟件
9.7 數據預處理及精度分析

第10章 GPS和電子羅盤組閤的低價POS係統
10.1 POS係統的功能與組成
10.2 POS係統常用坐標係及相互關係
10.3 GPS／電子羅盤組閤的低價POS係統設計
10.4 低價POS係統誤差分析及誤差模型
10.5 低價POS係統測試及精度分析

第11章 機載激光雷達的應用
11.1 典型機載LiDAR數據應用領域
11.2 幾種典型點雲數據濾波算法
11.3 點雲濾波算法的評價
11.4 點雲數據應用實例——森林地區多迴波濾波
11.5 結論
11.6 點雲數據後處理的展望
附錄A 英文簡寫和中英文對照
附錄B 麵陣激光雷達成像儀樣機簡介
參考文獻

前言/序言

《光影探索：非接觸式三維空間測量技術精要》 一、 引言：洞悉空間，感知萬物 人類對三維空間的認知和測量，一直是科學技術發展的重要驅動力。從古老的測繪工具到現代的高精度儀器，我們不斷尋求更精確、更高效、更安全的方式來捕捉和理解我們所處的物理世界。尤其是在工業生産、科學研究、藝術創作、文物保護乃至日常生活中，對物體三維形狀和空間關係的精準獲取，已成為不可或缺的一環。 傳統的接觸式測量方法，如遊標卡尺、三坐標測量機（CMM）等，雖然在精度上有一定保障，但往往耗時耗力，且難以適用於易損、精密或難以觸及的物體。隨著科技的進步，非接觸式測量技術應運而生，它們如同為我們打開瞭“透視”物體的新視角，能夠在不觸碰被測對象的情況下，高效地獲取其三維信息。 本書《光影探索：非接觸式三維空間測量技術精要》便是對這一領域進行深度探索的成果。我們旨在係統性地梳理非接觸式三維空間測量技術的核心原理，剖析其關鍵技術環節，並展示其在諸多前沿領域的廣泛應用。本書並非單純的技術堆砌，而是力求從“光影”這一最基本的物理現象齣發，揭示如何通過對光的行為進行巧妙設計和精準捕捉，來實現對真實世界三維形態的“逆嚮工程”。 二、 光學的奧秘：測量原理的基石 非接觸式三維測量技術的根基在於對光的物理特性的深刻理解和巧妙運用。光，作為一種電磁波，攜帶瞭豐富的空間信息。通過控製光的發射、傳播、反射以及對光的接收和分析，我們可以“讀取”物體錶麵的幾何特徵。本書將圍繞以下幾個核心光學原理展開： 幾何光學與三角測量： 這是許多三維測量方法的基礎。我們知道，知道一個已知長度的綫段（基綫）和兩條綫段與該綫段形成的夾角，即可確定一個點的空間位置。在三維測量中，我們通常會發射一束光，並在不同位置觀察其與物體錶麵的交點，利用相機的成像原理和已知的相機參數，通過三角關係，即可推算齣該點的三維坐標。本書將詳細解析基於此原理的衍射光柵、結構光等技術。 光程差與乾涉： 乾涉現象是光的波動性的體現，即兩束或多束光波疊加時，會産生加強或減弱的現象。利用激光的相乾性，通過讓兩束光經曆不同的光程後發生乾涉，乾涉條紋的形態會直接反映齣物體錶麵的微小形變或高低起伏。本書將深入講解白光乾涉、相移乾涉等高精度測量技術，它們在錶麵形貌分析、微納器件檢測等領域扮演著至關重要的角色。 光的時間飛行（Time-of-Flight, ToF）： 光的傳播速度是恒定的，因此，測量光從發射到被物體反射迴來的往返時間，就可以計算齣光傳播的距離。激光雷達（LiDAR）正是基於這一原理。通過發射脈衝激光並測量其返迴時間，即可構建齣環境的三維點雲。本書將詳細闡述ToF測距的原理，包括直接ToF（dToF）和間接ToF（iToF）的差異，以及其在距離測量中的精確度影響因素。 光的信息編碼與解碼： 為瞭更高效地獲取三維信息，我們可以通過編碼光來增加其攜帶的信息量。例如，結構光技術將預設的光圖案（如條紋、點陣）投射到物體錶麵，這些圖案在物體錶麵的形變能夠被相機捕捉，通過分析圖案的畸變，即可快速復原物體錶麵的三維形狀。本書將詳細介紹不同類型的結構光（如綫掃描、麵掃描），以及其數據采集和處理的流程。 光的迴波信號分析： 對於激光雷達等技術，接收到的迴波信號不僅包含距離信息，還可能包含反射強度、多徑效應等信息。對這些迴波信號進行精細分析，可以進一步提取齣物體的材質、錶麵紋理等附加信息，這對於目標識彆和場景理解至關重要。本書將探討迴波信號的特性及其解析方法。 三、 關鍵技術剖析：從原理到實踐 理解瞭基本的光學原理，本書將進一步深入剖析實現這些原理的關鍵技術環節： 光源的選擇與控製： 不同測量需求對光源的特性有著不同的要求。例如，激光因其單色性好、方嚮性強、相乾性高，成為許多高精度測量的首選；LED則因其成本低、易於驅動，在某些應用中也占有一席之地。本書將討論不同類型光源（如激光器、LED）的光譜特性、功率、模式（連續波、脈衝）對測量結果的影響，以及如何進行精確控製。 成像係統設計： 圖像傳感器（如CCD、CMOS）是捕捉光信號的關鍵。本書將探討不同成像傳感器的像素尺寸、量子效率、動態範圍、幀率等參數對測量精度的影響，以及鏡頭的設計（焦距、視場角、畸變校正）如何影響圖像質量和測量範圍。 光學傳感器與探測器： 除瞭成像傳感器，特定的光電探測器（如光電二極管、雪崩光電二極管APD、單光子雪崩二極管SPAD）在ToF和激光雷達等技術中扮演著核心角色，它們負責將接收到的光信號轉化為電信號，並精確測量信號的時序和強度。本書將深入研究這些探測器的性能指標和工作原理。 數據采集與處理算法： 從傳感器獲取的原始數據往往是海量的、未經處理的。如何高效地采集這些數據，並進行後續的處理，是實現三維測量的關鍵。這包括： 圖像配準與校準： 確保不同相機視角或不同時間采集到的圖像能夠精確對齊。 特徵提取與匹配： 在點雲或圖像中尋找關鍵特徵點，用於相機位姿估計或物體識彆。 濾波與降噪： 去除測量過程中的隨機誤差和係統誤差，提高點雲的質量。 麯麵擬閤與重建： 將離散的點雲數據轉化為連續的錶麵模型。 坐標轉換與標定： 將傳感器坐標係下的數據轉換到世界坐標係，實現精確的定位。 係統集成與優化： 將光源、光學元件、傳感器、處理器等各個模塊有機地集成起來，並進行整體性能優化，是構建可靠測量係統的必要步驟。本書將討論光路設計、散熱、抗乾擾等方麵的工程化考量。 四、 應用領域縱覽：賦能百業 非接觸式三維空間測量技術憑藉其高效、安全、精確的特點，已在眾多領域展現齣巨大的應用潛力，並深刻地改變著傳統行業： 工業製造與質量控製： 三維掃描與逆嚮工程： 快速獲取復雜零件的三維模型，用於模具設計、産品仿製、定製化生産。 尺寸檢測與形變分析： 實時監測産品尺寸精度，檢測生産過程中的形變，確保産品質量。 自動化裝配與機器人引導： 為工業機器人提供精確的環境感知和目標定位信息，實現自動化抓取、焊接、組裝。 文物保護與文化遺産研究： 高精度數字化存檔： 對珍貴的文物、雕塑、古建築進行高精度三維掃描，建立數字檔案，便於研究、修復和展示。 虛擬現實（VR）與增強現實（AR）應用： 創建逼真的三維虛擬場景，讓人們能夠在綫“參觀”博物館，或在真實環境中疊加虛擬文物信息。 地理信息係統（GIS）與測繪： 地形地貌測繪： 利用航空、無人機搭載的三維掃描設備，快速繪製高精度數字高程模型（DEM）和數字錶麵模型（DSM）。 城市三維建模： 構建城市的三維數字孿生，用於規劃、管理、應急響應。 自動駕駛與智能交通： 環境感知： 激光雷達是自動駕駛汽車感知周圍環境的關鍵傳感器，能夠檢測障礙物、車道綫、行人等，並構建實時三維地圖。 交通流量監測與分析： 通過對道路場景的三維掃描，實現對交通流量、車輛行為的精確統計和分析。 生物醫學與人體工程學： 醫學影像與手術規劃： 獲取人體器官、骨骼的三維模型，輔助醫生進行手術規劃和導航。 姿態捕捉與運動分析： 用於康復醫學、運動科學、虛擬現實遊戲等領域，分析人體的運動軌跡和姿態。 娛樂與虛擬現實/增強現實： 角色建模與場景構建： 為電影、遊戲製作提供高精度的人物模型和虛擬場景。 沉浸式體驗： 通過捕捉真實世界的三維信息，與虛擬世界無縫融閤，提供更逼真的沉浸式體驗。 五、 未來展望：挑戰與機遇 盡管非接觸式三維空間測量技術已取得長足發展，但其發展前景依然廣闊，同時也麵臨著新的挑戰： 更高精度與更遠距離的融閤： 如何在保證高精度的同時，實現更遠的測量距離，是許多應用場景的迫切需求。 實時性與智能化： 提高數據采集和處理的實時性，並進一步融閤人工智能技術，實現對三維場景的智能理解和分析。 小型化與低成本化： 推動測量設備的進一步小型化、集成化，降低成本，使其能夠更廣泛地應用於消費級産品和新興領域。 多模態信息融閤： 將三維幾何信息與顔色、紋理、材質等其他信息進行更有效的融閤，構建更全麵的三維感知能力。 隱私與安全性： 在某些應用場景，如何處理和保護獲取的三維數據，成為一個重要的議題。 本書《光影探索：非接觸式三維空間測量技術精要》旨在為讀者提供一個全麵、深入的學習平颱。通過對光學原理的深入理解，對關鍵技術的細緻剖析，以及對前沿應用的廣泛介紹，我們希望能夠激發讀者對這一領域的興趣，並為相關領域的研究、開發和應用提供有價值的參考。讓我們一同走進光影的世界，探索三維空間的無限可能。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀很樸實，硬殼封麵，紙張的觸感也相當不錯，拿在手裏有分量，感覺是那種可以經常翻閱、不易損壞的類型。我是一位在工業自動化領域工作的工程師，最近公司正在考慮引入激光雷達進行産綫上的精密測量和視覺引導，之前主要用的是傳統的光學傳感器，效果有些局限，尤其是對復雜形變和反光錶麵的處理能力。朋友推薦我看看這本書，說裏麵的“技術”部分可能包含一些我需要的內容，特彆是關於麵陣激光雷達在復雜工業場景下的應用案例，比如高精度尺寸測量、異形物體識彆等等。我比較關注它的“成像原理”是不是能夠解釋清楚，它和傳統的工業相機有什麼本質區彆，在抗乾擾能力、環境適應性等方麵是否更勝一籌，這些都是我在實際工作中需要考慮的關鍵因素。希望這本書能提供一些切實可行的解決方案和技術思路，幫助我拓展新的技術視野。

評分☆☆☆☆☆

我是一名研究生，研究方嚮是計算機視覺，最近導師讓我們關注一下三維感知技術，特彆是激光雷達在機器人導航和環境重建方麵的進展。我之前看過一些關於激光雷達的書，但多數集中在點雲處理算法上，對於硬件本身的工作原理介紹得比較少。這本書的書名“麵陣激光雷達”引起瞭我的注意，因為我一直想深入瞭解不同類型激光雷達的優劣，以及它們在硬件層麵上的技術差異。我尤其對“原理”和“技術”這兩個詞很感興趣，希望能弄清楚麵陣激光雷達相比於其他類型激光雷達（比如機械掃描式）在結構、精度、掃描速度、抗乾擾能力等方麵有什麼獨特之處，以及有哪些關鍵的技術突破。在“應用”方麵，我比較關注它在機器人避障、SLAM（同步定位與地圖構建）、以及三維場景理解等方麵的具體實現。這本書的深度和廣度，能否滿足我們進行深入研究的需求，是我最看重的一點。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容，雖然書名聽起來很專業，但我作為一名對前沿科技充滿好奇的普通讀者，還是被它所吸引瞭。我最近在玩一些VR遊戲，對三維建模和空間感知非常感興趣，也瞭解到激光雷達是實現這些技術的重要手段之一。我特彆想知道，“麵陣激光雷達”到底和我們日常生活中聽到的“激光”有什麼不同，它怎麼能“成像”的？書名中的“成像原理”四個字，聽起來就充滿瞭科學的嚴謹和探索的樂趣。我希望這本書能用比較易懂的方式解釋清楚它的基本工作機製，比如它是如何發射激光，又是如何接收反射迴來的信號，然後是如何一步步構建齣三維圖像的。我不太懂物理和數學，所以如果能有圖示和生動的比喻來輔助理解，那就再好不過瞭。我對“應用”部分也很好奇，除瞭無人駕駛，它還能在哪些領域發揮作用？比如在藝術創作、考古勘探、甚至是室內導航等方麵，它的應用前景是不是很廣闊？

評分☆☆☆☆☆

這本書給我的第一感覺就是“專業”和“全麵”。我是一名在測繪行業工作多年的老兵，一直以來我們主要依賴傳統的全站儀和GPS進行地形測量，近些年也開始接觸一些LiDAR技術。但之前接觸到的多是傾斜攝影和航空LiDAR，對於“麵陣激光雷達”這個概念相對陌生。書名中的“原理、技術及應用”這幾個關鍵詞，讓我覺得這本書很有可能是一本能夠係統性梳理麵陣激光雷達技術發展脈絡的權威著作。我特彆想瞭解，與我們現有的測繪技術相比，麵陣激光雷達在精度、效率、作業方式等方麵有什麼顛覆性的優勢，它在城市規劃、土地管理、道路檢測等方麵的實際應用案例會如何呈現，是否能為我們提供新的技術工具和工作方法。另外，書名中“技術”的部分，我想瞭解它背後有哪些核心的工程實現和創新點，比如在光學設計、探測器選擇、數據處理等方麵。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計很有意思，銀色的底色配上深藍色的書名，下方是模糊但依然能辨認齣是點狀雲的激光雷達掃描圖，整體給人一種科技感和專業感。我一直在關注激光雷達技術在無人駕駛領域的應用，市麵上相關的書籍也看過幾本，但往往側重於算法或者係統集成。這本書的書名“麵陣激光雷達”一下子就吸引瞭我，因為我之前接觸到的很多是掃描式激光雷達，對點雲的形成和處理有些基礎瞭解，但對麵陣激光雷達的工作原理還比較陌生，它是否能實現更高頻率的掃描，或者在某些特定場景下有什麼優勢，我非常好奇。封麵上的圖似乎在暗示其在三維空間重建方麵的能力，這正是我最想深入瞭解的部分。而且“原理、技術及應用”這樣的結構，也錶明瞭這是一本內容全麵、由淺入深的教材，希望能幫助我從根本上理解麵陣激光雷達的技術脈絡，而不是停留在錶麵的應用介紹。