調頻連續波激光探測技術 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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趙繼廣，杜小平，曾朝陽 著

圖書標籤:

• 調頻連續波激光
• FMCW激光
• 激光探測
• 光縴激光
• 相移測量
• 距離測量
• 氣體檢測
• 工業測量
• 激光技術
• 精密測量

店鋪： 墨林閣圖書專營店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118099331

商品編碼：29434130745

包裝：平裝

齣版時間：2015-04-01

基本信息

書名：調頻連續波激光探測技術

定價：65.00元

作者：趙繼廣,杜,曾朝陽

齣版社：國防工業齣版社

齣版日期：2015-04-01

ISBN：9787118099331

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頁碼：

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

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內容提要

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本書緊密結閤復雜戰場環境對激光探測係統在探測精度、抗乾擾性能方麵的軍事需求，在綜閤分析、比較外相關領域發展的基礎上，將微波雷達中調頻連續波探測技術與激光測距技術相結閤，係統介紹瞭一種新體製激光近距離探測技術--調頻連續波激光探測技術，該技術在近距離具有定距精度高、抗乾擾能力強等優點。

目錄

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章 緒論
1.1 典型激光探測技術體製基本原理及特點
1.1.1 典型激光探測技術體製分類
1.1.2 脈衝飛行時間激光探測技術基本原理與特點
1.1.3 脈衝增益調製激光探測技術基本原理與特點
1.1.4 光子計數激光探測技術基本原理與特點
1.1.5 鑒相式連續波激光探測技術基本原理與特點
1.1.6 調頻連續波激光探測技術基本原理與特點
1.1.7 激光三角探測技術基本原理與特點
1.2 調頻連續波激光探測技術優勢與應用前景
1.2.1 調頻連續波激光探測技術優勢
1.2.2 調頻連續波激光探測技術應用前景
1.3 調頻連續波激光探測技術現狀及發展趨勢
1.3.1 調頻連續波激光探測技術總體現狀及趨勢
1.3.2 調製與發射關鍵技術現狀及趨勢
1.3.3 光電混頻接收關鍵技術現狀及趨勢
1.3.4 信號處理關鍵技術現狀及趨勢
參考文獻
第2章 調頻連續波激光探測機理
2.1 調頻連續波激光探測基本原理
2.2 調頻連續波激光探測係統基本組成
2.3 調頻連續波激光測距方程
2.4 距離分辨力和測距精度
2.5 激光測距的多普勒效應
參考文獻
第3章 調頻連續波激光探測調製發射
3.1 調頻連續波激光調製發射原理及係統組成
3.1.1 調頻連續波激光調製原理
3.1.2 調製發射係統組成及關鍵技術
3.2 綫性調頻信號生成
3.2.1 綫性調頻信號的生成方法概述
3.2.2 基於DDS的Chirp信號生成
3.2.3 Chirp信號參數對FMCW激光探測係統性能的影響分析
3.3 激光高頻寬帶調製與放大
3.3.1 常用激光調製方法及原理
3.3.2 FMCW激光探測係統大功率寬帶調製
3.3.3 已調激光的放大
3.4 激光發射光學係統
3.4.1 激光傳輸特性與準直擴束
3.4.2 常用激光發射光學係統
3.4.3 FMCW激光探測發射光學係統構建
參考文獻
第4章 調頻連續波激光探測混頻接收技術
4.1 調頻連續波激光混頻接收原理及係統組成
4.1.1 調頻連續波激光探測光電混頻原理
4.1.2 混頻接收係統組成
4.2 FMCW激光探測接收係統的實現結構
4.2.1 電混頻光接收機前端實現結構
4.2.2 光電混頻光接收機前端實現結構
4.2.3 電混頻與光電混頻接收機性能比較
4.3 基於量子阱電光反射調製器和電壓調製光電探測器的光電混頻
4.3.1 基於量子阱電光反射調製器的光電混頻方法
4.3.2 基於電壓調製光電探測器的光電混頻方法
4.4 基於ICCD的光電混頻
4.4.1 基於ICCD的光電混頻方法概述
4.4.2 ICCD電子轟擊倍增過程過剩噪聲因子
4.4.3 ICCD光電混頻模型
4.5 基於EBAPS的光電混頻
4.5.1 EBAPS概述
4.5.2 EBAPS電子轟擊倍增過程過剩噪聲因子
4.5.3 EBAPS光電混頻模型
4.6 基於MSM的光電混頻
4.6.1 MSM概述
4.6.2 MSM電壓—電流模型
4.6.3 MSM光電混頻模型
4.6.4 MSM光電混頻性能
4.7 基於APD的光電混頻
4.7.1 APD概述
4.7.2 APD電壓—電流模型
4.7.3 APD光電混頻模型
4.7.4 APD光電混頻性能
參考文獻
第5章 調頻連續波激光探測信號處理方法
5.1 調頻連續波激光探測迴波信號特性
5.1.1 中頻信號時域分析
5.1.2 中頻信號頻域分析
5.1.3 FMCW激光探測信號的多普勒效應分析
5.1.4 近距高速目標迴波信號頻譜及TBP影響分析
5.1.5 中頻信號的噪聲頻域統計特性
5.2 調頻連續波激光探測信號檢測方法
5.2.1 頻域過門限檢測方法
5.2.2 基於頻域自適應閾值的恒虛警檢測方法
5.3 迴波信號的距離—速度解耦
5.3.1 距離—速度解耦閤分析
5.3.2 調頻連續波激光探測信號模糊函數
5.3.3 距離一速度解耦原理
5.4 中頻信號頻譜細化方法
5.4.1 頻譜細化方法概述
5.4.2 時域補零法
5.4.3 基於實輸齣結構的ZFFT變換法
5.4.4 Chirp—Z變換法
5.4.5 FFT—Chirp—Z頻譜細化方法
5.4.6 頻譜細化方法性能分析
5.5 調頻連續波激光探測目標信息提取方法
5.5.1 基於二維傅裏葉變換的目標信息提取方法
5.5.2 基於距離補償的目標信息提取方法
5.5.3 基於速度補償的目標信息提取方法
5.5.4 基於參數估計的目標距離與速度信息快速提取方法
5.5.5 基於二次混頻和變周期調頻解耦的多目標信息提取方法
5.5.6 基於餘弦變換的多目標分辨方法
參考文獻
第6章 調頻連續波激光探測性能分析
6.1 調頻連續波激光探測性能影響因素
6.1.1 發射子係統對探測性能的影響因素分析
6.1.2 接收子係統對探測性能的影響因素分析
6.1.3 傳輸介質對探測性能的影響因素分析
6.1.4 信號處理子係統對探測性能的影響因素分析
6.2 激光器調製發射對探測性能的影響
6.2.1 探測係統光源的影響分析
6.2.2 發射激光信號調製特性的影響分析
6.3 調頻連續波激光探測接收對探測性能的影響
6.3.1 接收光學係統對信噪比的影響
6.3.2 探測器對信噪比的影響
6.3.3 信號解調係統對信噪比的影響
6.3.4 中頻信號調理模塊對信噪比的影響
6.4 傳輸介質對調頻連續波激光探測性能的影響
6.4.1 激光探測係統在氣溶膠環境下的探測過程分析
6.4.2 氣溶膠的散射特性
6.4.3 氣溶膠對FMCW激光信號傳輸的影響
6.4.4 FMCW激光探測係統氣溶膠後嚮散射特性分析
參考文獻

作者介紹

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文摘

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序言

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《遠近皆可：激光雷達探測的原理與應用》 一、 簡介 在飛速發展的科技時代，精準、高效的測量與感知技術已成為推動社會進步的關鍵力量。從自動駕駛汽車的“慧眼”到智慧城市的“神經末梢”，再到精密工業製造的“尺子”，一項名為激光雷達（LiDAR）的技術正以前所未有的速度滲透到我們生活的方方麵麵。它以光的速度，描繪齣我們所處世界的精細三維圖像，為理解、交互和優化物理空間提供瞭革命性的手段。 本書《遠近皆可：激光雷達探測的原理與應用》旨在係統、深入地剖析激光雷達這一強大傳感器的核心工作機製，並全麵展示其在各個領域的廣泛應用。我們將從最基礎的光學原理齣發，逐步揭示激光雷達如何通過發射激光脈衝並測量迴波信號來構建精確的三維環境模型。本書將摒棄晦澀的理論推演，以清晰的邏輯、豐富的圖示和生動的案例，帶領讀者循序漸進地理解激光雷達的“眼睛”是如何工作的，以及它如何“看見”並“理解”這個復雜的世界。 本書的重點不僅在於理論的闡釋，更在於對激光雷達在現實世界中如何落地生根、發揮價值的深度挖掘。我們將詳細探討不同類型的激光雷達係統，分析它們在性能、成本、功耗和適應性上的差異，並聚焦於它們在自動駕駛、地理測繪、機器人導航、工業自動化、考古勘探、環境監測乃至軍事國防等關鍵領域的實際應用案例。讀者將有機會瞭解到，激光雷達是如何幫助自動駕駛汽車在復雜路況下安全行駛，如何為地理信息係統提供高精度的地形數據，如何賦能機器人實現自主導航和避障，以及如何在古跡保護和資源勘探中扮演不可或缺的角色。 本書適閤廣泛的讀者群體，包括但不限於： 對前沿科技感興趣的普通讀者： 瞭解未來科技如何改變世界，特彆是自動駕駛和智慧城市等領域。 計算機視覺、機器人學、測繪工程、光學工程等相關專業的學生和研究人員： 深入學習激光雷達的原理、算法和應用，為學術研究或工程實踐打下堅實基礎。 從事自動駕駛、智慧城市、工業自動化、無人機應用等行業的工程師和從業者： 掌握激光雷達技術的核心知識，提升在産品研發、係統集成和方案設計方麵的能力。 對地理信息係統（GIS）、遙感技術等領域感興趣的專業人士： 瞭解激光雷達在空間數據獲取和處理方麵的優勢。 通過閱讀本書，您將不僅能夠理解激光雷達的“是什麼”和“怎麼工作”，更將深刻認識到它在“能做什麼”以及“為什麼如此重要”方麵的巨大潛力和價值。讓我們一同踏上這段探索激光雷達奧秘的旅程，揭開它“遠近皆可”的超凡感知能力。 二、 核心內容詳解 第一部分：激光雷達的基石——光學與物理原理 在深入瞭解激光雷達的係統構成和應用之前，我們必須首先構建對支撐其運作的基本物理原理的理解。本部分將聚焦於激光雷達的核心技術基礎，用通俗易懂的方式闡述其“看”世界的物理依據。 1. 光的本質與激光的特性： 光的基本性質： 簡要迴顧光的波粒二象性，以及光波的頻率、波長、振幅等基本概念，為理解激光打下基礎。 激光的誕生與獨特性： 詳細介紹激光器的工作原理，特彆是其“相乾性”、“單色性”和“方嚮性”這三大特性。強調激光為何能夠被精確地發射、聚焦，並以極高的效率穿透介質，成為理想的探測光源。我們將解釋，正是這些特性，賦予瞭激光雷達遠超普通光源的測量精度和探測距離。 2. 時間飛行（Time-of-Flight, ToF）測量原理： 距離測量的基本公式： 核心公式“距離 = (光速 × 飛行時間) / 2”將被清晰地呈現和解釋。我們將逐一解析每個參數的含義，並強調“除以2”的由來——激光信號的往返過程。 脈衝式激光雷達的運作流程： 詳細描述脈衝式激光雷達如何發射短暫的激光脈衝，如何精確地捕捉到從目標反射迴來的微弱迴波信號。這包括發射單元、接收單元、高精度時鍾以及信號處理等關鍵環節。 連續波（CW）激光雷達的補充說明： 雖然本書的名稱側重於“調頻連續波”而非“脈衝式”，但為瞭完整性，我們將簡要對比脈衝式與連續波（CW）激光雷達在距離測量原理上的差異。重點將放在調頻連續波（FMCW）激光雷達的獨特測距方法上，解釋其如何通過測量發射和接收信號的頻率差來推算距離，以及其在抗乾擾和同時測量距離與速度上的優勢。 3. 迴波信號的分析與處理： 信號強度與目標特性： 解釋迴波信號的強度與目標錶麵反射率、距離、大小以及激光束覆蓋範圍等因素的關係。這有助於理解激光雷達如何初步感知目標的物理屬性。 信號去噪與特徵提取： 介紹常用的信號處理技術，用於去除環境噪聲（如太陽光、其他光源乾擾）和係統自身噪聲，提取齣真實的目標迴波信號。我們將提及濾波、閾值判斷、信號平均等基本方法。 多迴波處理： 對於某些激光雷達係統，一個激光脈衝可能會産生多個迴波（例如，穿過植被到達地麵）。我們將解釋如何處理這些多迴波，以區分不同層麵的目標。 第二部分：激光雷達的“眼睛”——係統構成與關鍵技術 理解瞭基本原理後，我們將深入剖析構成一颱激光雷達係統的各個關鍵組成部分，以及實現高效、精確探測所依賴的核心技術。 1. 激光發射係統： 激光器類型： 介紹不同類型的激光器（如半導體激光器、光縴激光器）在激光雷達中的應用，及其在波長、功率、壽命和成本上的權衡。 光學器件： 聚焦於用於發射和準直激光束的透鏡、反射鏡等光學元件，以及它們在控製激光束形狀、發散度和方嚮上的作用。 2. 激光接收係統： 光學接收係統： 講解望遠鏡、濾光片等用於收集、聚焦和濾除雜散光的迴波信號的光學組件。 光電探測器： 詳細介紹光電探測器的類型（如APD、SPAD、SiPM），以及它們將接收到的光信號轉化為電信號的關鍵作用。強調其靈敏度、響應速度和動態範圍對整體係統性能的影響。 3. 掃描機製與數據獲取： 機械掃描： 介紹基於鏇轉、擺動等機械部件實現激光束二維或三維掃描的方式，如單綫、多綫激光雷達的掃描原理。 固態掃描： 重點介紹新興的固態掃描技術，如MEMS（微機電係統）掃描、光學相控陣（OPA）掃描、Flash LiDAR等，分析其在提高掃描速度、可靠性和減小體積方麵的優勢。 數據同步與采集： 討論激光發射、接收、掃描運動以及GPS/IMU（慣性測量單元）等外部傳感器數據的同步采集是構建精確三維點雲的關鍵。 4. 核心算法與數據處理： 點雲生成與配準： 解釋原始激光雷達掃描數據如何被轉換為具有空間坐標（X, Y, Z）的點雲。介紹點雲配準技術，用於將來自不同掃描角度或不同時間的數據融閤成一個完整的、統一的三維模型。 目標檢測與識彆： 概述如何利用點雲數據來檢測和識彆特定目標，如車輛、行人、障礙物等。涉及點雲分割、特徵提取和機器學習分類等技術。 環境建模與場景理解： 探討如何利用點雲數據構建高精度的三維地圖，以及如何進一步對場景進行語義理解，如區分道路、建築物、植被等。 第三部分：激光雷達的“觸角”——多元化應用領域 本書的核心價值在於展示激光雷達如何在現實世界中解決實際問題，其“遠近皆可”的感知能力，使得它在眾多前沿和傳統領域都扮演著越來越重要的角色。 1. 自動駕駛與智能交通： 感知障礙物與構建高精地圖： 詳細說明激光雷達在全天候、遠距離感知障礙物（車輛、行人、非機動車、路沿石、交通標識等）方麵的關鍵作用。展示其如何輔助自動駕駛車輛規劃路徑、規避碰撞。 精準定位： 介紹激光雷達點雲與高精地圖的匹配，實現厘米級車輛定位，這是自動駕駛安全性的基石。 交通流量監測與管理： 探討激光雷達在交通樞紐、交叉路口的應用，用於實時監測車流量、車速，優化交通信號燈配時。 2. 地理測繪與三維建模： 航空/傾斜攝影測量： 介紹機載激光雷達（LiDAR）如何快速、高效地獲取大範圍區域的地形地貌數據，用於製作數字高程模型（DEM）、數字錶麵模型（DSM）。 城市建模與數字孿生： 展示激光雷達在構建精細的城市三維模型中的應用，為城市規劃、管理、應急響應提供可視化支持，催生數字孿生城市的概念。 土地利用調查與環境監測： 解釋激光雷達如何用於植被覆蓋度分析、森林資源估算、地質災害風險評估等。 3. 機器人技術與工業自動化： 自主導航與避障： 詳細闡述激光雷達在服務機器人、工業機器人、AGV（自動導引車）中的導航和避障功能，使其能夠在復雜、動態的環境中自由移動。 精確測量與質量檢測： 介紹激光雷達在工業生産綫上的應用，用於零部件的尺寸測量、形變檢測、裝配誤差校正，實現高精度自動化質檢。 倉儲自動化： 探討激光雷達如何支持自動化立體倉庫的貨架定位、貨物掃描和路徑規劃。 4. 考古勘探與文化遺産保護： 無損探測古跡： 介紹激光雷達如何穿透地錶植被，探測隱藏在地下的古代遺跡、建築輪廓，為考古學傢提供重要的綫索。 文物數字化存檔： 展示激光雷達在三維掃描和高精度建模古建築、雕塑等文物，用於永久存檔、修復和虛擬展示。 5. 其他新興應用： 智慧安防： 激光雷達在周界防範、入侵檢測、目標跟蹤等方麵的應用。 氣象學： 激光雷達在探測大氣粒子、雲層、風場等方麵的應用。 軍事與國防： 目標識彆、測距、戰場態勢感知等。 四、 結論與展望 本書從基礎的光學原理齣發，層層深入地解析瞭激光雷達的工作機製、係統構成以及在各個領域的創新應用。我們希望通過本書，能夠讓讀者深刻理解激光雷達技術是如何通過精準的光學測量，為我們描繪齣一個清晰、真實的三維世界。 展望未來，激光雷達技術正朝著更高精度、更廣視角、更低成本、更強魯棒性、更低功耗的方嚮不斷發展。固態激光雷達的普及將進一步降低成本，提升可靠性，並帶來更小的體積，為更多消費級應用鋪平道路。多傳感器融閤（如激光雷達與攝像頭、雷達的結閤）將是提升感知係統整體性能的關鍵趨勢。人工智能和深度學習算法的進步，將使激光雷達數據處理和場景理解能力得到飛躍。 《遠近皆可：激光雷達探測的原理與應用》不僅是一本技術手冊，更是一扇通往未來的窗戶。它揭示瞭激光雷達如何從實驗室走嚮現實，如何改變我們的齣行方式、工作模式和生活體驗。隨著技術的不斷成熟和應用場景的持續拓展，激光雷達必將成為構建更智能、更安全、更高效世界的強大驅動力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和圖示設計簡直是一場視覺上的挑戰，但挑戰的背後，卻隱藏著作者對信息密度極緻榨取的意圖。我必須承認，初次翻開時，那些密集的文字塊和略顯陳舊的黑白插圖，著實讓人有些望而卻步。它沒有迎閤現代快餐閱讀的習慣，反而像一本上世紀中葉的嚴肅學術專著，要求讀者付齣額外的努力去“解碼”它所承載的信息。那些圖錶，雖然清晰度上稍欠現代印刷的精緻，但其信息量之大，內容之豐富，卻是令人驚嘆的。很多復雜的關係，如果不用這種高度濃縮的方式錶達，恐怕需要用數倍的篇幅纔能勉強說明白。這本書的價值，恰恰在於它拒絕為瞭錶麵的易讀性而犧牲核心的學術深度，它更像是一本工具書，一本需要反復翻閱、在案頭隨時準備參考的案頭寶典。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘事風格簡直是教科書級彆的嚴謹，每一個章節的邏輯推進都像是在繪製一張精密復雜的電路圖。作者似乎對信息的組織有著近乎偏執的追求，每一個概念的引入都建立在紮實的前置知識之上，絕不容許任何跳躍或含糊其辭的地方。我尤其欣賞它在闡述理論框架時所展現齣的那種深入骨髓的透徹感，仿佛能透過文字直接觸摸到那些抽象的物理過程。對於那些希望係統性構建自己知識體係的讀者來說，這本書無疑提供瞭一個堅固的基石。它不是那種追求花哨比喻或輕快節奏的讀物，它要求你全神貫注，用最嚴肅的態度去對待每一個公式和定義。讀完第一部分，我感覺自己對底層原理的理解邁上瞭一個全新的颱階，那種“豁然開朗”的體驗，是很多同類書籍難以給予的。它更像是一位德高望重的導師，不厭其煩地為你掃清每一個潛在的認知障礙，確保你每一步都走得穩健而紮實。

評分☆☆☆☆☆

我對於作者在案例分析部分所采取的策略感到非常好奇。它似乎避開瞭所有廣為人知、已經被過度解讀的“標準案例”，轉而深入挖掘瞭一些非常小眾、但卻極具啓發性的應用場景。這種選擇，使得整本書的閱讀體驗充滿瞭探索的樂趣。它不像某些書籍那樣，總是在重復已經被嚼爛的理論演示，而是將那些抽象的數學模型，巧妙地植入到一些非常具體的、甚至有些“冷門”的工程實踐中去。這迫使我必須跳齣固有的思維定勢，重新審視那些看似簡單的參數背後所蘊含的復雜物理背景。這種“反套路”的教學方式，極大地激發瞭我的批判性思維，讓我不僅僅滿足於“知道是什麼”，而是更進一步去探究“為什麼會這樣設計”以及“在其他條件下會如何變化”。

評分☆☆☆☆☆

從結構上看，這本書展現齣瞭一種高度的“模塊化”特徵，這對於一個希望按需學習的讀者來說，是一個巨大的福音。它不是那種強迫你必須從頭到尾綫性閱讀的作品。我可以毫不猶豫地跳到我最感興趣的特定章節，去鑽研那些我當前項目最需要解決的問題，而無需擔心因為跳過瞭前麵的基礎知識而導緻理解上的斷裂。每一個章節似乎都作為一個獨立的知識單元存在，擁有清晰的自我邊界和完備的內部邏輯。這種設計哲學，極大地提高瞭學習的效率和針對性，讓這本書成為瞭一個非常實用的“知識庫”，而不是一個必須被“攻剋”的堡壘。我可以根據我的時間安排和當前的需求，隨時從任何一個錨點開始我的探索之旅。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格，用一個詞來形容就是“冷峻的詩意”。雖然它探討的是高度技術性的主題，但作者在敘述過程中，偶爾會流露齣一種對所研究現象的深刻敬畏和近乎哲學的思考。這種氣質非常獨特，它不是那種乾巴巴的技術手冊，而是仿佛能在冰冷的公式和嚴謹的推導中，窺見一絲對自然界精妙運作的贊嘆。例如，在討論到某種信號處理的極限性能時，作者用瞭一段極富畫麵感的文字來描述信息是如何“掙脫”噪聲的束縛的。這種偶爾的“文學性點綴”，恰到好處地緩解瞭技術內容的枯燥，讓長篇的閱讀過程變得不那麼單調乏味，如同在漫長的隧道盡頭瞥見瞭一束柔和的光芒。