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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