探测、制导与控制技术课件：第三章 激光探测技术

1、 第三章、激光探测技术本章学习要求：1. 理解激光产生的基本原理理解激光产生的基本原理2. 熟练掌握激光的定距及测距原理熟练掌握激光的定距及测距原理3. 了解激光雷达的基本原理了解激光雷达的基本原理4. 掌握激光探测的抗干扰措施掌握激光探测的抗干扰措施探测与识别技术探测与识别技术第五章第五章 激光探测技术激光探测技术典型应用之一典型应用之一激光测距仪激光测距仪 Leica DISTO A激光测距仪性能指标：激光测距仪性能指标：典型测量精度典型测量精度: +/-1.5 mm 测量范围测量范围: 0.05m至至60m 测量单位测量单位: 1mm 每电池组可测量每电池组可测量: 至至5，000次次

2、电池电池: 9V复合电池复合电池 防雨防雨/防尘防尘: IP54 尺寸尺寸: 1245535mm 连同电池的重量连同电池的重量: 152g 功能：面积功能：面积,体积测量；跟踪测量；加体积测量；跟踪测量；加/减功能；放样减功能；放样 功能；显示屏照明功能功能；显示屏照明功能 温度范围温度范围用途：适合进行室内设计用途：适合进行室内设计,施工等工作的专业人士使施工等工作的专业人士使用用 Leica DISTO A激光测距仪激光测距仪 典型应用之二典型应用之二激光探测系统激光探测系统 2005年年底，在美国国防部的年年底，在美国国防部的Grand Challenge无人驾驶挑战赛中，几乎无人驾驶挑

3、战赛中，几乎所有参赛车辆都使用了激光探测系统（所有参赛车辆都使用了激光探测系统（LMS）作为它们的）作为它们的“眼睛眼睛”。 LMS 291安装在这辆车的车顶上，安装在这辆车的车顶上， 主要作用是在主要作用是在X-Y平面上描绘出车辆前方道路，平面上描绘出车辆前方道路，然后利用机载电脑绘制出车辆行驶前方的然后利用机载电脑绘制出车辆行驶前方的3维图像（在维图像（在Z平面上）。绘制出车平面上）。绘制出车辆前方的地形，其次是探测越野路线两旁的石头、碎片等障碍物。辆前方的地形，其次是探测越野路线两旁的石头、碎片等障碍物。LMS 291的最大探测距离为的最大探测距离为80米，分辨率为米，分辨率为10毫米。

4、毫米。 第五章第五章 激光探测技术激光探测技术Sick公司的公司的LMS 291激光探测系统激光探测系统 3.1 激光的产生激光的产生 基态基态 按量子力学原理，任何原子、离子或分子只能稳定地按量子力学原理，任何原子、离子或分子只能稳定地存在于存在于一系列能量不连续的定态中一系列能量不连续的定态中（或存在于一系列分立（或存在于一系列分立的能级状态中）。其中原子的的能级状态中）。其中原子的最低最低能级。（能级。（稳定稳定） 激发态激发态 处于基态以上的能级。（处于基态以上的能级。（不稳定不稳定） 第五章第五章 激光探测技术激光探测技术3.1.1 相关概念相关概念 跃迁跃迁 原子能量的变化。跃迁的

5、形式包括：原子能量的变化。跃迁的形式包括：吸收吸收和和辐射辐射。 5.1激光的产生激光的产生 吸收吸收两能级之差的能量，由两能级之差的能量，由基态跃迁至激发态基态跃迁至激发态的过程。的过程。 原子吸收原子吸收 自发辐射自发辐射 处于激发态的原子释放光子返回基态的过程。处于激发态的原子释放光子返回基态的过程。 受激辐射受激辐射 在发生自发辐射前，受到外来关子作用的两能级之差在发生自发辐射前，受到外来关子作用的两能级之差的能量，由的能量，由激发态跃迁至基态激发态跃迁至基态，同时，同时释放一相同状态的光释放一相同状态的光子子。 受激辐射示意图受激辐射示意图 激光的全称激光的全称“受激辐射的光放大受激

6、辐射的光放大”。 光放大示意图光放大示意图 5.1激光的产生激光的产生3.1.2 产生激光的条件产生激光的条件1、 粒子数反转粒子数反转 热平衡状态下，粒子数满足波尔兹曼分布，低能态热平衡状态下，粒子数满足波尔兹曼分布，低能态粒子数远远大于高能态原子数。为了实现光放大，必须粒子数远远大于高能态原子数。为了实现光放大，必须选用适当的物质，采用特殊的手段选用适当的物质，采用特殊的手段破坏粒子数平衡破坏粒子数平衡，使，使得得高能态原子数远远大于低能态原子数高能态原子数远远大于低能态原子数。 外界供给系统一合适的能量，使工作物质的原子一次外界供给系统一合适的能量，使工作物质的原子一次跃迁至激发态跃迁至

7、激发态E4，而后通过无辐射跃迁很快地跃迁至亚稳，而后通过无辐射跃迁很快地跃迁至亚稳态态E3 ，在此态停留一段时间（约为，在此态停留一段时间（约为10-3s），之后跃迁至激），之后跃迁至激发态发态E2，很快地又从，很快地又从E2态返回态返回E1。由于。由于E2态的寿命极短，态的寿命极短，所以所以E2态上存在的原子数总是接近于零。这样就很容易地态上存在的原子数总是接近于零。这样就很容易地在在E3与与E2间形成粒子数反转间形成粒子数反转。 5.1激光的产生激光的产生2、 能级结构能级结构3、光学谐振腔、光学谐振腔 两反射镜保持严格的平行。当光线在其间反射时，只两反射镜保持严格的平行。当光线在其间反射

8、时，只有平行于镜面法线的光线保留下来其他方向的光线经过多有平行于镜面法线的光线保留下来其他方向的光线经过多次反射后逸出腔外，平行于法线的光线在平行腔内不断振次反射后逸出腔外，平行于法线的光线在平行腔内不断振荡同时激发新的受激辐射而使这一组平行光不断增强，最荡同时激发新的受激辐射而使这一组平行光不断增强，最后从窗口后从窗口M2射出。射出。 光学谐振腔组成原理光学谐振腔组成原理 5.1激光的产生激光的产生 另外，适当选择谐振腔的长度，使其满足稳定驻波的另外，适当选择谐振腔的长度，使其满足稳定驻波的振荡条件，即：振荡条件，即：从而可以对激光器所发激光的频率加以选择。从而可以对激光器所发激光的频率加以

9、选择。5.1激光的产生激光的产生2kL 4、阈值条件、阈值条件 外部环境必须满足一定的阈值条件，包括外部环境必须满足一定的阈值条件，包括减少损失减少损失，加加快抽运速度快抽运速度，促进反转促进反转等。等。3.1.3 激光的特性激光的特性 单向性好单向性好 激光沿一条直线传播，能量集中在传播方向上，发散激光沿一条直线传播，能量集中在传播方向上，发散角小。一般为角小。一般为10-510-8球面度。激光束射向几千米以外，球面度。激光束射向几千米以外，光束直径仅扩展几个厘米。光束直径仅扩展几个厘米。 单色性好单色性好 普通光源如钠灯、汞灯等得到单色光的谱线宽度为普通光源如钠灯、汞灯等得到单色光的谱线宽

10、度为10-2纳米，激光的谱线宽度为纳米，激光的谱线宽度为10-9纳米。纳米。 两度高两度高 相干性好相干性好5.1激光的产生激光的产生3.2 激光的定距原理激光的定距原理 激光近炸引信激光近炸引信 激光近炸引信是导弹的重要组成部分，可在激光近炸引信是导弹的重要组成部分，可在近场区域内对目近场区域内对目标探测和定距标探测和定距，并且在动态条件下输出适时引爆信号。该产品，并且在动态条件下输出适时引爆信号。该产品可以可以感知导弹距地面的高度感知导弹距地面的高度，根据预先装定，在导弹越过目标，根据预先装定，在导弹越过目标或未及目标时引出爆弹头，使弹头碎片取得最大的杀伤效果。或未及目标时引出爆弹头，使弹

11、头碎片取得最大的杀伤效果。第五章第五章 激光探测技术激光探测技术3.2.1 几何截断定距（三角定距法）几何截断定距（三角定距法）1、 原理原理 将将46组激光发射器和接收器在弹体周向均匀排列形成组激光发射器和接收器在弹体周向均匀排列形成360的发射接受视场。安装时的发射接受视场。安装时发射器与接受器存在一定倾角发射器与接受器存在一定倾角，这样使发射视场与接受视场在前方某一区域重合，这样使发射视场与接受视场在前方某一区域重合，发射光束发射光束轴线与接受光束轴线交与一点，其底边高即为作用距离。轴线与接受光束轴线交与一点，其底边高即为作用距离。5.2激光的定距原理激光的定距原理目标作目标作用区用区接

12、收视接收视场场 由于半导体激光器发出激光通常具有较大的束散角，所由于半导体激光器发出激光通常具有较大的束散角，所以采用以采用凸透镜或透镜组凸透镜或透镜组对激光器发出的激光对激光器发出的激光进行准直进行准直，并，并采用采用柱镜或反射光锥柱镜或反射光锥在弹体径向在弹体径向进行扩束进行扩束。 2、 组成组成 发射光学系统发射光学系统 接受光学系统接受光学系统 将目标发射光能量收集并聚到光电探测器上。一般将目标发射光能量收集并聚到光电探测器上。一般单个单个透镜透镜，并将光电探测器，并将光电探测器放在透镜焦平面放在透镜焦平面上。上。 系统的半场视角为：系统的半场视角为： ,2 fd 系统立体角为：系统立

13、体角为：5.2激光的定距原理激光的定距原理 接收的回波功率由激光引信的距离方程可知：接收的回波功率由激光引信的距离方程可知： d 光电探测器直径；光电探测器直径；f 透镜焦距；透镜焦距；Ad光敏面积；光敏面积； fAd2注注：接收视场的大小与光敏面积及光学透镜的焦距有关，获得：接收视场的大小与光敏面积及光学透镜的焦距有关，获得尽可能大的接收视场必须尽可能大的接收视场必须选用光敏面积大的探测器及减小光学选用光敏面积大的探测器及减小光学镜头焦距镜头焦距。 22)(RAeRKPPrRrttrPr 接收功率；接收功率；Pt发射功率；发射功率；t发射光学系统效率；发射光学系统效率； r接收光学系统效率；

14、接收光学系统效率；K(R)发射视场与接收视场部分重合造成的衰减；发射视场与接收视场部分重合造成的衰减；目标发射率；目标发射率；大气衰减大气衰减系数；系数；R激光器到目标的距离；激光器到目标的距离；Ar接收光学系统的孔径面积；接收光学系统的孔径面积； 5.2激光的定距原理激光的定距原理 光电探测器中主要采用光电探测器中主要采用光敏二极管光敏二极管。光敏二极管原理。光敏二极管原理与普通二极管基本相同。正常工作时，在与普通二极管基本相同。正常工作时，在未受光照时未受光照时，电电流几乎为零流几乎为零；受光照时受光照时，电流迅速增加电流迅速增加并随光强度增加而并随光强度增加而增大。增大。5.2激光的定距

15、原理激光的定距原理 光电探测器光电探测器注注：光敏二极管需在：光敏二极管需在反向偏压反向偏压条件下工作。条件下工作。 2、 特点特点 优点：定距精度高；优点：定距精度高；360度全向探测；处理电路简单。度全向探测；处理电路简单。 缺点：对于发射特性差别大的目标难以设定统一的作缺点：对于发射特性差别大的目标难以设定统一的作用门限；作用用门限；作用距离不能现场装定距离不能现场装定。5.2激光的定距原理激光的定距原理3.2.2距离选通定距距离选通定距1、 原理原理 脉冲调制器激励半导体激光器发射光脉冲，通过发射光脉冲调制器激励半导体激光器发射光脉冲，通过发射光学系统形成一定形状的激光束，光脉冲照射到

16、目标后，一部学系统形成一定形状的激光束，光脉冲照射到目标后，一部分光反射到接收光学系统，然后聚在光敏管上输出电脉冲，分光反射到接收光学系统，然后聚在光敏管上输出电脉冲，经过放大整形等信号处理送到选通器。另一路脉冲调制器发经过放大整形等信号处理送到选通器。另一路脉冲调制器发出激励信号经延迟器适当出激励信号经延迟器适当延时后控制选通门延时后控制选通门。通过适当的延通过适当的延时可以实现预定距离范围内起爆时可以实现预定距离范围内起爆。目目 标标 前置放大器，完成传感器与后续电路的性能匹配，要求必前置放大器，完成传感器与后续电路的性能匹配，要求必须为须为低噪声低噪声且有且有足够高的增益足够高的增益两项

17、指标。两项指标。 原因：多级放大器的噪声模型为，等效到输入端的噪声电原因：多级放大器的噪声模型为，等效到输入端的噪声电压为压为： 2、 组成组成 5.2激光的定距原理激光的定距原理 放大电路放大电路222212222221222323212122222212122nonnnnnonnonnnnnsniKKKrIEKKrIEKrIERIEEE roi第第I级放大器的输出电阻；级放大器的输出电阻；Eni第第I级放大器等效噪声电压；级放大器等效噪声电压；Ki第第I级增益；级增益；Ini第第I级放大器的等效噪声电流；级放大器的等效噪声电流；Ens信号源等效噪声电压。信号源等效噪声电压。 由上式可知：由

18、上式可知：当第一级放大器的增益足够高时，多级级联当第一级放大器的增益足够高时，多级级联放大器的等效放大器的等效输入噪声主要由第一级的噪声水平决定输入噪声主要由第一级的噪声水平决定。 主放大器需满足主放大器需满足高增益高增益和和宽带频宽带频。为提高定距精度需调整。为提高定距精度需调整主放大器增益来控制回波脉冲幅值。对于距离分档可调时，装主放大器增益来控制回波脉冲幅值。对于距离分档可调时，装定距离的同时装定增益使每个距离档对应一个增益档。另外对定距离的同时装定增益使每个距离档对应一个增益档。另外对于目标反射率造成信号幅值变化则使用于目标反射率造成信号幅值变化则使用自动增益控制自动增益控制来解决。来

19、解决。 调整延时参数实现作用距离装定并补偿系统各元器件延时调整延时参数实现作用距离装定并补偿系统各元器件延时容差。容差。 5.2激光的定距原理激光的定距原理 延迟器延迟器 选通器选通器 近似认为数字电路中的近似认为数字电路中的“与与”门门 3、 特点特点 利用利用脉冲相位差比利用脉冲强度更可靠脉冲相位差比利用脉冲强度更可靠，避免功率波，避免功率波动，目标光特性及大气传输条件的影响。动，目标光特性及大气传输条件的影响。 降低了虚警率，提高了效率。降低了虚警率，提高了效率。 5.2激光的定距原理激光的定距原理3.2.3 脉冲鉴相定距原理脉冲鉴相定距原理 1、 原理原理 选通器改为鉴相器，基本原理同

20、上。选通器改为鉴相器，基本原理同上。 目标目标5.2激光的定距原理激光的定距原理2、 组成组成 脉冲鉴相器脉冲鉴相器 当当回波脉冲与参考脉冲重合回波脉冲与参考脉冲重合时即目标作用距离，或时即目标作用距离，或回回波脉冲超前参考脉冲波脉冲超前参考脉冲即小于目标距离。鉴相器即小于目标距离。鉴相器触发输出信触发输出信号号，当回波脉冲滞后参考脉冲时鉴相器无输出信号。，当回波脉冲滞后参考脉冲时鉴相器无输出信号。 注注：在较近距离时为避免空中悬浮粒子向后散射造成系：在较近距离时为避免空中悬浮粒子向后散射造成系统虚警，则采用统虚警，则采用双鉴相电路双鉴相电路。 3、 特点特点 定距精度进一步提高。定距精度进一

21、步提高。 作用距离现场装定。作用距离现场装定。 抗干扰能力进一步提高抗干扰能力进一步提高第五章第五章 激光探测技术激光探测技术3.3 激光的测距原理激光的测距原理 3.3.1 脉冲激光测距机原理脉冲激光测距机原理 当回波脉冲与参考脉冲通过测定由测点射向目标，并当回波脉冲与参考脉冲通过测定由测点射向目标，并经目标反射回经目标反射回.来的光脉冲飞行时间来测定目标与测定间的来的光脉冲飞行时间来测定目标与测定间的距离。距离。 设光在大气中的传播速度均匀，测定到目标间距离设光在大气中的传播速度均匀，测定到目标间距离r 为为:1、 原理原理 ctr21 c光速光速 ，t 脉冲飞行时间脉冲飞行时间 当测距精

22、度为：当测距精度为： )(21cttcr5.3激光的测距原理激光的测距原理2、 组成组成 脉冲式激光测距机是通过时间的直接测量而测距的，脉冲式激光测距机是通过时间的直接测量而测距的，即用脉冲光波，当发射的光脉冲被远处目标反射回来后，即用脉冲光波，当发射的光脉冲被远处目标反射回来后，通过一个测量时间的装置直接测出激光往返的时间通过一个测量时间的装置直接测出激光往返的时间t，进而，进而求出距离求出距离D。具体如下图所示，它包括时标振荡器、门电。具体如下图所示，它包括时标振荡器、门电路、脉冲计数电路和记录装置几部分。路、脉冲计数电路和记录装置几部分。脉冲激光测距机系统组成脉冲激光测距机系统组成 测距

23、时，激光脉冲射向目标，在同一瞬间由光电二极管测距时，激光脉冲射向目标，在同一瞬间由光电二极管取出一小部分光脉冲信号送入接收系统的门电路，把取出一小部分光脉冲信号送入接收系统的门电路，把“门门”打开打开，使，使时标振荡器输出的时标脉冲通过时标振荡器输出的时标脉冲通过“门门”进入计数显进入计数显示系统记录下来示系统记录下来。当目标反射回来的脉冲信号被接收后，通。当目标反射回来的脉冲信号被接收后，通过放大器送入门电路，即刻把过放大器送入门电路，即刻把“门门”关闭关闭，使计数器停止工，使计数器停止工作。作。5.3激光的测距原理激光的测距原理3.3.2 相位式激光测距机原理相位式激光测距机原理 1、 组

24、成组成 相位式激光测距机是对时间的间接测量，即相位式激光测距机是对时间的间接测量，即用连续光波用连续光波通过一个调制器让激光强度按调制信号随时间而变通过一个调制器让激光强度按调制信号随时间而变，测出该测出该光波在时间光波在时间t内的位相变化从而计算出时间内的位相变化从而计算出时间t。具体组成如图。具体组成如图示。示。 回波信号经物镜接收后送到光电探测器，经鉴相器比较回波信号经物镜接收后送到光电探测器，经鉴相器比较返回光束和发射光束之间的相位，从而求出相差：返回光束和发射光束之间的相位，从而求出相差：5.3激光的测距原理激光的测距原理ftNN2)(2N整数周期的数目；整数周期的数目；N周期的小数

25、；周期的小数； f 调制频率。调制频率。 考虑时间与距离的关系，有：考虑时间与距离的关系，有：)(21NNfcctDc光速，在测距机中，常称光速，在测距机中，常称c/（2f）为测尺长度，为测尺长度，f为测尺频率。为测尺频率。 相位式激光测距机系统组成相位式激光测距机系统组成 5.3激光的测距原理激光的测距原理注注：在鉴相器只能测出：在鉴相器只能测出小数周期小数周期，还未能测出整数相位数还未能测出整数相位数N，为此在测距机设置几种不同的为此在测距机设置几种不同的测尺频率进行分段测量测尺频率进行分段测量。每。每一频率所测量的距离均一频率所测量的距离均小于小于相应的测尺长度，用它们分段相应的测尺长度

26、，用它们分段测量某一距离，然后将各自所测的结果组合起来，就可得测量某一距离，然后将各自所测的结果组合起来，就可得到所有测量的距离到所有测量的距离3.3.3 激光测距的作用距离方程激光测距的作用距离方程 4422222121rAtAtrDrTrTKPPPr接收到的回波信号功率；接收到的回波信号功率；Pt激光源的发射功率；激光源的发射功率；TA1激光光源到目标激光光源到目标的大气透过率；的大气透过率；TA2目标到接收机的大气透过率；目标到接收机的大气透过率；t、 r发射、接收光学发射、接收光学系统光学效率；系统光学效率；K激光光束轮廓参数；激光光束轮廓参数；光束束宽；光束束宽； r1发射机到目标距

27、发射机到目标距离；离；r2目标到接收机的距离；目标到接收机的距离；目标的激光截面；目标的激光截面；D接收机的接收系统接收机的接收系统有效孔径；有效孔径； 目标跟踪激光雷达、精密制导雷达、运动目标探测激目标跟踪激光雷达、精密制导雷达、运动目标探测激光雷达、气象激光雷达、环境监测、战场化学毒剂探测雷光雷达、气象激光雷达、环境监测、战场化学毒剂探测雷达等。达等。第五章第五章 激光探测技术激光探测技术3.4 激光雷达简介激光雷达简介3.4.1 分类分类 1、 按功能分按功能分 2、 按测量参数分按测量参数分 有回波强度测量、目标距离测量、目标速度测量、目有回波强度测量、目标距离测量、目标速度测量、目标

28、角位置测量、吸收或散射光谱测量标角位置测量、吸收或散射光谱测量3、 按激光发射波形调制技术分按激光发射波形调制技术分 有脉冲、连续、调幅、调频、混合式有脉冲、连续、调幅、调频、混合式 4、 按回波信号探测方法分按回波信号探测方法分 有直接探测和相干探测有直接探测和相干探测 5.4激光雷达简介激光雷达简介激光雷达激光雷达 3.4.2 外差激光雷达原理外差激光雷达原理5.4激光雷达简介激光雷达简介外差激光雷达系统组成外差激光雷达系统组成 n 激光发射机发射出激光发射机发射出单频稳频激光束单频稳频激光束，经整形光学元件，经整形光学元件使其光束发散角和光束直径与激光雷达其它部分匹配。激使其光束发散角和

29、光束直径与激光雷达其它部分匹配。激光束经收光束经收/发隔离器使收、发光路分开。发隔离器使收、发光路分开。 n 发射激光束经扩束和扫描光学系统射向目标，由目标反发射激光束经扩束和扫描光学系统射向目标，由目标反射回来的激光信号反向经过扫描器和扩束器后，在收射回来的激光信号反向经过扫描器和扩束器后，在收/发隔离发隔离器内与发射光路分开并到达光学混频器。器内与发射光路分开并到达光学混频器。 n 在此与本地振荡光混频，混频后的光束经成像光学系统在此与本地振荡光混频，混频后的光束经成像光学系统聚焦到光学检测器上，光学检测器输出差频信号，经高通匹聚焦到光学检测器上，光学检测器输出差频信号，经高通匹配滤波器消

30、除背景噪声低频信号与本地振荡直流信号。最后配滤波器消除背景噪声低频信号与本地振荡直流信号。最后将获得的差频电信号经信号处理器及数据处理输出。将获得的差频电信号经信号处理器及数据处理输出。 如信号光场为如信号光场为:5.4激光雷达简介激光雷达简介)cos(00sssstEE 本地振荡光场为本地振荡光场为: )cos(00LLLLtEE 则两束光混频后产生的差频光强度为则两束光混频后产生的差频光强度为:)()cos(2)(00002020LsLsLssLtEEEEtI 式式I（t）为探测器光敏面上的光功率强度，）为探测器光敏面上的光功率强度，W/m2，探，探测到的光信号包括三部分，即回波光信号、本

31、地振荡光信测到的光信号包括三部分，即回波光信号、本地振荡光信号及外差拍频信号。号及外差拍频信号。 5.4激光雷达简介激光雷达简介注注：其中前两项：其中前两项直流信号直流信号通过高通滤波器后通过高通滤波器后被清除被清除，最后，最后只剩下差频信号。只剩下差频信号。 外差接收技术的特点：极高的探测灵敏度、包含更多外差接收技术的特点：极高的探测灵敏度、包含更多的信息，比直接探测灵敏度高两个数量级。的信息，比直接探测灵敏度高两个数量级。 3.4.3 激光雷达的数据测量激光雷达的数据测量1、 激光测速激光测速 方法一：对运动目标进行连续测距，由距离随时间的方法一：对运动目标进行连续测距，由距离随时间的变化

32、率计算出目标的速度。测量速度精度不高；变化率计算出目标的速度。测量速度精度不高； 方法二：采用外差多普勒频移效应测量。目标多普勒方法二：采用外差多普勒频移效应测量。目标多普勒频移量为：频移量为： 频移量频移量与与激光波长激光波长成成反比反比，因此激光产生的频移量比，因此激光产生的频移量比无线电雷达大许多倍，目标速度测量精度比无线电雷达高无线电雷达大许多倍，目标速度测量精度比无线电雷达高许多。许多。Tdvf2 激光波长；激光波长；vT目标径向速度；目标径向速度； 2、 角度测量角度测量 采用多元探测器（如四象限探测器）。目标被激光照采用多元探测器（如四象限探测器）。目标被激光照射后产生回波信号成

33、像，由于每个象限元参数相同且彼此射后产生回波信号成像，由于每个象限元参数相同且彼此绝缘，所以绝缘，所以每个象限元接收回波光能量不同每个象限元接收回波光能量不同，每个象限信，每个象限信号大小不同。比较相邻两个象限的信号幅度就能判断出角号大小不同。比较相邻两个象限的信号幅度就能判断出角偏差。当四个象限元的偏差。当四个象限元的信号强度相等信号强度相等时所对准的角度就是时所对准的角度就是目标目标准确的空间角度准确的空间角度。5.4激光雷达简介激光雷达简介5.4激光雷达简介激光雷达简介3、 激光雷达目标特征识别激光雷达目标特征识别 方法一：角分辨距离成像；如同电视光栅扫描方式连方法一：角分辨距离成像；如

34、同电视光栅扫描方式连续扫描，目标形状用灰度或彩色显示出来，从而可通过目续扫描，目标形状用灰度或彩色显示出来，从而可通过目标三维外形轮廓识别。标三维外形轮廓识别。 方法二：速度角分率扫描成像；探测并区分运动目标方法二：速度角分率扫描成像；探测并区分运动目标与地物背景，用于飞机或导弹地形匹配跟踪和障碍回避。与地物背景，用于飞机或导弹地形匹配跟踪和障碍回避。 方法三：距离多普勒成像；区分目标各个部分的相对方法三：距离多普勒成像；区分目标各个部分的相对运动运动 方法四：多普勒频移识别技术；根据每个运动目标具方法四：多普勒频移识别技术；根据每个运动目标具有的机械振动频谱，目标受激光照射后目标表面的机械振

35、有的机械振动频谱，目标受激光照射后目标表面的机械振动对激光束进行调制并产生多普勒频移。把测得的信号频动对激光束进行调制并产生多普勒频移。把测得的信号频谱经变换处理与计算机数据库中各个目标振动数据进行比谱经变换处理与计算机数据库中各个目标振动数据进行比较，自动判断结果。较，自动判断结果。4.5 磁共振法测量磁场磁共振法测量磁场3.5 激光探测的抗干扰措施激光探测的抗干扰措施3.5.1 探测系统的噪声组成探测系统的噪声组成 背景干扰噪声背景干扰噪声。 包括太阳的直射或经地物漫反射的杂散光，在中红外包括太阳的直射或经地物漫反射的杂散光，在中红外波段主要是来自背景的自热辐射。波段主要是来自背景的自热辐

36、射。 探测器探测器的几种主要的的几种主要的固有噪声固有噪声 散粒噪声；散粒噪声； 与光电探测器的暗电流有关，与工作频率无关。与光电探测器的暗电流有关，与工作频率无关。 热噪声；热噪声； 任何电阻材料都有热噪声，与工作温度成正比。任何电阻材料都有热噪声，与工作温度成正比。 放大器噪声放大器噪声4.5 磁共振法测量磁场磁共振法测量磁场3.5.2 激光探测的抗干扰措施激光探测的抗干扰措施 合理选择接收视场，插入窄带滤光片，抑制背景光合理选择接收视场，插入窄带滤光片，抑制背景光干扰；干扰； 合理选择发射激光的调制波型，以获得最好的信噪合理选择发射激光的调制波型，以获得最好的信噪比；比； 采用抗干扰能力

37、的探测方法；采用抗干扰能力的探测方法； 信号处理中，采用适当的处理措施；如采用低噪、信号处理中，采用适当的处理措施；如采用低噪、高增益前置放大器。采用双鉴相电路等。高增益前置放大器。采用双鉴相电路等。 第四章、红外探测技术本章学习要求：1理解红外辐射的基本理论理解红外辐射的基本理论2熟练掌握各种红外探测器工作原理熟练掌握各种红外探测器工作原理3理解红外测温及红外成像的基本原理理解红外测温及红外成像的基本原理探测与识别技术探测与识别技术第七章第七章 红外探测技术红外探测技术典型应用之一典型应用之一红外测温仪红外测温仪 雷雷泰泰3I系列红外测温仪系列红外测温仪 多种温度范围、瞄准方式、光学分辨率可

38、选，多种温度范围、瞄准方式、光学分辨率可选，并提供光谱响应以满足工业上特殊的应用。这并提供光谱响应以满足工业上特殊的应用。这些型号为远距离温度高的被测目标提供最佳的些型号为远距离温度高的被测目标提供最佳的性能，最高温度可以达到性能，最高温度可以达到3000C。产品特点：产品特点：1M测温范围：测温范围：600 3000C2M测温范围：测温范围：200 1800C响应波长：响应波长：1.0 微米微米 (1M), 1.6 微米微米 (2M) 发射率：发射率：0.11.0，数字可调，数字可调 电源：四节电源：四节5号碱性电池或者号碱性电池或者6-9VDC，200 mA 典型应用之二典型应用之二夜视仪

39、夜视仪 产品特点：产品特点：全景视野；全景视野；照相机照相机/视频接口；视频接口；自动亮度保护；自动亮度保护；可更换棱镜；可更换棱镜；内置红外发生器；内置红外发生器；防水防水 双筒夜视仪双筒夜视仪 第七章第七章 红外探测技术红外探测技术具体参数如下表：具体参数如下表： 第七章第七章 红外探测技术红外探测技术4.1 红外辐射的基本理论红外辐射的基本理论 4.1.1 基本概念基本概念1 1、红外辐射、红外辐射 波长在波长在0.751000m的电磁波。不同波长的红外辐射在大的电磁波。不同波长的红外辐射在大气中的传播特性不同。气中的传播特性不同。 按波长将其分为按波长将其分为4个区：个区：（1）近红外

40、区：）近红外区：（2）中红外区：）中红外区：（3）远红外区：）远红外区：（4）极远红外区：）极远红外区： 前三个区中，包括有前三个区中，包括有 、 和和 三个三个地地球大气对红外辐射吸收较小的波段球大气对红外辐射吸收较小的波段大气窗口大气窗口。 红外辐射的物理本质是红外辐射的物理本质是热辐射热辐射。辐射的量辐射的量主要由物体的主要由物体的温度温度和和材料材料本身的本身的性质性质决定。决定。温度温度对热辐射起对热辐射起决定性决定性作用。作用。 m375. 0m63m156m100015m5 . 21m53m148 辐射能密度辐射能密度 在通常把以电磁波形式发射、传输或接收的能量称为辐在通常把以电

41、磁波形式发射、传输或接收的能量称为辐射能，用射能，用Q表示，其单位为表示，其单位为J。辐射场中单位体积中的辐射能。辐射场中单位体积中的辐射能称为辐射能密度（称为辐射能密度（J.m-3），用），用u表示，即：表示，即： 2 2、基本辐射量的定义、基本辐射量的定义 VQu 辐射能通量辐射能通量 单位时间内通过某一面积的辐射能，用单位时间内通过某一面积的辐射能，用表示，单位为表示，单位为W，即即 也可以说，辐射能通量就是通过某一面积的也可以说，辐射能通量就是通过某一面积的辐射功率辐射功率P（单位时间内发射、传输或接收的辐射能单位时间内发射、传输或接收的辐射能）。）。7.1红外辐射的基本理论红外辐射的

42、基本理论 描述点辐射源发射的辐射能通量的空间分布特性。描述点辐射源发射的辐射能通量的空间分布特性。 定义为：点辐射源在某方向上定义为：点辐射源在某方向上单位立体角单位立体角内内发射发射的的辐射能通辐射能通量量，称为辐射强度，用，称为辐射强度，用I表示，单位为表示，单位为W/sr（瓦（瓦.球面度球面度-1），即），即 辐射强度辐射强度 辐射强度对整个发射立体角的积分，就能得出辐射源发射辐射强度对整个发射立体角的积分，就能得出辐射源发射的总辐射能通量，即的总辐射能通量，即 辐射强度对于各向同性的辐射源，辐射强度对于各向同性的辐射源，I为常数。为常数。 注注：一般来说，只要在比一般来说，只要在比源本

43、身尺度大源本身尺度大30倍倍的距离上观测，的距离上观测，则可把辐射源作为则可把辐射源作为点源点源。7.1红外辐射的基本理论红外辐射的基本理论 描述扩展源表面所发射的辐射能通量沿表面位置的分布描述扩展源表面所发射的辐射能通量沿表面位置的分布特性。定义为：特性。定义为：扩展源扩展源在在单位面积单位面积上向半球空间发射的上向半球空间发射的辐射辐射能通量能通量，用，用M表示，单位是表示，单位是W.m-2，即，即 显然，辐出度对辐射源表面的积分，就得到辐射源发射显然，辐出度对辐射源表面的积分，就得到辐射源发射的总辐射能通量，即的总辐射能通量，即 7.1红外辐射的基本理论红外辐射的基本理论 辐亮度辐亮度

44、辐照度辐照度 描述一个物体被辐照的情况。被照物体表面单位面积上描述一个物体被辐照的情况。被照物体表面单位面积上接收到的辐射能通量，用接收到的辐射能通量，用E表示，单位是表示，单位是W.m-2。 一个物体向周围发射热辐射能时，同时也吸收周围物体一个物体向周围发射热辐射能时，同时也吸收周围物体所发射的辐射能。如几个物体处于同一温度下，各物体的所发射的辐射能。如几个物体处于同一温度下，各物体的发发射射本领本领正比正比于它的于它的吸收吸收本领，与物体自身的性质无关，它对本领，与物体自身的性质无关，它对于一切物体都是恒值。用公式表示：于一切物体都是恒值。用公式表示： 注注：辐照度可以是：辐照度可以是一个

45、或多个一个或多个辐射源投影的辐射能通量，也辐射源投影的辐射能通量，也可来自指定方向的一个立体角中透射来的辐射能通量。可来自指定方向的一个立体角中透射来的辐射能通量。 7.1红外辐射的基本理论红外辐射的基本理论4.1.2 红外辐射的基本定律红外辐射的基本定律 1 1、基尔霍夫定律、基尔霍夫定律0EEkEk物体在单位面积内和单位时间内发射出的辐射能物体在单位面积内和单位时间内发射出的辐射能该物体对辐射的吸收系数；该物体对辐射的吸收系数；E0常数（即黑体在同温度下的发射本领）常数（即黑体在同温度下的发射本领）2 2、斯忒藩、斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 物体温度越高，它辐射出来的能量越多。若以物体

46、温度越高，它辐射出来的能量越多。若以E表示表示某物体在温度某物体在温度T时的单位时间和单位面积的红外辐射总能时的单位时间和单位面积的红外辐射总能量，则量，则7.1红外辐射的基本理论红外辐射的基本理论4TE4TE斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼常数（玻尔兹曼常数（=5.669710-12W.cm-2.T-4）；）；比辐射率；是物体表面辐射本领和黑体辐射本领的比值。比辐射率；是物体表面辐射本领和黑体辐射本领的比值。 对于黑体对于黑体 =1，对于灰体，对于灰体 1。T物体绝对温度；物体绝对温度； 即一物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度即一物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度T的四的四次方成正比，并于它的表面比

47、辐射率成正比。次方成正比，并于它的表面比辐射率成正比。 物体物体温度越高温度越高，其表面所，其表面所辐射的能量也越大辐射的能量也越大。 热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。从实验可知物热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。从实验可知物体峰值辐射波长与物体自身绝对温度体峰值辐射波长与物体自身绝对温度T成反比。成反比。7.1红外辐射的基本理论红外辐射的基本理论3 3、维恩位移定律、维恩位移定律 Tm/2897Tm/2897 随随温度温度的的升高升高它的峰值辐射它的峰值辐射波长波长向向短波方向移动短波方向移动，同时，同时在温度不高的情况下，峰值辐射波长在红外区域。在温度不高的情况下，峰值辐射波长在红外

48、区域。 探测器是利用入射探测器是利用入射红外辐射红外辐射引起探测器引起探测器温度变化温度变化，进而，进而使有关物理参数发生变化，通过测量有关物理参数的变化确使有关物理参数发生变化，通过测量有关物理参数的变化确定红外传感器所吸收的红外辐射。定红外传感器所吸收的红外辐射。 第七章第七章 红外探测技术红外探测技术4.2 红外探测器红外探测器 4.2.1 热探测器热探测器 1 1、热敏电阻型、热敏电阻型 热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。一热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。一般为薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其般为薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上，其温度升高温度升高，电

49、阻值减小电阻值减小。测量电阻值变化的大小，即可得入射的红外辐。测量电阻值变化的大小，即可得入射的红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。 图为一测辐射热计原理图。它通常由两个相同的热敏电图为一测辐射热计原理图。它通常由两个相同的热敏电阻（阻（R1、R2）和两个负载电阻构成桥式电路。两个热敏电阻）和两个负载电阻构成桥式电路。两个热敏电阻的一个作为红外接收元件，另一个作为环境温度补偿元件。的一个作为红外接收元件，另一个作为环境温度补偿元件。 7.2红外探测器红外探测器iURRRRRRUUU)(422311210iURRRRRRRR)(423

50、13241 设时设时R1 R4 = R2 R3 ，电桥平衡，输出电压为，电桥平衡，输出电压为0。 当当R1受到辐射时，会产生温升，阻值变化，此时电桥受到辐射时，会产生温升，阻值变化，此时电桥不平衡，输出信号电压不平衡，输出信号电压U0为为 在辐射量不大时，在辐射量不大时， 若选择四个电阻的阻值若选择四个电阻的阻值相同，则上式变为：相同，则上式变为： 7.2红外探测器红外探测器i423140U)(URRRRRRR)(R31RR 1i0RR4UU2 2、热电偶型、热电偶型 在两种在两种不同的金属不同的金属所组成的所组成的闭合回路闭合回路中，当两接触处的中，当两接触处的温度不同时温度不同时，回路中就

51、要产生热电势。，回路中就要产生热电势。 7.2红外探测器红外探测器注注：如热电偶两个电极的：如热电偶两个电极的材料相同材料相同，即使两个接点，即使两个接点温度不同温度不同，也也不不会会产生电势产生电势；如果两接点；如果两接点温度相同温度相同，即使两个电极，即使两个电极材料不材料不同同，也，也不不会会产生电势产生电势；3 3、高莱气动型传感器、高莱气动型传感器 高莱气动传感器是利用气体吸收红外辐射后，高莱气动传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高温度升高，体积增大体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。的特性，来反映红外辐射的强弱。 薄片的背向管道一面是反射镜，红外辐射通过窗口入射到薄片的背向管

52、道一面是反射镜，红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收膜上，吸收膜将吸收吸收的的热量热量传给气体，使传给气体，使气体气体温度升高，温度升高，气压气压增大，从而增大，从而使柔镜移动使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过。在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栅投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，状光栅投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图栅状图像与栅状光栏发生相对位移像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的，使落到光电管上的光量发生改变光量发生改变，光电管的输出信号也发

53、生变化。这个变化量反映入射红外辐射光电管的输出信号也发生变化。这个变化量反映入射红外辐射的强弱。的强弱。 特点：灵敏度高、性能稳定。但特点：灵敏度高、性能稳定。但响应时间长响应时间长、结构复杂结构复杂，强度较差，只适用于实验室使用。强度较差，只适用于实验室使用。 7.2红外探测器红外探测器 热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称热释电型传感器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体铁电体”。铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与。铁电体的极化强度（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到温度有关。当红外辐射照射到已极化的铁电体已极化的铁电体薄片表面上薄片表面上时，引起薄片时，引起薄片

54、温度升高温度升高，使其极化强度降低，使其极化强度降低，表面电荷减表面电荷减少少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。如将负载电阻与铁电体薄片相连，则负荷电阻上便产生一如将负载电阻与铁电体薄片相连，则负荷电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小，决定薄片温度变化的快个电信号输出。输出信号的大小，决定薄片温度变化的快慢，从而反映入射红外辐射的强弱。慢，从而反映入射红外辐射的强弱。7.2红外探测器红外探测器4 4、热释电型传感器、热释电型传感器 注注：当：当恒定恒定的红外辐射照射在热释电型传感器上，传感器的红外辐射照射在热释电型传感器上

55、，传感器没没有电信号输出有电信号输出。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信。只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。因此对红外辐射必须进行号输出。因此对红外辐射必须进行调制调制，使恒定的辐射变为，使恒定的辐射变为交变辐射，交变辐射， 光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生产生光子效应光子效应，使材料电学性质发生变化，通过测量电学性，使材料电学性质发生变化，通过测量电学性质变化，可以知道红外辐射的强弱。质变化，可以知道红外辐射的强弱。 特点：灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率。特点：灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频

56、率。但但一般需在低温下工作一般需在低温下工作。 按工作原理分为：外光电和内光电传感器两种，后者又分按工作原理分为：外光电和内光电传感器两种，后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器。为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器。 4.2.2 光子型探测器光子型探测器 7.2红外探测器红外探测器1 1、外光电传感器（、外光电传感器（PEPE器件）器件） 当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射的光子能量足当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射的光子能量足够大，就能使材料的电子逸出表面，向外发射电子，这种现象够大，就能使材料的电子逸出表面，向外发射电子，这种现象称为称为外光电效应外光电效

57、应。光电二极管、光电倍增管属于这一类。光电二极管、光电倍增管属于这一类。 特点：响应快、但电子逸出需较大的光子能量，只适宜于特点：响应快、但电子逸出需较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用近红外辐射或可见光范围内使用。 当红外辐射照射在某些半导体材料表面时，半导体材料中当红外辐射照射在某些半导体材料表面时，半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态，使由状态，使半导体的导电率增加半导体的导电率增加，这种现象称为，这种现象称为光电导光电导现象。现象。常用的材料有硫化铅、硒化铅等。常用的材料有硫化铅、

58、硒化铅等。7.2红外探测器红外探测器2 2、光电导传感器（、光电导传感器（PCPC器件）器件） 注注：使用光电导传感器时，须：使用光电导传感器时，须制冷和加一定的偏压制冷和加一定的偏压。否则会。否则会使响应速率降低、噪声大、响应波段窄，以致红外传感器破使响应速率降低、噪声大、响应波段窄，以致红外传感器破坏。坏。 3 3、光生伏特传感器（、光生伏特传感器（PUPU器件）器件） 当红外辐射照射在某些半导体的当红外辐射照射在某些半导体的PN结上时，在结内电场结上时，在结内电场的作用下，自由电子移向的作用下，自由电子移向N区，空穴移向区，空穴移向P区。如果区。如果PN结开路，结开路，则在则在PN结两端

59、结两端产生一个附加电势产生一个附加电势，称为，称为光生电动势光生电动势。 当（经过调制的）红外辐射照射到传感器的敏感面上时，当（经过调制的）红外辐射照射到传感器的敏感面上时，传感器的传感器的输出电压输出电压与与输入红外辐射功率输入红外辐射功率之比，叫传感器的电压之比，叫传感器的电压响应率。用响应率。用Rv表示：表示： 表示传感器的表示传感器的电压响应率电压响应率与与入射的红外辐射波长入射的红外辐射波长的关系。的关系。如图示，热电传感器的电压响应率与波长无关，它的响应率是如图示，热电传感器的电压响应率与波长无关，它的响应率是一条平行于横坐标的直线，而光子传感器的响应率是一条随波一条平行于横坐标的

60、直线，而光子传感器的响应率是一条随波长变化的曲线，一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长变化的曲线，一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长用（长用（m）表示。而把响应率下降到一半所对应的波长称为）表示。而把响应率下降到一半所对应的波长称为截止波长用（截止波长用（c）表示。）表示。4.2.3 探测器的性能参数探测器的性能参数 7.2红外探测器红外探测器1 1、电压响应率、电压响应率 APUR0sv)WVWV(11或2 2、响应波长范围、响应波长范围 如投射到红外传感器敏感元件上的辐射功率所产生的如投射到红外传感器敏感元件上的辐射功率所产生的输出电压，正好等于传感器本身的输出电压，正好等于