激光雷达技术的应用现状及应用前景

光电雷达技术

课程论文

题目激光雷达技术的应用现状及应用前景

专业光学工程

姓名白学武

学号2220140227

学院光电学院

2015年2月28日

摘要：激光雷达无论在军用领域还是民用领域日益得到广泛的应用。介绍了激光雷达的工作原理、工作特点及分类，介绍了它们的研究进展和发展现状，以及应用现状和发展前景。

引言

激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的T作原理相似，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪和识别。

激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形和数据处理方式，可分为脉冲激光雷达、连续波激光雷达、脉冲压缩激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达和成像激光雷达等：根据安装平台划分，可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达和航天激光雷达；根据完成任务的不同，可分为火控激光雷达、靶场测量激光雷达、导弹制导激光雷达、障碍物回避激光雷达以及飞机着舰引导激光雷达等。

在具体应用时，激光雷达既可单独使用，也能够同微波雷达，可见光电视、红外电视或微光电视等成像设备组合使用，使得系统既能搜索到远距离目标，又能实现对目标的精密跟踪，是目前较为先进的战术应用方式。

一、激光雷达技术发展状况

1.1关键技术分析

1.1.1空间扫描技术

激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器，作用距离较远，探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同，能够减小设备的体积、重量，但在我国多元传感器，尤其是面阵探测器很难获得，因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。

机械扫描能够进行大视场扫描，也可以达到很高的扫描速率，不同的机械结构能够获得不同的扫描图样，是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描，扫描速度可以很高，扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小，光束质量较差，耗电量大，声光晶体

必须采用冷却处理，实际工程应用中将增加设备量。

二元光学是光学技术中的一个新兴的重要分支，它是建立在衍射理论、计算机辅助设计和细微加工技术基础上的光学领域的前沿学科之一。利用二元光学可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。一般这种扫描器由一对间距只有几微米的微透镜阵列组成，一组为正透镜，另一组为负透镜，准直光经过正透镜后开始聚焦，然后通过负透镜后变为准直光。当正负透镜阵列横向相对运动时，准直光方向就会发生偏转。这种透镜阵列只需要很小的相对移动输出光束就会产生很大的偏转，透镜阵列越小，达到相同的偏转所需的相对移动就越小。因此，这种扫描器的扫描速率能达到很高。二元光学扫描器的缺点是扫描角度较小(几度)，透过率低，目前工程应用中还不够成熟。

1.1.2激光发射机技术

目前，激光雷达发射机光源的选择土要有半导体激光器、半导体泵浦的固体激光器和气体激光器等。

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn结或Pin结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)、锑化钢(InSb)、硫化镉(Cds)、碲化镉(cdTe)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)等。半导体激光器的激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入，即给Pn结加正向电压，以使在结平面区域产生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体激光器又称为半导体激光器_极管。自世界上第一只半导体激光器在1962年问世以来，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从红外到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数不断提高，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。在某些重要的应用领域，过去常用的其他激光器已逐渐为半导体激光器所取代。

半导体泵浦固体激光器综合了半导体激光器与固体激光器的优点，具有体积小、重量轻、量子效率高的特点。通过泵浦激光T作物质，输出光束质量好、时间相干性和空间相干性好的泵浦光，摒弃了半导体激光器光束质量差、模式特性荠的缺点，与氙灯泵浦同体激光器相比具有泵浦效率高、T作寿命长、稳定可靠的优点。激光工作物质可以选择钕(Nd)、铥(Tm)、钬(Ho)、铒(Er)、镱(Yb)、锂

(Li)、铬(Cr)等，获得从1．047～2．8μm的多种波。目前，半导体泵浦固体激光器的许多工程应用问题已经得到解决，是应用前景最好、发展最快的一种激光器。

气体激光器是目前种类较多、输出激光波长最丰富、应用最广的一种激光器。其特点是激光输出波长范围较宽；气体的光学均匀性较好，因此输出的光束质量好，其单色性、相干性和光束稳定性好。

1.1.3高灵敏度接收机设计技术

激光雷达的接收单元由接收光学系统、光电探测器和回波检测处理电路等组成，其功能是完成信号能量汇聚、滤波、光电转变、放大和检测等功能。对激光雷达接收单元设计的基本要求是：高接收灵敏度、高回波探测概率和低的虚警率。在工程应用中，为提高激光测距机的性能而采用提高接收机灵敏度的技术途径，要比采用提高发射机输出功率的技术途径更为合理、有效。提高激光回波接收灵敏度的方法主要是接收机选用适当的探测方式和光电探测器。

探测器足激光接收机的核心部件，也是决定接收机性能的关键因素，因此，探测器的选择和合理使用是激光接收机设计中的重要环节。目前，用于激光探测的探测器可分为基于外光电效应的光电倍增管和基于内光电效应的光电二极管及雪崩光电二极管等，由于雪崩光电二极管具有高的内部增益、体积小、可靠性好等优点，往往是工程应用中的首选探测器件。

激光雷达的回波信号电路主要包括放大电路和阈值检测电路。放大电路的设计要与回波信号的波形相匹配，对于不同的回波信号(如脉冲信号、连续波信号、准连续信号或调频信号等)，接收机要有与之相匹配的带宽和增益。如对于脉冲工作体制的激光雷达，放大电路要有较宽的带宽，同时还要采用时问增益控制技术，其放大器增益不是固定的，而是按激光雷达方程变化曲线设计的控制曲线，以抑制近距离后向散射，降低虚警，并使放大器丰要工作于线性放大区域。

阈值检测电路是一个脉冲峰值比较器，确定回波到达的判据是回波脉冲幅值超过阈值。这种方法的优点是简单，但存在两个主要缺点。首先，只要有一个脉冲幅值首先超越阂值，检测电路就会将其确定为回波，而不管它是同波脉冲还是杂波干扰脉冲，从而导致虚警；其次是回波脉冲幅度的变化会引起到达时间的误差，从而导致测距误差。在高精度激光测距机中，通常采用峰值采样保持电路和

恒比定时电路来减小测时误差。

1.1.4终端信息处理技术

激光雷达终端信息处理系统的任务是既要完成对各传动机构、激光器、扫描机构及各信号处理电路的同步协调与控制，又要对接收机送出的信号进行处理，获取目标的距离信息，对于成像激光雷达来说还要完成系统三维图像数据的录取、产生、处理、重构等任务。

目前激光雷达的终端信息处理系统设计采用主要采用大规模集成电路和计算机完成。其中测距单元可利用FPGA技术实现，在高精度激光雷达中还需采用精密测时技术。对于成像激光雷达来说，系统还需要解决图像行的非线性扫描修正、幅度／距离图像显示等技术。回波信号的幅度量化采用模拟延时线和高速运算放大器组成峰值保持器，采用高速A／D完成幅度量化。图像数据采集由高速DSP完成，图像处理及三维显示可由工业控制计算机完成。

二、激光雷达的应用现状

2.1激光雷达技术在城市三维建筑模型中的应用

“数字城市”是数字地球技术系统的重要组成部分，而表达城市主要物体的三维模型包括三维地形，三维建筑模型、三维管线模型。这些三维建筑模型是数字城市重要的基础信息之一。

而激光雷达技术可以快速完成三维空间数据采集，它的优点使它有很广阔的应用前景。机载雷达系统的组成包括：激光扫描器、高精度惯性导航仪、应用查分技术的全球定位系统、高分辨率数码相机。通过这四种技术的集成可以快速的完成地面三维空间地理信息的采集，经过处理便可得到具有坐标信息的影像数据。利用激光进行三维建筑建模的技术。首先，进行数据预处理。就是结合IMUU记录的姿势参数、机载GPS数据、地面基站GPS观察数据、GPS偏心分量、扫描仪和数码相机各自的偏心分量，进行GPS/IMU联合解算，得到扫描仪及相机曝光坐标下的轨迹文件，进而得到外方为元素。其次，使用LIDAR数据商业处理软件将地面数据与非地面数据分离，生成DEM，在利用纯地表数据对影像外方位元素通过寻找同名像点的方式进行校正快速生成DOM。DEM和DOM叠加在一起就形成了三维地形模型。最后，为了表达真实的城市面貌对三维建筑模型进行纹理贴图。纹理粘贴的方法常见的有手动粘贴和纹理映射两种。常用的纹理获取方法也有两

种，第一种方法是对建筑顶部纹理采用航空影像，侧面纹理信息为手持相机实地拍摄。第二种方法为倾斜航空摄影。得到纹理后利用专业软件进行纹理面的选择、匀光处理等将反应建筑现状的影像信息映射在对应的模型上就达到了反映城市现状的目的。

2.2激光雷达技术的发展及其在大气环境监测中的应用

激光雷达由于探测波长短、波束定向性强，能量密度高，因此具有高空间分辨率、高的探测灵敏度、能分辨被探测物种和不存在探测盲区等优点，已经成为目前对大气进行高精度遥感探测的有效手段。利用激光雷达可以探测气溶胶、云粒子的分布、大气成分和风场的垂直廓线，对主要污染源可以进行有效监控。

对大气污染物分布的观测。当激光雷达发出的激光与这些漂浮粒子发生作用时会发生散射，而且入射光波长与漂浮粒子的尺度为同一数量级，散射系数与波长的一次方成反比，米氏散射激光雷达依据这一性质可完成气溶胶浓度、空间分布及能见度的测定。

差分激光雷达主要用于大气成分的测定。差分激光雷达的测试原理是使用激光雷达发出两种不等的光，其中一个波长调到待测物体的吸收线，而另一波长调到线上吸收系数较小的边翼，然后以高重复频率将这两种波长的光交替发射到大气中，此时激光雷达所测到的这两种波长光信号衰减差是待测对象的吸收所致，通过分析便可得到待测对象的浓度分布。

在大气中间层金属蒸气层的观测主要采用荧光共振散射激光雷达。其原理是利用Na、K、Li、Ca等金属原子作为示踪物开展大气动力学研究。由于中间层顶大气分子密度较低，瑞利散射信号十分微弱，而该区域内的钠金属原子层由于其共振荧光截面比瑞利散射截面高几个数量级，因此，利用钠荧光雷达研究钠层分布，进而研究重力波等有关性质更展示其独有的特性。

2.3激光雷达在空间交会对接中的应用

交会对接范围为100km—1m，在实际的空间对接中，当距离大于100km时，航天员可以通过机载微博交会雷达和潜望镜获得两个航天器之间的相对位置。随着两航天器的逼近，当相对距离小于100m时，由于硬件的限制，微波雷达不能为最后逼近提供足够精度的测量信息。由于激光本身的波束窄、相干性好、工作频率高等优点，激光雷达能在交会阶段直到对接的整个过程中提供高精度的相对

距离、速度、角度和角速度的精确测量，因此它既能用于目前的自动寻的、接近和最后的手动逼近操作过程，又能为未来无人交会对接任务提供自主导航的扩展功能。

激光雷达一般由下列部分组成：激光源、发射与接收光路、信号处理、扫描跟踪机构、目标反射器和检测器等。扫描跟踪机构可完成大角度的光束偏转。这种机构大都由两自由度框架组成，框架上固定了反射镜，使光束偏转。由于偏转对象是光束，所以机构可作得十分精巧、细致。目标反射器安装在目标飞行器上，一般用角反射器( 三个相互垂直的反射镜组成)，从而使目标反射器将雷达天线射出的光束按原方向反射回去。此时目标的位置和姿态信息由激光雷达光学接收天线接收，然后进行检测和数据处理。

激光雷达的测距、测度、和测角原理与微波雷达基本相同。因此用于空间交会对接的激光雷达包含连续波测距器和位置敏感器两个部分。这两个部分通过公用光学装置混合起来。激光雷达比较可靠和精确的测速方法是测量回波信号的多普勒频移。激光雷达对目标的角跟踪可采用圆锥扫描法和单脉冲法。现在，激光雷达也能用于最后的手动逼近和对接阶段，此时主要用来测量相对姿态。激光测距技术比较成熟，但是激光测量姿态角是一项技术难点。

2.4激光雷达在油气直接勘察中的应用前景

利用遥感直接探测油气上方的烃类气体的异常是一种直接而快捷的油气勘探方法。激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，将其应用于油类勘测已经成为可能。激光器的工作波长范围广，单色性好，而且激光是定向辐射，具有准直性，测量灵敏度高等优点，使其在遥感方面远优于其他传感器。

激光雷达由发射系统和接收系统两大部分组成。发射系统主要包括激光器和发射望远镜；接受系统主要由接收望远镜、光电倍增管和显示器三部分组成。激光雷达技术是根据激光光束在大气中传输时，大气中尘埃微粒和各种气体分子对激光产生弥散射，瑞利散射、拉曼散射和共振荧光以及共振吸收等现象，然后利用激光雷达接收系统收集和记录上述现象过程中所产生的背向散射光谱，以达到探测大气成份和浓度的目的。

烃类气体是油气田油气微渗漏的主要指示性气体，而近地表的烃类气体从成分上看，主要是由早期的成岩作用、细菌作用和地下热作用等共同作用的结果。

共振吸收激光雷达在探测气体分子含量时一般都采用各种可调谐激光器激光雷达探测气体的探测灵敏度，是指激光雷达所能接收到的激光功率细微变化的能力。探测的距离和被测气体分子的吸收截面是影响探铡灵敏度的主要因素。据研究资料介绍，吸收截面越大灵敏度越高；而探测距离越大，灵敏度越高。而路径与灵敏度之间的关系是路径越长，气体分子对激光光束的吸收衰减也越强烈，从而使探测灵敏度大大提高。但是，由于存在着激光光斑的发散和因大气湍流引起的激光传输方向改变的抖动效应，将使激光的有效利用率减小，即信噪比下降，从而影响污染气体分子含量的探测精度。因此探测距离以数公里为宜。

2.5使用超高频雷达和离散回波激光雷达估算温带阔叶林和混交林的生物量

本研究的目的是要确定使用哪种方法能更好的估计温带阔叶林的生物量估计，一种方法是单独使用高频雷达数据来确定，另一种是同时使用高频雷达与小尺寸离散回波激光雷达来估计生物量。激光雷达的分布描述数据和平均归一化雷达截面在每个观测点被用来作为独立变量处理。

研究的区域是在弗吉尼亚州阿波马托克斯-白金汉国家森林。首先收集指定区域中的数据。BioSAR数据是用一艘双引擎飞机收集的，飞机上的雷达发出高频率的波，通过收集反射回来的信号来确定探测物体的信息。可供分析的激光雷达数据是使用便携式机载激光系统在符合BioSAR数据分析要求的13条飞行线路上收集的。激光雷达扫描数据收集时使用的是机载激光雷达测量仪3100系列的传感器，要拍摄的数据包括四个测量值。裸露的地面传回的数据是基于一个专有的算法提供的。普通地面数据的获取是采用空间分辨率为1米的普通克里格插值方法。最后采用以模型为基础的度量计算战略，这种方法适应于直接用地面观察到的生物量与模型比较来估算生物量。最后创建一个最佳子集的线性回归方程作为遥感变量的函数。

结果表明，同时使用高频雷达与小尺寸离散回波激光雷达来估计生物量在估算硬木林和混交林的生物量时使非常有效的。在很多林业研究中，激光雷达，无论是扫描或分析，其对生物量的估计比其他传感器更加准确，而且激光雷达已被证明是准确估计树冠高度，甚至老年，单特异性森林与顶部优势生长形式的有效工具。在林业研究中，甚高频散射机制主要应用于简单的森林结构，如轻轻倾斜

针叶林，而较长波长激光雷达具有良好的穿透枝叶特性，这又增加了数据的准确性。

2.6利用激光雷达进行气象研究

激光雷达是一种非常重要的气象仪器，它是基于电磁能量会从目标反射回来的检测原理。像雷达一样，有关目标的性质、距离、角度等数据都可以通过光的散射给我们提供出来。其比雷达更为优秀的是它不仅可以在微波区域进行操作，而且可以在可见光、红外光或更短的区域进行操作。激光雷达是雷达在光学电磁频谱上的一个延拓。由激光发射机生成一个短脉冲的能量再针对一个目标发射出去。目标辐射出的散射波由接收光学系统收集并且集中到一个敏感的探测器上，它将入射光的能量转换成一个电信号，经过放大信号处理后再进行使用。

在斯坦福研究所开发的第一个比较原始的仪器设计清楚地表明了激光雷达的应用，如通过雨水或底层的云的结构探测云和雾层的位置，上升限度的高度。激光雷达回波可以清楚的从低海拔地区观察到一个清晰的连续气溶胶层，而这对于肉眼来说是不可见。

SRI Mark III的激光雷达，对稀薄的卷云的检测展示了一个更高的水平。它表明一个很高的峰值功率可以穿透云层，同时形成反射。利用这种现象在不同海波高度观察时就可以证明几个不同层的卷云的存在。虽然用激光雷达性能优越，除了优化设计系统中的参数之外，许多技术被利用来改善的激光雷达系统的性能。例如激光器的冷却就是所有激光器必须解决的问题。激光雷达脉冲重复频率较低或泵浦阈值较低时可以采用空气制冷，而以更大的激光脉冲能量时必须采用制冷系统来冷却激光器。

2.7利用机载激光雷达描绘气溶胶浓度的二维轮廓

三维激光雷达系统的改进版本已经发展的可以安装在飞行器上并且具有实时的数据分析能力。该系统可以通过光波的反射来描绘在飞机上方和下方的气溶胶的二维轮廓。激光雷达就是这个系统非常重要的一部分，用来描述气溶胶的光学特性和时空变化性。

这个激光雷达系统被配置在国家气象中心的飞行器上，能够发出585纳米的光，最大谱线宽度是0.4纳米，每个谱线的能量严格相等。激光雷达上的闪光灯和电容火花驱动系统每隔0.5微秒产生一个激光脉冲，为了稳定器件，所有的激

光器腔体组件都被安装在一个圆形筒内。激光器产生的激光通过一个光束引导器件输出，光束引导器中有一个光束扩展器，用来改善输出光束的准直使光束与接受器件同轴发射。安装在飞机外部的反射镜系统引导着出射光和接受光要么向上要么向下，这样就能描绘出飞机上下两侧的气溶胶浓度的二维轮廓图。目前在激光雷达系统上配置的接收器是一个直径20厘米、1/4焦距的卡塞格林望远镜。接收光学系统的检测器是一个EMI9658光电倍增管。

这个系统如果在夜间进行地面操作的话，可以观察到23公里高度的数据。计算结果还表明，在与窄带带通滤波器和小接受角的接收器联合使用，我们的激光雷达装置在白天操作效果也和夜晚同样好。同样用于探测飞机上下方向的气溶胶浓度的二维轮廓，与闪光灯泵浦燃料激光器相比这个机载激光雷达系统极大地减轻了系统的重量并且降低了它的功耗。

2.8通过激光雷达平流层臭氧层的监测

激光的特性，比如它的强脉冲能量，低发散度和高频谱纯度，使这种光源非常适合远程遥感。用于测定气体中微量成分的是差分式激光雷达，它先发射两束激光，再利用气体对着两束激光的吸收系数不同的原理来完成测量。对于几千米高空的空气微量成分的数据也常使用差分式激光雷达，它的测量范围完全可以得到蒸汽层和臭氧层的垂直剖面。文章主要介绍了搭建一个监视50千米高空臭氧层的系统，这个系统的搭建对于建立模型来预测由于人为释放氟氯甲烷而造成的臭氧损耗是具有特殊意义的。

这个系统采用单脉冲能量为150mJ、频率为100HZ的商业激光器作为发射器，发射的波长为308纳米。激光雷达的参考波长是通过刺激高压气体电池发生拉曼散射产生的。由此产生的两个拉曼位移波长都不容易被臭氧层吸收。通过拉曼方案即简化了设备和调整程序、确保了较高的脉冲能量又允许两个波长的光可以同时发射到同一视场。为了避免光电倍增管由于低海拔信号的反射而达到饱和，要确保接收器和发射器至少相隔1米。由于视场的完全重叠发生在20千米以上的高空，为了能在低海拔区域也能监视，因而安装了单基站。最后将整套设备安装在一个小容器里用飞机运到山顶，这样就避免了激光信号会被气溶胶层所衰减。为了检测臭氧层轮廓的长期变化趋势，并且克服对臭氧层的自然变化，长时间的精确的调查是必需的。激光雷达技术非常适合于这个目的。检测40千米

高空臭氧层的减少量极大地证实了当前这个激光雷达系统模型的有效性。

三、激光雷达的应用前景

3.1军事领域方面的应用

LiDAR技术在军事领域的主要用途是用于测量导弹、飞机、舰艇、坦克，甚至炮弹的运动轨迹，起测量精度很高，足以保证这些武器装备性能的充分发挥。

3.2国民经济建设方面的应用

LiDAR技术在国民经济建设中如农业、水利电力设计、国土资源调查、城市规划、公路铁路设计、交通旅游与气象环境调查等各大领域中可以得到广泛应用。

1. 林业项目。根据LiDAR系统测得的数据，分析森林树木的覆盖率及覆盖面积，进一步了解树木的疏密程度，包括年幼树木覆盖面积和年长树木的覆盖面积，便于人们在茂盛森林中进行适当地砍伐，在林木稀疏或无植被区域进行树木种植。另外，通过LiDAR数据可以概算出树木的种类、平均高度和森林占地面积，及木材的数量，便于相关主管部门进行宏观调控。

2.水利项目。LiDAR技术应用于河流监控和治理，有着极其重大的意义。通过LiDAR数据生成的DEM 高程值可以用不同颜色表示，所以水利部门可以按某一高程值预设一颜色值渲染，便可直观地看出水位淹没的范围，也可测算出水位到达这一高程时所淹没的区域面积以及其造成的危害程度。因此，水利部门利用LiDAR技术可以进行有效的水利工程设计，进行河流水域的监控与治理和水灾防治。

3．电力输送项目。LiDAR技术极大地方便电网布设与维护管理工作。在进行线路设计时，通过LiDAR数据可以了解到整个规划线路设计区域内地形和地物要素的基本情况。尤其是在树木密集处，可以估算出需要砍伐树木的面积和木材的数量。此外，在电力线进行抢修和维护时，根据电力线路上的LiDAR数据点及相应的地面裸露点的高程可以测算出任意一处线路距离地面的高度，这样就能快速找出事故节点，便于了抢修和维护。

4. 数字城市项目。利用高精度的LiDAR数字地面模型DEM 与GIS系统有机的结合，可以建立和完善“数字城市”系统的基础地理信息库，对城市里面的建筑、道路、桥梁等构筑物进行数据的维护和及时更新。

5.交通管线设计项目。公路、铁路等交通管线设计项目一般路线长、工期紧、

任务重，采用LiDAR技术结合传统测量手段，可以快速为此类线路工程设计提供高精度的大比例尺地形图和地面高程模型DEM，为规划、设计部门提供准确的基础信息资料，为决策的指定提供可靠的依据。同时，施工过程中的土石方量计算也可以利用LiDAR数据计算得出。

结语

激光雷达技术(LiDAR)是近十年来快速发展并得到广泛应用的测量手段，有着常规测量方法和传统航空摄影技术不可比拟的优势：作业时间短，测量精度高，天气影响小，作业安全，不受地形、地域限制，可同时测量地面和非地面层。因此，随着技术的不断发展和普及，无论是在军事上还是民用上，LiDAR都将会有着广阔的发展前途。

参考文献

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激光雷达技术的应用现状及应用前景

光电雷达技术 课程论文 题目激光雷达技术的应用现状及应用前景

专业光学工程 姓名白学武 学号2220140227 学院光电学院 2015年2月28日 摘要：激光雷达无论在军用领域还是民用领域日益得到广泛的应用。介绍了激光雷达的工作原理、工作特点及分类，介绍了它们的研究进展和发展现状，以及应用现状和发展前景。 引言 激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的T作原理相似，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪和识别。 激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形和数据处理方式，可分为脉冲激光雷达、连续波激光雷达、脉冲压缩激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达和成像激光雷达等：根据安装平台划分，可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达和航天激光雷达；根据完成任务的不同，可分为火控激光雷达、靶场测量激光雷达、导弹制导激光雷达、障碍物回避激光雷达以及飞机着舰引导激光雷达等。 在具体应用时，激光雷达既可单独使用，也能够同微波雷达，可见光电视、

红外电视或微光电视等成像设备组合使用，使得系统既能搜索到远距离目标，又能实现对目标的精密跟踪，是目前较为先进的战术应用方式。 一、激光雷达技术发展状况 1.1关键技术分析 1.1.1空间扫描技术 激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制和扫描体制，其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器，作用距离较远，探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同，能够减小设备的体积、重量，但在我国多元传感器，尤其是面阵探测器很难获得，因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。 机械扫描能够进行大视场扫描，也可以达到很高的扫描速率，不同的机械结构能够获得不同的扫描图样，是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描，扫描速度可以很高，扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小，光束质量较差，耗电量大，声光晶体必须采用冷却处理，实际工程应用中将增加设备量。 二元光学是光学技术中的一个新兴的重要分支，它是建立在衍射理论、计算机辅助设计和细微加工技术基础上的光学领域的前沿学科之一。利用二元光学可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。一般这种扫描器由一对间距只有几微米的微透镜阵列组成，一组为正透镜，另一组为负透镜，准直光经过正透镜后开始聚焦，然后通过负透镜后变为准直光。当正负透镜阵列横向相对运动时，准直光方向就会发生偏转。这种透镜阵列只需要很小的相对移动输出光束就会产生很大的偏转，透镜阵列越小，达到相同的偏转所需的相对移动就越小。因此，这种扫描器的扫

2010激光原理技术与应用 习题解答

习题I 1、He-Ne 激光器m μλ63.0≈，其谱线半宽度m μλ12 10-≈?，问λλ/?为多少？要使其相干长度达到1000m ，它的单色性λλ/?应是多少？ 解：63.01012 -=?λλ λλδτ?= ==2 1v c c L c 相干 = = ?相干 L λ λ λ 2、He-Ne 激光器腔长L=250mm ，两个反射镜的反射率约为98%，其折射率η=1，已知Ne 原子m μλ6328.0=处谱线的MHz F 1500=?ν，问腔内有多少个纵模振荡？光在腔内往返一次其光子寿命约为多少？光谱线的自然加宽ν?约为多少？ 解：MHz Hz L c v q 60010625 210328 10=?=??==?η

5 .2=??q F v v s c R L c 8 10 1017.410 3)98.01(25)1(-?=??-=-=τ MHz Hz L c R v c c 24104.2)1(21 7=?=-≈=πτδ 3、设平行平面腔的长度L=1m ，一端为全反镜，另一端反射镜的反射率90.0=γ，求在1500MHz 频率范围内所包含的纵模数目和每个纵模的频带宽度？ 解：MHz Hz nL c v q 150105.1100 210328 10=?=??==? 10 150 1500==??q v v L c R v c c )1(21 -≈ =πτδ 4、已知CO 2激光器的波长m μλ60.10=处 光谱线宽度MHz F 150=?ν，问腔长L 为多少时，腔内为单纵模振荡（其中折射率η=1）。

解：L c v v F q η2=?=?， F v c L ?=2 5、Nd 3 —YAG 激光器的m μ06.1波长处光 谱线宽度MHz F 5 1095.1?=?ν，当腔长为10cm 时，腔中有多少个纵模？每个纵模的频带宽度为多少？ 解：MHz L c v q 3 10105.110 21032?=??==?η 130 =??q F v v L c R v c c )1(21 -≈ =πτδ 6、某激光器波长m μλ7.0=，其高斯光束束腰光斑半径mm 5.00=ω。 ①求距束腰10cm 、20cm 、100cm 时， 光斑半径)(z ω和波阵面曲率半径)(z R 各为多少？ ②根据题意，画出高斯光束参数分布图。

激光技术的发展及应用论文

激光技术的发展及应用 引言 随着激光技术的飞速发展和广泛应用激光已成为工业生产，科学探测和现代军事战争中极为重要的工具。总结了激光技术在工业生产，军事，国防，医疗等行业中的应用，提出激光技术应用领域的发展趋势。 “激光”一词是“LASER”的意译。LASER原是Light amplificati on by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器” 、“光受激辐射放大器”等。激光具有普通光源发出的光的所有光学特性，是上世纪 60 年代所诞生和发展起来的新技术。1964年，钱学森院士提议取名为“激光”，既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。 激光不是普通的光，其特性是任何光都无法比拟的。激光能量密度高，其亮度比太阳表面还高数百亿倍；[1]激光方向性强，其发散度仅为毫弧度量级，所以用途非常广泛。由于激光的优异特性，使激光在工业生产，科技探测，军事等方面得到了广泛应用，激光渗透到社会的各个行业，而且发展潜力还非常大，激光也成为了当代科学发展最快的科学领域之一。 一、激光发展史 激光技术的启蒙研究发展就完全印证了上面的话。最早对激光做出理论研究的人是爱因斯坦，1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念，即处于高能级的原子受外来光子作用，当外来光子的频率与其跃迁频率恰好一致时，原子就会从高能级跃迁到低能级，并发射与外来光子完全相同的另一光子，新发出的光子不仅在

频率方面与外来光子相一致，而且在发射方向、偏振态以及位相等方面均与外来光子相一致，因此，受激辐射具有相干性；在发生受激辐射时，一个光子变成了两个光子，利用这个特点，可实现光放大，并且能够得到自然条件下得不到的相干光． 受激辐射提出后，陆续有科学家进行研究。如1916-1930年间拉登堡及其合作者对氖的色散的研究并于1933年绘制出色散系数随放电带电流密度变化的曲线。1940年法布里坎特首先注意到了负吸收现象。这一阶段发展并不迅速。到了第二次世界大战之后，1947年兰姆和雷瑟夫指出通过粒子数反转可以受激辐射，从此激光理论的研究开始突破。1952年帕塞尔及其合作者实现了粒子数反转，观察到了负吸收现象。第二年，韦伯产生了利用受激辐射诱发原子或分子，从而放大电磁波的思想，进而提出了微波辐射器的原理。1957年斯科威尔实现了固体顺磁微波激射器。既然微波可以激发受激辐射，那么红外乃至可见光等也应该可以。1958年汤斯和肖洛发表了著名的“红外与光学激射器”一文，1959年汤斯提出了建造红宝石激光器的建议。终于1960年由休斯航空公司的莱曼建造出第一部可用的激光装置。（我国第一台红宝石激光器于15个月后的1961年8月建成。）从此人类拥有了激光这一利器。 由于生产技术不成熟，激光技术产生之初并未有太多实际用途。后虽有切割，光束武器等应用，但又受制于制造成本高昂和气候条件复杂等。几十年来各方面工程师和专家一直努力改进创新激光技术及应用，随着激光技术的发展成熟，今天，它已经广泛地应用于生产生活的各方面。 二、激光的特点及激光器 激光的特点主要有四点，一是方向性好，激光束偏离轴线的发散角往往非常小，甚至可以用来测量地球到月球的精确距离（发射到38万公里外的月球形成的光斑直径不超过一公里）；二是亮度高，激光功率在空间高度集中，亮度是普通太阳光的百万倍；三是单色性好，比如氪激光的波长范围只有4.7微埃，比原来个公认单色性最好的氪灯高出数个数量级；四是相干性好，激光器输出的光子频率、偏振、相位和传播方向都完全一致，这使得很多光学实验的精度大大提高。

激光对射技术原理及应用分析.

激光对射技术原理及应用分析 近年来周界防范系统已经成为安防系统基本且不可或缺的安防子系统。 不仅在军工厂、军营、机场、港口、政府机关等高端领域可见其“踪影”。 同时还被广泛应用到住宅小区,并在这些领域保持着相当高的应用增长速度。 众所周知,安全防范技术现在的发展方向是将视频监控、周界报警、入侵探测、门禁控制等独立的安防子系统集成整合,形成一个多功能、全天候、动态的综合安全管理系统。 而周界报警作为安防系统的第一道防线,作用十分重要,已从过去被动的报警探测,发展为今天的威慑阻挡加报警。 且随着安防技术的发展和安防市场的成熟,以及政策法规的进一步完善,数字化、集成化、网络化将是它发展的必然趋势。 周界报警系统是在防护的边界利用如泄漏、激光、电子围栏等技术形成一道或可见或不可见的“防护墙”。 当有越墙行为发生时,相应防区的探测器即会发出报警信号,并送至控制中心的报警控制主机,发出声光警示的同时显示报警位置。 还可联动周界模拟电子屏,甚至联动摄像监控系统、门禁系统、强电照明系统等。 近年来周界防范系统已经成为安防系统基本且不可或缺的安防子系统,不仅在军工厂、军营、机场、港口、政府机关等高端领域可见其 “踪影”,同时还被广泛应用到住宅小区,并在这些领域保持着相当高的应用增长速度。

本文将对激光对射、张力式电子围栏、泄漏电缆、振动电缆四种最常用的周界防范技术进行分析,借此一窥周界防范报警系统技术的发展踪迹。 激光对射工作原理 三安古德激光对射探测器由收、发两部分组成。 激光发射器向安装在几米甚至于几百米远的接收器发射激光线,其射束有单束、双束,甚至多束。 当相应的三安古德激光射束被遮断时,接收器即发出报警信号。 接收器由光学透镜、激光光电管、放大整形电路、功率驱动器及执行机构等组成。 其工作原理是接收器能收到激光射束为正常状态,而当发生入侵时,发射器发射的激光射束被遮挡,即光电管接收不到激光光。 从而输出相应的报警电信号,并经整形放大后输出开关量报警信号。该报警信号可被报警控制器接收,并去联动执行机构启动其它的报警设备,如声光报警器、模拟电子地图、电视监控系统、照明系统等。系统组成 激光周界防越报警系统通常由前端探测系统、现场报警系统、传输系统、中心控制系统、联动系统以及电源系统六部分组成。 1、前端探测系统由激光探测器及其相关附件组成,其对周界围墙或护栏进行防护,检测周界入侵行为,并输出报警信号。 2、现场报警系统由现场报警器及联动装置组成,在探测器检测到入侵行为时,即启动现场报警设备,对非法入侵行为进行威慑。

激光技术的发展与展望

激光技术的发展与展望 "激光"一词是"LASER"的意译。LASER原是Light amplification by stimulated emissi on of radiation取字头组合而成的专门名词，在我国曾被翻译成"莱塞"、"光激射器"、"光受激辐射放大器"等。1964年，钱学森院士提议取名为"激光"，既反映了"受激辐射"的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。 从1961年中国第一台激光器宣布研制成功至今，在全国激光科研、教学、生产和使用单位共同努力下，我国形成了门类齐全、水平先进、应用广泛的激光科技领域，并在产业化上取得可喜进步，为我国科学技术、国民经济和国防建设作出了积极贡献，在国际上了也争得了一席之地。 一、我国早期激光技术的发展 1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所--中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称"光机所"）。在老一辈专家带领下，一批青年科技工作者迅速成长，邓锡铭是其中的突出代表。早在1958年美国物理学家肖洛、汤斯关于激光原理的著名论文发表不久，他便积极倡导开展这项新技术研究，在短时间内凝聚了富有创新精神的中青年研究队伍，提出了大量提高光源亮度、单位色性、相干性的设想和实验方案。1960年世界第一台激光器问世。1961年夏，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。此后短短几年内，激光技术迅速发展，产生了一批先进成果。各种类型的固体、气体、半导体和化学激光器相继研制成功。在基础研究和关键技术方面、一系列新概念、新方法和新技术（如腔的Q突变及转镜调Q、行波放大、铼系离子的利用、自由电子振荡辐射等）纷纷提出并获得实施，其中不少具有独创性。 同时，作为具有高亮度、高方向性、高质量等优异特性的新光源，激光很快应用于各技术领域，显示出强大的生命力和竞争力。通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像，1964年11月实现3～30公里的通话。工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物和临床实验。国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机（精度为10米/10公里），1966年4月研制出遥控脉冲激光多普勒测速仪。 可以说，在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近，一项创新性技术能够如此迅速赶上世界先进行列，在我国近代科技发展史上并不多见。这些成绩的取得，尤其是能够把物理设想、技术方案顺利地转化成实际激光器件，主要得力于光机所多年来在技术光学、精密机械和电子技术方面积累的综合能力和坚实基础。一项新技术的开发，没有足够的技术支撑是很难形成气候的。 二、重点项目带动激光技术的发展 激光科技事业从一开始就得到了领导和科学管理部门的高度重视。当时中国科学院副院长张劲夫提出建立专业激光研究所的设想，很快得到国家科委、国家计委的批准。主管科技的聂荣臻副总理还特别批示：研究所要建在上海，上海有较好的工业基础，有利于发展这一新技术。1964年，我国第一所，也是当时世界上第一所激光技术的专业研究所--中国科学院上海光学精密机械研究所（简称"上海光机所"）成立。当年12月在上海召开全国激光会议，张劲夫、严济慈出席并主持会议，140位代表提交了103篇学术报告。 1964年启动的"6403"高能钕玻璃激光系统、1965年开始研究的高功率激光系统和核聚变研究，以及1966年制定的研制15种军用激光整机等重点项目，由于技术上的综合性和高难度，有力地牵引和带动了激光技术各方面在中国的发展。我国的激光科技事业，虽然也遭遇了"文革"十年浩劫，但借助于重点项目的支撑，

激光雷达的发展历程及车用激光雷达的产业格局和发展趋势

激光雷达的发展历程及车用激光雷达的产业格局和发展趋势

目录索引 研究逻辑 (4) 激光雷达：高精度的传感器，与ADAS及无人驾驶形成良好搭配 (5) 激光雷达的原理与结构：基于TOF飞行时间的高精度测量 (5) 激光雷达的发展历程：从机械走向固态，从单线束走向多线束 (6) 激光雷达与ADAS及无人驾驶形成良好搭配 (7) 车用激光雷达的产业格局和发展趋势 (8) 国外企业破风而行，不断寻求技术突破 (8) 国内企业加速追赶，目标产品逐步成型 (12) 低成本化时代来临，路径选择求同存异 (14) 投资建议 (15) 风险提示 (15)

图表索引 图1：激光雷达工作原理图 (5) 图2：激光雷达系统结构图 (5) 图3：机械激光雷达 (6) 图4：固态激光雷达 (6) 图5：单线激光雷达与多线激光雷达对比 (7) 图6：2.5D激光雷达 (7) 图7：3D激光雷达 (7) 图8：主要类型的ADAS传感器 (7) 图9：不同类型的ADAS传感器性能对比 (8) 图10：Velodyne激光雷达产品及主要参数 (9) 图11：HDL-64E正面构造 (9) 图12：HDL-64E背面构造 (9) 图13：Ultra Puck产品计划 (10) 图14：Ultra Puck内部结构 (10) 图15：Quanergy公司的The Mark VIII激光雷达 (10) 图16：The Mark VIII激光雷达的主要参数 (10) 图17：Quanergy公司的S3固态激光雷达 (11) 图18：S3固态激光雷达主要参数 (11) 图19：IBEO车用激光雷达产品 (11) 图20：LUX-4L激光路径 (11) 图21：LUX-8L激光路径 (11) 图22：镭神智能激光雷达产品 (12) 图23：思岚科技激光雷达产品 (13) 图24：华达科捷3D激光雷达 (13) 图25：激光雷达低成本化的主要路径 (14)

激光焊接技术应用及发展趋势

激光焊接技术应用及其发展趋势 摘要：本文论述了激光焊接工艺的特点、激光焊接在汽车工业、微电子工业、生物医学等领域的应用以及研究现状，激光焊接的智能化控制，论述激光焊接需进一步研究与探讨的问题。关键词：激光焊接；混合焊接；焊接装置；应用领域 引言 激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，随着高功率CO2和高功率的Y AG激光器以及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束物镜等的研制成功，使其在机械制造、航空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来越广。目前的研究主要集中于C02激光和YAG激光焊接各种金属材料时的理论，包括激光诱发的等离子体的分光、吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法等，并对镍基耐热合金、铝合金及镁合金的焊接性，焊接现象建模与数值模拟，钢铁材料、铜、铝合金与异种材料的连接，激光接头性能评价等方面做了一定的研究。 一、激光焊接的质量与特点 激光焊接原理：激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。图1显示在不同的辐射功率密度下熔化过程的演变阶段[2]，激光焊接的机理有两种： 1、热传导焊接 当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。 2、激光深熔焊 当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿人更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。 这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择，通过调节激光的各焊接工艺参数得到不同的焊接机理。这两种方式最基本的区别在于：前者熔池表面保持封闭，而后者熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的扰动较小，因为激光束的辐射没有穿透被焊材料，所以，在传导焊过程中焊缝不易被气体侵入；而深熔焊时，小孔的不断关闭能导致气孔。传导焊和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换，由传导方式向小孔方式的转变取决于施加于工件的峰值激光能量密度和激光脉冲持续时间。激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊接在激光与材料相互作用期间由一种焊接方式向另一种方式转变，即在相互作用过程中焊缝可以先在传导方式下形成，然后再转变为小孔方式。 1、激光焊接的焊缝形状 对于大功率深熔焊由于在焊缝熔池处的熔化金属，由于材料的瞬时汽化而形成深穿型的圆孔空腔，随着激光束与工件的相对运动使小孔周边金属不断熔化、流动、封闭、凝固而形成连续焊缝，其焊缝形状深而窄，即具有较大的熔深熔宽比，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：l，最高可达10：1。图2显示四种焊法在316不锈钢及DUCOLW30钢上的焊缝截面形

浅谈激光雷达技术在林业上的应用

浅谈激光雷达技术在林业上的应用 摘要：近年来激光雷达在很多领悟非常受欢迎，更值得一提的是这种技术非常 受森林工作者的欢迎，在森林参数测量方面发挥着非常重要的作用。激光雷达的 成像机理和一般的光学遥感大不相同，它对森林地形以及森林植被分布形式的勘 测能力极强。在对森林高度进行探测时这种优势呗发挥的淋漓尽致，更重要的是 激光雷达具有的这种优势是很多遥感设备无法比拟的。 关键字：林业应用；激光雷达技术；遥感技术 引言 自然界的所有结构中没有比森林更大，更复杂的结构了，森林拥有着自然界 中的很多资源，这些自然资源包括碳水化合物和森林植被所需的所有营养。不管 人类发展到什么程度森林结构都不可能会被其他结构所替代，因为只有森林结构 完整，才能够保证自然界的生态平衡。在通常情况下，要想更好的保证生态平衡，就必须要对森林的很多参数就行测量和分析，但是运用普通的参数测量方法只能 够获得一些简单的数据，这些数据在对大片森林的研究上并不能发挥太大作用。 因此，要想获得大片森林的区域数据，就必须运用远程传感器来实现。另外，激 光技术可以说是一种新的探测技术，它的能力非常强。激光技术不仅可以帮助科 研人员获得所需研究物体或者结构的高度信息，而且可以给出精准的数据信息。 正因如此，在军事研究领悟激光技术也不可或缺。 一、激光雷达技术的测量工具和系统介绍 在数据研究领领域有一种最基本的测量工具，这种测量工具就是激光测距仪。这种仪器在使用时必须要使用激光，而且它的工作频率比家中微波炉的工作频率 高出很多倍。 平常的雷达系统，它的高度都不会超过70英尺，另外，对每一个雷达系统而言，它们都具有一个激光系统，并且这个激光系统是连续的。激光在使用的过程中，它的细节其实是时间决定的，每一刻都代表一个不同的时间。在森林参数测 量过程中运用激光技术可以不仅可以得到树木花草的结构，而且激光还可以凭借 其信号远远大于木材信号的优势来得到整个森林的结构，这也给森林研究人员在 森林结构研究方面带来了极大的便利。 一个大的激光雷达系统是由很多小的激光探测系统组成的，而每一个激光探 测系统就是一个小的激光雷达系统。另外，激光的大小并不是固定不变得，它会 随着飞行高度的变化而不断变化，但是一般情况下激光的大小最大不会超过0.9m。有的时候激光之所以能感觉到树叶，是因为最小的激光非常小，也正因为这个特点，激光雷达系统必须要增加方向上的频率。 二、激光雷达技术在林业上的应用 林业研究领域的很多数据都是靠激光测量出来的，这些数据小到森林中一棵 树的枝干结构信息，大到一个森林的整体结构信息。由此可见激光技术对林业研 究的重要性。另外，雷达激光系统不仅受到国内多数研究领域的欢迎，而且雷达 激光系统在国外也广受商业企业的欢迎。 虽然雷达可以再特定的时间内记录信息，但是对于信号边界的信息可能没有 办法完整记录。要想解决这个问题就必须要运用技术来穿越激光的边界，虽然在 穿越激光边界的过程中会遇到各种各样的问题，但是通过这种方法却可以有效的 获得信号边界信息。

激光的发展与应用

激光的发展与应用 摘要：激光作为20世纪的新发明，从1960年第一台激光器问世以来，激光技术与应用发展迅猛。它不仅在产业上有了飞速发展，而且还为科学技术、国民经济和国防建设做出了积极贡献。本文综述性描写激光的发展与应用，首先简要的介绍激光的发展史，其次介绍激光的特性，最后结合激光的特性和发展史以典型的实例来简要的说明激光在各个方面的主要应用。 关键词：激光；发展；应用；特性；实例 １.引言 激光，作为高新技术的研究成果，它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域，而且已经在人类生活和生产的许多方面得到了大量的应用，与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值，可见它对人类社会的影响之深刻而广泛。 ２.激光的发展简史 1916年，爱因斯坦在研究黑体辐射的普朗克公式时曾寓言了受激辐射的存在，从而提出受激辐射的概念，并预见到受激辐射光放大器诞生,也就是激光产生的可能性[1]。 20世纪50年代美国科学家汤斯及前苏联科学家普罗克霍洛夫等人分别独立发明了一种底噪声微波放大器，即一种在微波波段的受激辐射放大器(Microwave amplification by stimulate emission of radiation)，并以其英文的第一个

字母缩写命名为maser[1]。1958年美国科学家汤斯和肖洛提出在一定的条件下，可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段，制成受激辐射光放大器(Light amplification by stimulated emission of radiation，缩写为laser)。1960年7月美国的梅曼宣布制成了第一台红宝石激光器[2]。1961年我国科学家邓锡铭、王之江制成我国第一台红宝石激光器，在1961年11期《科学通报》上发表了相关论文，称其为“光量子学放大器”。其后在我国科学家钱学森的建议下，统一翻译为“激光”或“激光器”[3]。1962年雅文等人在美国贝尔实验室制成了氦氖激光器[1]。自此新的激光器不断的被研制出来，激光开始走上了高速发展的道路。 ３.激光的特性 由于激光产生的机制与普通光不同,因此，它具有许多与普通光不同的特性。 3.1.单色性好。激光几乎是严格的单色光。通常所谓的单色光，实际上其波长并不只为某一数值，而是由许多波长相近的光所组成，其波长取值范围,称为谱线宽度[2]。不同光源发出的光有不同的谱线宽度。过去作为长度基准的单色性最好的氪灯，它的谱线宽度为，而氦氖激光器所发的632.8nm的激光，它的谱线宽度可达，由此可见其单色性之好[4]。正是由于激光单色性好，目前国际上采用甲烷稳定的氦氖激光器（激光波长为3392.23140nm）作为体现米定义的标准辐射源[4]。 3.2.方向性好。与普通光源以立体角不同，激光发射限定在很小的立体角内。它大致等于激光器通过光孔径的圆孔衍射的发散角因此是几乎平行的光

激光器技术的应用现状及发展趋势_百度文库讲解

激光器技术的应用现状及发展趋势 摘要 :简述了激光精密加工技术及其特点 ; 综述了激光精密加工的应用现状 ; 探讨了激光精密加工技术的发展趋势。激光加工技术在机械工业中的广泛应用, 促进了激光加工技术向工业化发展。为此, 介绍了几种应用较广泛的激光加工技术; 重点讨论了激光硬化和激光珩磨技术的应用和发展趋势。摘要由于在光通信光数据存储传感技术医学等领域的广泛应用近几年来光纤激光器发展十分迅速本文简要介绍了光纤激光器的工作原理及特性 , 并对目前多种光纤激光器作了较为详细的分类 ; 同时介绍了近几年国内外对于光纤激光器的研究方向及其目前的热点是高功率光纤激光器、窄线宽可调谐光纤激光器和超短脉冲光纤激光器 ; 最后指出光纤激光器向高功率、多波长、窄线宽发展的趋势 . :结合河北工业大学光机电一体化研究室近几年对激光加工技术研究的初步成果, 对激光加工技术的特点, 激光加工技术在国内外的应用发展状况, 以及激光加工技术的发展趋势进行了简要介绍, 同时分析了我国激光加工产业面临的机遇与挑战,并提出了应采取的对策 前言 1 概述 激光加工是 20 世纪 60 年代初期兴起的一项新技术,此后逐步应用于机械、汽车、航空、电子等行业, 尤以机械行业的应用发展速度最快。在机械制造业中的广泛使用又推动了激光加工技术的工业化。 20 世纪 70 年代,美国进行了两大研究 :一是福特汽车公司进行的车身钢板的激光焊接 ; 二是通用汽车公司进行的动力转向变速箱内表面的激光淬火。这两项研究推动了以后的机械制造业中的激光加工技术的发展。到了 20 世纪 80 年代后期, 激光加工的应用实例有所增加 , 其中增长最迅速的是激光切割、激光焊接和激光淬火。这 3 项技术目前已经发展成熟, 应用也很广泛。进入 20 世纪 90 年代后期, 激光珩磨技术的出现又将激光微细加工技术在机械加工中的应用翻开了崭新的一页。激光加工技术之所以得到如此广泛的应用, 是因为它与传统加工技术相比具有很多优点:一、是非接触加工, 没有机械力; 二、是可以加工高硬度、高熔点、极脆的难加工材料;三、是加工区小,热变形很小,

激光技术的发展历史

73 2006 NO.9&10 记录媒体技术激 光的发明是20世纪中期一项划时代的成就，对人类社会文明产生了极其深远的影响。人们把 激光和原子能、半导体、计算机列在一起，称为20世纪的“新四大发明”。激光的出现不但引起了光学革命性的发展，冲击了整个物理学，并且对其它学科如化学、生物学和技术及应用学科如电机工程学、材料科学、医学等都产生了巨大的影响。像蒸汽机、发电机和电动机、晶体管、计算机这些创新一样，激光是一项通用技术，它提供了可以在大量实际领域应用的技术能力。对光盘存储而言，激光的发明是光盘存储技术必不可少的基础，它为光盘存储提供了一个有足够功率并且能够汇聚成很小光斑(微米级或亚微米级)的光源。可以说，没有激光的发明，就没有后来的光盘的发明。本文主要为光盘技术人员介绍激光技术的发展历史和趋势。 一、激光的发明和发展 所谓激光就是受激发射的光，是被其它辐射感应而激发的辐射。激光的英文名词为Laser ，是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的词首字母构成的新词，其原意是受激辐射光放大器。早期在我国曾被翻译成“莱塞”、“雷射”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。直到1964年，由钱学森院士提议取名为“激光”，它既反映了“受激辐射”的科学内涵，又表明了它是一种很强烈的新光源。钱学森院士的提议得到国内学术界的一致认同，在中国大陆激光这个新名词就一直沿用至今。 现在我们知道，物质的发光过程有两种：一种称为自发辐射，另一种称为受激辐射。自发辐射是在没有外来光子情况下，原子自发地、独立地从高能级E 2向低能级E 1的跃迁。自发辐射是随机过程，跃迁时发出的光在相位、偏振态和传播方向上都彼此无关。受激辐射是处于高能级E 2的原子，在受到能量为hv = E 2-E 1的外来光子的激励时，跃迁到低能级E 1，并辐射一个与外来光子的频率、相位、振动方向和传播方向都相同的光子。 1916年，爱因斯坦根据物质发光和吸收必须符合能量守恒的基本原则，预言除了大量的自发辐射以外还必然存在着少量的受激辐射，并且这种受激辐射还 激光技术的发展历史 ◇顾 颖 会进一步引发同类的受激辐射，因此可以获得受激辐射被增强的效应。爱因斯坦的论断为激光的发明提供了理论基础。 图1 自发辐射和受激辐射 图2 爱因斯坦 此后，科学家们多次企图在原子发光实验中验证受激辐射的存在，但是要从大量的自发辐射中区分出只含万分之几的受激辐射确实是十分困难的，所以始终未能获得成功。 第二次世界大战时期，由于军事上雷达技术的需要，微波辐射和分子光谱学得到迅速发展，研究前沿向更短的波长领域推进，以达到更高分辨率的目标。战争结束后，美国军方对毫米级波谱学的研究工作保持着强烈的兴趣，因为其方便的部件可以用于减少导弹的重量、设计安装在坦克和潜水艇上的轻量级短波雷达、以及用于提高短波通讯的安全性。科学家们在军方的资助下能够利用战后剩余的微波设备继续微波辐射研究。1951年，美国哥伦比亚大学教授汤斯(Charles Townes)开始了“受激辐射微波放大器”(Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation-MASER ，译作脉塞)的研究。1954年，汤斯和他的学生古尔德(Gordon Gou)合作制成了第一台脉塞，他成功地隔离了激发态氨(Ammonia)分子并实现了粒子数反转(上能级分子数分布大于下能级分子)，把一束受激的氨分子束瞄准进入谐振腔，使腔内激发态氨分子受激跃迁产生24千兆赫频率的辐射信号。第一个脉塞辐射的波长略大于1厘米，功率只有几十毫微 瓦，但是能量集中在很窄的谱线内。同年，苏联科学

激光技术在日常生活中的应用

激光技术在日常生活中的应用 ?世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。 一、激光技术应用简介 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为： 1.激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。 2.激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加 工工艺。 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。 激光打标：在各种材料和几乎所有行业均得到广泛应用，目前使用的激光器有YAG 激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。 激光打孔：激光打孔主要应用在航空航天、汽车制造、电子仪表、化工等行业。激光打孔的迅速发展，主要体现在打孔用YAG激光器的平均输出功率已由5年前的400w 提高到了800w至1000w。国内目前比较成熟的激光打孔的应用是在人造金刚石和天然金刚石拉丝模的生产及钟表和仪表的宝石轴承、飞机叶片、多层印刷线路板等行业的生产中。目前使用的激光器多以YAG激光器、CO2激光器为主，也有一些准分子激光器、同位素激光器和半导体泵浦激光器。 ?激光热处理：在汽车工业中应用广泛，如缸套、曲轴、活塞环、换向器、齿轮等零部件的热处理，同时在航空航天、机床行业和其它机械行业也应用广泛。我国的激光热处理应用远比国外广泛得多。目前使用的激光器多以YAG激光器，CO2激光器为主。

激光加工的应用和发展趋势

课程：特种加工基础实训教程 题目：激光加工技术应用和发展趋势院系：工学院机械系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 姓名： 学号： 时间：

目录 摘要 (2) １引言 (2) ２激光的特点 (2) 定向发光 (2) 亮度极高 (2) 颜色极纯 (3) 3 激光加工技术的主要应用 (3) 激光打孔 (4) 激光快速成型 (4) 激光打标 (4) 激光切割 (5) 激光焊接 (5) 激光热处理 (6) 4 激光加工的发展趋势 (6) 数控化和多功能化 (6) 高频度和高可靠性 (7) 小型化和集成化 (7) 5 结语 (7) 参考文献 (7)

激光加工的应用和发展趋势 摘要：激光加工在现代产业中展示了强大的优势和发展潜力，成为21世纪的主导技术。本文主要介绍激光加工技术的应用现状和未来的发展趋势。 关键词：激光激光技术激光加工应用与发展趋势 1. 引言 激光是20世纪人类最伟大的发明之一，现在已广泛应用于工业、军事、科学研究与日常生活中。激光具有四大特性:高的单色性、方向性、相干性和亮度性。应用激光固有的四大特性，将具有高能量密度的，能被聚焦到微小空间的激光用于加工的方法叫激光加工。激光加工技术是一项集光、机电、材料及检测于一体的先进技术。激光加工主要涉及：激光焊接、激光切割、激光打标、激光雕刻等．现在一般的激光加工都采用了多项先进技术,多功能集成度高、实用性强、自动化程度高、操作简单、结果直观，而且加工过程中可实现动态同步跟踪显示，具有程序错误自动诊断、限位保护等功能。 2. 激光的特点 定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。 亮度极高 在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度

激光技术与应用复习知识点

1、 激光的定义 激光是由受激发射的光放大产生的辐射。 2、 激光的基本特性 单色性，方向性，相干性，高亮度。 3、 空间相干性与时间相干性 波在空间不同区域可能具有不固定的相位差，只有在一定空间范围内的光波才有相对固定的位相差，使得只有一定空间内的光波才是相干的。这种特性叫做波的空间相干性。 与波传播时间差有关的，由不确定的位相差导致的，只有传播时间差在一定范围内的波才具有相对固定的位相差从而相干的特性叫波的时间相干性。 4、 光子简并度 光子属于波色子，大量光子集合遵从波色-爱因斯坦统计规律，处于同态的光子数不受限制。虽然处于同一光子态的光子数并非严格的不随时间的变化，但其平均光子数是可以确定的。这种处于同一光子态的平均光子数成为光子简并度。 5、 激光器的基本组成及其应用 激光器一般包括三个部分。 激光器的基本结构由工作物质、泵浦源和光学谐振腔三部分组成。 激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为：激光焊接，激光切割，激光治疗，激光打标，激光打孔，激光热处理，激光快速成型，激光涂敷等。 6、 自发辐射 处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。 7、 受激辐射 在组成物质的原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在高能级上的粒子受到某种光子的激发，会从高能级跳到（跃迁）到低能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光，而且在某种状态下，能出现一个弱光激发出一个强光的现象。 8、 受激吸收 处于低能级的原子(l E )，受到外来光子的激励下，在满足能量恰好等于低、高两能级之差(E ?)时，该原子就吸收这部分能量，跃迁到高能级(h E )，即h l E E E ?=-。受激吸收与受激辐射是互逆的过程。 9、 激光产生的必要条件 受激幅射是产生激光的首要条件，也是必要条件。 工作物质必须具有亚稳态能级。

激光技术简介及发展历程介绍

激光技术简介及发展历程介绍 世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器，40多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展。 一、激光技术应用简介 激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源，识别物体等的一门技术，传统应用最大的领域为激光加工技术。激光技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，传统上看，它的研究范围一般可分为： 1.冠钧激光加工系统。包括激光器、导光系统、加工机床、控制系统及检测系统。 2.冠钧激光加工工艺。包括切割、焊接、表面处理、打孔、打标、划线、微调等各种加工工艺。 激光焊接：汽车车身厚薄板、汽车零件、锂电池、心脏起搏器、密封继电器等密封器件以及各种不允许焊接污染和变形的器件。目前使用的激光器有YAG激光器，CO2激光器和半导体泵浦激光器。 激光切割：汽车行业、计算机、电气机壳、木刀模业、各种金属零件和特殊材料的切割、圆形锯片、压克力、弹簧垫片、2mm以下的电子机件用铜板、一些金属网板、钢管、镀锡铁板、镀亚铅钢板、磷青铜、电木板、薄铝合金、石英玻璃、硅橡胶、1mm以下氧化铝陶瓷片、航天工业使用的钛合金等等。使用激光器有YAG激光器和CO2激光器。

激光的发展历程及应用汇总

南京理工大学 研究生研究型课程考试 课程名称：现代物理学导论 考试形式：□专题研究报告√论文□大作业□综合考试 学生姓名：王慧学号： 512011424 评阅人：王清华 时间：2013年6 月

激光的发展历程及应用 王慧 （南京理工大学机械工程学院南京210094） 摘要：自1960年第一台激光器发明以来，经过儿十年的发展，激光技术的研究取得了飞越性的发展并广泛应用于人们生活的各个领域。本文主要介绍了激光的应用领域以及一此处于研究前沿领域的技术。 关键词：激光发展；激光历史；激光应用 The Development and Application Prospects Of Laser Technology Abstract：Since the advent of the first optical maser, there has been several dacades. In the short years laser technology has made transilient progress and has applied to in many affairs civil use. The article is about the application of laser technology which is under application and advancing front of study. Key words：Laser Development; Laser history; Laser Applications 一．引言 自1960年7月梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以来，经过四十多年的发展，人们在激光的研究上突破了许多技术难题并取得了相当的成就。激光被发明以来，以其方向性强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性引起了科学家们特别是军事家们的广泛关注，经过科学家们的不懈努力，今天的激光仪器无论是从工作原理、实验手段，还是制造工艺都已逐步成熟。激光日益受到各大军事强国的重视，并有望成为未来军事技术发展中最活跃的一个领域之一。迄今为止，激光在军事领域已经广泛应用于定向能武器、航空航天、侦察与反侦察、制导、通信等诸多领域，大大提高了军队在高技术战争条件下的打击与防御能力。同时，激光的军转民技术也得到了很大的发展。 二．激光的发展历程 早在1917年,爱因斯坦在光量子假设基础上,提出了光的两种不同性质的辐射—自发辐射和受激辐射.从理论上预言了存在受激辐射光的可能性。1928年,德国的https://www.wendangku.net/doc/ab2622072.html,denburg,H.Kopferman用实验证明了受激辐射假设成立。到本世纪五十年代,实验上验证了粒子数反转现象,并提出爱激辐射放 大理论,由这个理论所预见的粒子数反转体系对入射电磁场产生受激放大作用的可能性,首先在无线电电子学的微波技术领域内得以实现。1954年,氮分子气体微波量子放大器诞生。微波量子放大器技术的出现和进展。促进人们在光频波段的探索。1957年9月,美国的c.H.Townes第一次提出光频受激辐射放大设想,同每11月,美国的R.G.Gould 独立提出光频受激辐射放大构思并提出证据公证。继而许多人提出了各种激光器 建议.1960年5月」.5日第一台红宝石激光器〔69招A。)由美国人T.H.Maiman研制成功至此,激光技术就以科学史上罕见的高速度向前发展着,激光理论和激光应用也很快开拓。 在理论研究方面.激光技术的出现极大地促进了光辐射理论的发展。激光以前所有各类光源的发光纂本上属于自发辐射机制.光辐射与物质的作用属于弱光与物质的相互作用,其辐射理论属于有关弱光辐射的产