激光雷达系统设计

第1章 激光雷达系统设计基础 1

1.1 基本概念与定义 1

1.1.1 系统结构 3

1.1.2 激光器 6

1.1.3 光学系统 10

1.1.4 光电探测器 18

1.1.5 信号处理模块 26

1.2 系统建模 32

1.2.1 激光发射机 32

1.2.2 激光接收机 39

1.2.3 激光传输特性 42

1.2.4 目标特性 47

1.3 微弱光信号的探测方法 52

1.3.1 光电子的统计规律 52

1.3.2 直接探测 54

1.3.3 传统外差探测 58

1.3.4 平衡外差探测 66

1.4 应用与发展 69

1.4.1 跟踪激光雷达 69

1.4.2 成像激光雷达 71

1.4.3 后向散射激光雷达 73

1.4.4 空间激光雷达 75

1.4.5 水下激光雷达 76

1.4.6 未来发展趋势 76

第2章 光学天线与光机扫描系统 78

2.1 引言 78

2.2 光学天线的视场 79

2.2.1 衍射极限视场 79

2.2.2 光接收机视场 81

2.3 光学天线的方向图函数 82

2.3.1 方向图函数的定义 82

2.3.2 光学天线效率 84

2.4 直接探测光学天线 85

2.4.1 焦平面上直接探测效率 86

2.4.2 离焦平面上直接探测效率 88

2.4.3 提高直接探测效率的光学方法 90

2.5 相干探测光学天线 97

2.5.1 相干探测信号模型 97

2.5.2 均匀光束光学天线特性 99

2.5.3 均匀光束艾里斑光学天线特性 101

2.5.4 高斯光束艾里斑光学天线特性 105

2.6 光机扫描系统 112

2.6.1 光机扫描概述 112

2.6.2 平面摆镜扫描 114

2.6.3 旋转多面体的反射棱柱扫描 120

2.6.4 旋转折射光楔扫描 125

2.6.5 微机电系统扫描 128

2.6.6 扫描视场滞后效应 135

第3章 激光雷达方程 138

3.1 传递函数 138

3.1.1 线性系统数学模型 139

3.1.2 光学传递函数 142

3.1.3 其他子系统的传递函数 145

3.1.4 系统总调制传递函数 146

3.2 非相干激光雷达方程 147

3.2.1 小角近似光亮度传递方程 148

3.2.2 光学互易定理 151

3.2.3 非相干激光雷达方程的一般形式 154

3.2.4 后向散射非相干激光雷达方程 156

3.3 相干激光雷达方程 160

3.3.1 惠更斯—亥姆霍斯波动方程 161

3.3.2 相干光学系统能量传递方程 164

3.3.3 收发合置相干激光雷达方程 168

3.4 激光雷达的信号回波 170

3.4.1 信号与干扰 170

3.4.2 散射介质中的信号回波 172

3.5 单次后向散射激光雷达方程的计算方法 174

3.5.1 单次后向散射激光雷达探测方法 174

3.5.2 大气光学参数反演算法 176

第4章 目标检测 181

4.1 噪声中的信号检测 181

4.1.1 噪声的统计特性 181

4.1.2 包络检波器 184

4.1.3 检波器与门限判决 185

4.2 虚警概率与检测概率 189

4.2.1 虚警概率 189

4.2.2 检测概率 191

4.3 脉冲积累 193

4.3.1 相干积累 194

4.3.2 非相干积累 196

4.3.3 二进制积累 199

4.4 起伏目标检测 201

4.4.1 门限的选择 202

4.4.2 检测概率的计算 205

4.5 恒虚警率 212

4.5.1 单元平均CFAR（单个脉冲） 213

4.5.2 非相干积累单元平均CFAR 215

第5章 波形与信号处理 217

5.1 波形的类型 217

5.1.1 低通、带通信号和正交分量 217

5.1.2 解析信号 218

5.1.3 连续和脉冲波形 219

5.1.4 线性调频波形 223

5.1.5 相位编码波形 229

5.1.6 波形分辨率和模糊 231

5.2 模糊函数 237

5.2.1 引言 238

5.2.2 典型波形的模糊函数 240

5.2.3 模糊函数等高图 252

5.2.4 数字编码波形 254

5.3 信号处理 263

5.3.1 信号调理 264

5.3.2 模数转换器ADC及量化效应 268

5.3.3 下变频技术 274

5.3.4 脉冲压缩技术 278

参考文献 291

名词索引 294