激光雷达工作原理

激光雷达工作原理（精选8篇）

激光雷达工作原理 篇1

激光雷达工作原理

激光是 2 0世纪 6 0年代出现的最重大科学技术成就之一。它的出现深化了人们对光的认识 ,扩大了光为人类服务的天地。激光技术从它的问世到现在 ,虽然时间不长 ,但是由于它有着几个极有价值的特点 :高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。

首先明白一下激光雷达，激光雷达是以激光为光源，通过探测激光与被探测无相互作用的光波信号来遥感测量的．使用振动拉曼技术进行测量的激光雷达技术即为拉曼激光雷达，主要用于大气遥感测量。拉曼激光雷达属于遥感技术的一种。激光雷达作为一种主动遥感探测技术和工具已有近50 年的历史，目前广泛用于地球科学和气象学、物理学和天文学、生物学与生态保持、军事等领域。其中，传统意义上的激光雷达主要用于陆地植被监测、激光大气传输、精细气象探测、全球气候预测、海洋环境监测等。随着激光器技术、精细分光技术、光电检测技术和计算机控制技术的飞速发展，激光雷达在遥感探测的高度、空间分辨率、时间上的连续监测和测量精度等方面具有独到的优势。

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。而按照不同功能，则可分为跟踪雷达、运动目标指示雷达、流速测量雷达、风剪切探测雷达、目标识别雷达、成像雷达及振动传感雷达。

激光雷达与无线电雷达的工作原理基本相同，且依赖于所采用的探测技术。其中直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度。

相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送-接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径，分别供发送与接收信号使用，发送-接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。

激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测。

气象雷达是专门用于大气探测的雷达。属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一工作在30～3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1～100公里，所以又称为中层-平流层-对流层雷达(MST radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度等大气动力学参数的铅直分布

美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似，即侧重于对目标的监视、捕获、跟踪、毁伤评（SATKA）和导航。然而，由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导航任务，因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上，例如高精度毁伤评估，极精确的导航修正及高分辨率成像。军事上常常希望飞机低空飞行，但飞机飞行的最低高度受到机上传感器探测小型障碍物能力的限制。且不说阻塞气球线这样的对抗设施，在60米以下，各种动力线，高压线铁塔，桅杆、天线拉线这样的小障碍物也有明显的危险性。现有的飞机传感器，从人眼到雷达，均难以事先发现这些危险物，这种情况，在夜间和恶劣天气条件下尤其突出。而扫描型激光雷达因其具有高的角分辨率，故能实时形成这些障碍物有效的影像，提供适当的预警。

激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量。如对导弹和火箭初始段的跟踪与测量，对飞机和巡航导弹的低仰角跟踪测量，对卫星的精密定轨等。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统，对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光 雷达可以对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。

海用激光雷达对水中目标进行警戒、搜索、定性和跟踪的传统方式，是采用体大而重的一般在600千克至几十吨重的声纳。自从发展了海洋激光雷达，即机载蓝绿激光器发射和接收设备后，海洋水下目标探测既简单方便，又准确无误。尤其是20世纪90 年代以后研制成功的第三代激光雷达上，增加了GPS定位、定高功能，实现了航线和高度的自动控制。如美国诺斯罗普公司研制的“ALARMS”机载水雷探测激光雷达，可24小时工作，能准确测得水下水雷等可疑目标。美国卡曼航天公司研制的水下成像激光雷达，更具优势，可以显示水下目标的形状等特征，准确捕获目标，以便采取应急措施，确保航行安全。

此外，激光雷达还可以广泛用于对抗电子战、反辐射导弹、超低空突防、导弹与炮弹制导以及陆地扫雷等。

参考文献

王保成 张卫华 激光雷达工作原理与气象探测 《现代物理知识》 2001年06期 王德志 激光雷达原理 《科协论坛》 2008年05期

激光雷达工作原理 篇2

关键词：激光雷达,气溶胶,光散射

0 引言

气溶胶在大气中的含量虽然不很高, 但却对大气质量有着很大的影响。气溶胶是悬浮在大气中的固态粒子或液态小滴物质的总称, 云雾、烟尘、霾、轻雾 ( 霭) 、微尘和烟雾等, 都是天然或人为原因形成的大气气溶胶。 随着人类活动和工业排放的增加, 气溶胶数量在不断增加。 气溶胶一般作为水滴和冰晶的凝结核、 太阳辐射的吸收体和散射体, 参与各种化学循环, 是大气的重要组成部分之一。研究气溶胶与云形成和发展的关系、交互模式, 特别是垂直分布关系、间接效应、辐射关系等, 对大气降水、气象预报、气象灾害研究等有重要的科学意义, 近些年来大气气溶胶对全球天气和气候的影响已经被大量的研究, 激光雷达为气溶胶的垂直结构, 成分和动力探测提供了有力的工具。 我市2010 年在大气自动监测梯度站安装了一台米散射微脉冲激光雷达, 来帮助研究大气污染立体观测。

1 激光雷达的原理

激光雷达是一种新型的高技术手段, 它能够大范围快速监测大气环境。其原理是依据大气对激光的各种物理效应, 比如消光/吸收/散射等, 定量分析激光大气回波, 从而进行大气环境探测。 激光具有单色性好、高亮度、大功率、方向性高、相干性强等特点。其中高方向性、高亮度和高脉冲重复率使得激光能够实时的大范围的快速监测大气环境;激光的短脉冲使空间分辨率可达几米;良好的单色性使得激光具有较强的高探测灵敏度。由激光雷达的探测数据可获得大气边界层的结构和时间演变特征、大气气溶胶 ( 飘尘) 消光系数垂直廓线和时间演变特征、云高度及多层云结构、大气能见度等信息, 监控工业烟尘的排放以及研究它们的扩散规律、它对大气环境监测和大气科学研究都有着重要的意义, 具有其它测量手段不可替代的优势。

米散射偏振微脉冲激光雷达的组成部分主要包括:控制和数据处理软件;高速多道计数器和计算机;高灵敏度光电探测器 (CPM) ;发射和接收光学系统;半导体激光泵浦的Nd:YAG脉冲激光器等, 如图1和图2所示。

它的工作原理是将小型半导体泵浦YAG倍频偏振激光器工作时发出的偏振激光输入扩束器进行扩束, 扩束后向天空发射, 激光被大气中的气溶胶所散射, 气溶胶中的球型粒子的后向散射光将不改变激光的偏振方向, 而非球型粒子的后向散射光将改变激光的偏振方向而形成与原激光偏振方向垂直的分量。 来自球型和非球型粒子的后向散射回波信号由接收光学望远镜接收并通过分光棱镜将两个不同偏振方向的光分开, 分别传递到两个探测器;光子计数卡按照光电脉冲信号从空间返回的时序做对位记数和累加处理, 其结果存储到相应的数据存储单元;对采集到的两路信号通过软件对采集到的信号进行计算得出回波的退偏振度, 从而得出非球型粒子的空间分布廓线。 ( 当照射光为偏振光时, 非球形粒子的散射光将不再是完全偏振光, 也就是退偏振。这是基于被不同形状和性质的粒子散射的电磁波具有不同偏振特性的原理。 可以利用其散射电磁辐射的退偏振信息, 探测并区分球型和非球型粒子存在的比例。 偏振特性可以使用退偏比 δ ( Depolarization Ratio) 来衡量。 此外, 也可以将两组信号求合, 得到总的后向散射光强度分布, 因此偏振微脉冲激光雷达也可以完成一般微脉冲激光雷达的功能。 大气探测激光雷达的工作波长在0.1-10um, 可与大气中原子、分子和粒子相互作用而产生回波。

激光雷达方程式为:

式中:P ( z) 为激光雷达接收到的回波信号功率;P0为发射激光束的功率;C为激光雷达的系统常数;z为探测距离;O ( z) 为系统几何重叠因子, β ( z) =βm ( z) +βa ( z) 为大气中某种被探测组分的总后向散射系数;α ( z) =αm ( z) +αa ( z) 为大气总的消光系数。

常用的计算气溶胶消光系数的方法包括斜率法, 近端法、远端法、和Fernald法。水平探测情况下, 一般采取斜率法求解大气气溶胶水平消光系数分布。 对激光雷达方程 ( 1) 作简单变化, 设S ( r) =ln ( r2P ( r) )

对于均匀大气而言, dβ/dr=0, 消光系数可以被表示成雷达对距离的率

对非均匀大气而言, 把探测的路径分割为许多连续的小段, 并假定在每个小段距离内大气是相对均匀的, 这样每一段距离上连续地应用斜率法就可以得到非均匀大气条件下较为合理的消光系数分布结果。

消光系数与可吸入颗粒物浓度的关系可以由两种方式求解, 可以利用能见度传感器与激光雷达加入湿度, 并假设大气均匀, 可吸入微粒物质 ( RSP) 浓度可由下方程求求解。 a, b, c是根据本地能见度和PM10 数据相关性而得到的, 相关性只有效至相对湿度最高92%, 因此, 在高的相对湿度将导致求可吸入微粒物质浓度的演算增加极高的不确定性。 另外雾及降水天气也将使演算增加不确定性。

另外也可以利用消光系数σhom与ρ (PM10) 存在正相关的关系, 将测量点的σhom和实测ρ (PM10) 进行线形拟合可以得到两者的关系。

A, B是根据当地实测数据求得的。

2 激光雷达的应用

激光雷达的应用十分广泛, 我们在环境监测过程中, 主要应用有大气气溶胶垂直分布和时间演变; 非球形粒子与球形粒子的探测区分;大气边界层的结构和时间演变特征;退偏比的时空变化;云顶、云底高度及多层云结构;判定城市内部扬尘和外来飘尘的分布状况; 城市的空气质量进行水平绘图, 实现对颗粒物污染的监测及染源分布状况的判定, 图3 为某地区一时段气溶胶时空演变图, 从图中可以很明显的看到高空到近地面气溶胶随时间的变化过程。

3 EV-lidar激光雷达日常维护

用户在使用前阅读说明, 此说明书详细介绍了EVLIDAR的运输、使用、维护、安全等事项。 用户在操作雷达系统前, 必须认真阅读此手册, 根据TUV安全认证要求, 安全标识必须粘贴于激光雷达光学头和控制单元上, 此目的是提醒操作人员注意, 避免对人员造成伤害。 雷达开启前, 请注意光束路径上不要有任何遮挡物, 否则可能导致探测器损坏。禁止在激光光束通过的区域内放置任何金属反射物或反射镜, 此类物体会使光束发生反射。 激光雷达为光学精密仪器, 搬运过程轻拿轻放, 若远距离运输, 请放置在专用包装箱内。

4 结论

激光雷达的应用十分广泛, 我们在环境监测过程中, 根据气溶胶时空演变绘图, 可以实现对颗粒物污染的监测及染源分布状况的判定, 并进行城市控制质量绘图, 从而进一步研究气溶胶与云形成和发展的关系、 交互模式, 特别是垂直分布关系、间接效应、辐射关系等。随着科研的进步, 偏振米散射微脉冲激光雷达系统将更多的应用在大气降水、气象变化以及气象灾害的研究及预报中, 并且有可能向更多领域延伸。

参考文献

[1]张大毛.扫描式微脉冲激光雷达的研制与应用[J].大气与环境光学学报, 2006, 7.

[2]刘诚.西藏那曲与北京小区对流层气溶胶的维脉冲激光雷达测量[J].光子学报, 2006, 9.

激光雷达工作原理 篇3

雷达的英文名称“Radar”是无线电探测和测距的英文首字母缩写。布鲁克波士称最简单的雷达由发射机和接收器构成，发射机天线朝着一个特定的方向发射无线电信号，接收器负责探测信号行进途中遇到的物体反射的“回声”。发射机的电子电路以一个特定的频率振荡，频率通常高于电台或者电视广播的频率。这种信号借助天线以短电磁能脉冲的形式发送，被称之为“脉冲”，天线产生一个窄射束，就像火炬一样。布鲁克说：“基于天线的朝向，雷达能够确定一个物体——通常被称之为‘目标——的方向。”与目标之间的距离根据发射脉冲和接收回波之间的时间确定。因为雷达信号一直以光速移动，因此能够准确测算出距离。

空中交通管制雷达的射束形状为扇形，水平方向较窄，垂直方向较宽，以对应高空飞行的飞机。这种射束每隔2秒或者3秒扫描一圈，回波显示在圆形显示屏上，被称之为“平面位置指示器”。空中交通管制员或者电脑能够追踪到回波或者说根据屏幕上的光点确定飞机的飞行方向。这种雷达被称之为“初级雷达”。布鲁克指出：“初级雷达很少单独使用，因为空中的飞机实在是太多了。现在，我们还会使用次级雷达。次级雷达的编码脉冲序列发送给飞机，飞机上的异频雷达收发机产生一个编码回应信号，信号中含有与飞机有关的大量信息。这些信息用于进行敌我识别。”

空中交通管制员主要使用次级雷达追踪商业飞机的方位，只有在没有安装异频雷达收发机，收发机关闭或者破损情况下才会使用真正的雷达。布鲁克表示：“几十年前，一名年轻男子驾驶一辆轻型飞机在美国空中飞行，由于空中交通管制员没有关闭初级雷达或者认为只是一群鸟，他们并没有发现这架飞机。”

如果飞机上的异频雷达收发机被人切断，便很难判断空中交通控制中心的初级雷达屏幕上的光点究竟哪一个才是目标飞机。布鲁克说：“这可能就是为什么370航班的异频雷达收发机在管制责任从一个空中交通管制中心移交给另一个中心时关闭。”

布鲁克表示：“绝大多数人可能听过‘不在雷达范围内这句话。这种现象由雷达射束与地面的交互作用所致，导致雷达射束处在地平线上方。如果飞机的飞行高度足够低，射束很难照射到飞机，雷达的探测范围受限。”

此外，雷达还受到距离的限制。雷达进行远距离探测时面临的主要问题是发射和接收信号耗费的电量取决于与飞机之间的距离，距离较远时可达到正常情况下的四次方。布鲁克说：“如果希望将雷达对飞机的探测范围提高一倍，发射和接收信号耗费的电量必须增加16倍。”

通常情况下，用于追踪100公里以上范围内的飞机的雷达耗电量达到数兆瓦特。不过，发射的脉冲较短，通常在1微秒左右，每秒只能发射几百次，平均功率很低。在进行远距离探测时，雷达发射脉冲所能达到的峰值功率达到令人难以接受的程度。这一问题促使科学家进行一系列革新，例如研制相控天线阵。相控天线阵由大量较小的发射机和接收器构成，部署在一个平面上，协同工作并对脉冲进行压缩，允许在产生距离更远功率更大的编码脉冲的同时仍保持较大的探测范围和精确性。

远程雷达发射的信号在大气中穿行时不断减弱，即便在天气晴朗时也是如此，遇到雨天时更严重。信号的波长越大，在大气中穿行时减弱的程度越小，因此，远程雷达都在低频时工作。

布鲁克表示电磁波会从导电物体上反弹，因此使用木料和帆布制造的老式飞机并不会产生很大的雷达回波。使用碳纤维合成材料制造的现代飞机也是这种情况。铝皮飞机是最容易被雷达探测的目标之一。布鲁克说：“飞机的外形也是一个重要因素，使用平板材料制造的金属飞机尖角和边缘通常产生强烈的回波。如果你希望制造一架隐形飞机，你需要采用平板或者小面排列的方式，让接收器接收不到雷达信号。F-117隐形攻击机就是这种隐形技术的典范。”

飞机外形的另一种选择是放弃直角，让机翼与机身融合在一起，消除外部明显特征。布鲁克表示，飞机的外皮使用可吸收雷达信号的材料也是将回波降至最小的一种方式。他说：“B-2隐形轰炸机非常先进，采用了绝大多数隐形技术，所形成的回波只相当于一只大黄蜂。”

激光雷达工作原理 篇4

Xx（鲁东大学 物理学院 09级物理一班 2xxxxxxxxxxxx）

摘要：本文应用惠更斯菲涅耳原理以及平面衍射光栅原理简要的分析了相控阵雷达天线的工作原理，并简要说明了实际相控阵雷达的工作原理及其优点。最后举例说明了相控阵雷达天线的应用。

关键词：相控阵；相位差；天线；

PHased array radar antenna working principle and its applicatio

LuHan

(Lu dong university Physics institute 09 level physics class20092312579)Abstract: this paper applied the huygensI型SAR天线为集中馈电的相控阵（下图）。它工作于C频段，峰值功率为5000W的波导窄片缝隙相控阵天线孔径面积为15m×1.5m, 质量300kg。方位方向上32个数字式铁氧体移相器可灵活地改变天线的波束指向和形状，使RadarsatП的天线阵面采用了T/R组件是一部接受和发射双通道，幅度和相位皆能数字控制的多极化、超分辨成像的固态游园【2】 相控阵微带天线。

Radarsat-I 的天线阵面

五、结束语

相控阵雷达是当今最先进的军事技术之一，在某种程度上来说它影响了当今新军事技术革命的发展方向。虽然存在一些不足之处，但我们有理由坚信：随着科学技术的进步，建立在物理基石上的相控阵雷达将会得到不断的完善。在未来，不论是军事斗争上还是民用事业上，相控阵雷达必定会发挥它不可替代的巨大作用。参考文献：

【1】相控阵雷达技术 张光义、赵玉洁 编著

【2】相控阵雷达天线 束咸荣、何炳发、高铁 著

空间交会激光雷达信息测量技术 篇5

为了测量目标飞行器的位置及速度等信息,提出采用模拟插入脉冲计数法测距,最小二乘曲线拟合微分法测速,四象限(QD)光斑定位法测角.并在MATLAB/SIMULINK环境下,对采用该方法的脉冲激光雷达信息测量系统进行了计算机仿真.结果表明,距离测量精度高,误差小于0.01 m,速度精度也高,误差小于0.02 m/s.采用该测量技术的脉冲激光雷达是可靠的.

作 者：刘长久 杨华军 赖燔 LIU Chang-jiu YANG Hua-jun LAI Fan 作者单位：刘长久,杨华军,LIU Chang-jiu,YANG Hua-jun(电子科技大学,物理电子学院,成都,610054)

赖燔,LAI Fan(西安通信学院,基础部,西安,710106)

雷达原理与应用 篇6

雷达是利用无线电技术进行侦察和测距的设备。它可以发现目标，并可决定其存在的距离及方向。雷达将无线电波送出，然后经远距离目标物的反射，而将此能量送回雷达的记发机。记发机与目标物间的距离，可由无线电波传雷达的目标物，再由目标物回到雷达所需的时间计算出。雷达的基本原理与无线电通讯系统的原理同时被人所发现。赫兹与马可尼两人都曾用超短波试验其反射情形，这也就是所谓雷达回波。赫兹用金属平面及曲面证明，电波的反射完全合乎光的反射定律。同时赫兹度量脉冲的波长及频率，并且计算其速度也发现与光相同，这也就是所谓的电磁辐射。雷达送出短暂的电波讯号的程序，称为脉冲程序。雷达的基本作用原理有些相似于声波的回声。唯一与声波测量距离的不同点，在于雷达系统具有一指示器，指示器中包含有一个与电视收像管相同的观察管。此管可将雷达所发出的脉冲及回波，同时显示于其标有距离的基线上。还有其他指示器，使雷达借天线所搜索的资料，制成一个图，从图上立即可以定出目标物的区域距离及方向。因为雷达的作用完全是借电波的反射原理而成，所以必须用频率在1000兆赫到10 000兆赫的类光微波方行。雷达所发射的电波可借抛物面形的反射器，使其成为极度聚焦的波束，这就像探照灯所射出的光束一样。此波束借旋转天线及抛物体形反射器的精密控制，有系统地对空间进行搜索。当波束从目标物反回来时，天线所指的方向，就表示目标物对天线的水平方位角。以角度为单位所表示的水平方位角，通常都显示于指示器上。为了决定目标物与雷达间的距离，雷达的发射脉冲距接收到回波的时间，必须精确测定。因为雷达电波在空中以每秒约30万公里的光速进行，因此在每微秒的时间内，电波行进约为300米。由于雷达脉冲必须从雷达行至目标物，再由目标物回到雷达，但目标物距雷达的距离，为雷达脉冲总行程的一半。约为每微秒l50米。此时间可利用电子束在阴极射线管的屏幕上，以直线扫描指示出。借电子束，以已知变动率（如以每微秒0.01米）作水平偏向，因此电子束打在萤光屏上所留的痕迹，就形成一个时间标度，或直接用尺，来表示。如雷达天线送出一个1微秒长的脉冲，同时指示器的阴极射线管电子束在屏幕上，以每100微秒0.0254米的变动率开始扫描。再假设雷达脉冲在30000米的距离从一飞机反射回天线。当1微秒长的脉冲离开天线的同时，在雷达指示器的左侧也显示出一个0.025厘米长的主脉冲（发射脉冲）。由天线发射的脉冲，到飞机进行了30000米的距离，需时100微秒，然后反回天线也需100微秒。结果微弱的脉冲回波也显示于指示器上，其与主脉冲之间有5厘米的距离，或指示为200微秒。由于脉冲本身有1微秒的长度，所以量度距离时，必须量度两脉冲的前缘间距离。由于回波信号太弱，所以一个单一回波信号显示于指示器，很难被发现。因此回波信号，必须于每秒内，在指示器上重复显示数次，显示的方法是借电子束随天线扫描的速率（通常天线以每分钟15到20转转动）在指示器上扫描而得。雷达无论在平时及战时，都已被广泛的应用。在二次世界大战时使用雷达的目的，只是为了预知敌机的接近。用于预警网的预警雷达，预警雷达天线都是极大的转动抛物面形反射天线，或静止双极矩阵天线。战时雷达的应用很快就被扩展到地面拦截控制，以及高射炮和探照灯的方向控制等。这些所谓的射击控制雷达不仅能察知敌机的所在，并能自动决定高射炮的发射方向及使其发射。由于雷达可度量其与目标物间的距离，当然也可以从飞机上测量距地面的垂直高度。常用的各种脉冲式雷达就可度量一架飞机的高度，供飞行员飞行的参考。然而对很低的高度（低于1000米），因距离太近，脉冲式雷达的回波有与其发射出的主脉冲合并的趋势。因此大多数雷达测高仪都不用脉冲输出，而用等幅调频电波。雷达测高仪的发射天线，送出一垂直无线电波束，此电波的频率连续不断的变化。当信号离开发射天线的瞬间，其信号的频率为某一频率。然后当信号由地反射回到测高仪的接收天线后，因接收机内有一相位鉴别器（或简称为鉴相器），鉴相器可将接收到的回波，与正在发射出的 1 信号频率（或相角）作一比较。因为当回波回到接收天线，已经过了一段时间，当然此时发射天线所发信号的频率，也已改变。利用已知每秒周数的频率偏差，就可决定出电波由发射天线到地，在回到接收天线的时间，因此可计算出飞机距地的高度。关于电波往来所需的时间与相应的高度，事先已经算出，并直接标示在指示器上，所以可以直接从指示器上读出飞机的高度数值。除此之外，雷达还可以用在飞机和船舶的导航，作为某一城市、机场，高山或某一特定点的辨别符号用的雷达指标，都已事先标示于航行图上。

声纳的组成和工作原理

声纳是利用水声传播特性对水中目标进行传感探测的技术设备,用于搜索、测定、识别和跟踪潜艇和其他水中目标,进行水声对抗,水下战术通信、导航和武器制导、保障舰艇、反潜飞机的战术机动和水中武器的使用等。声纳的工作原理是回声探测法。这个方法是在第一次世界大战期间研究出来的。用送入水中的声脉冲探测目标,声脉冲碰到目标就反射回来,返回声源(有所减弱)后被记录下来。如果知道脉冲的往返时间,并且知道超声在水中的传播的速度,就可以很精确地测定出目标的距离。这当然是很有价值的,尤其是在军事上。根据海洋声学的历史记载,意大利物理学家达〃芬奇曾于1490 年写过这样一段话:“如果使船停航,把一根长管的一端插入水中,而另一端贴紧耳朵,则能听到远处的航船。”这实际上是水下被动式声纳设备的雏形。

声纳按其工作方式可分为被动式声纳和主动式声纳,现在的综合声纳兼有以上两种形式。被动式声纳又称为噪声声纳,主要由换能器基阵(由若干个换能器按照一定规律排列组织组合而成)、接火机、显示控制台和电源等组成。当水中、水面目标(潜艇、鱼雷、水面舰艇等)在航行中,其推进器和其他机械运转产生的噪声,通过海水介质传播到声纳换能器基阵时,基阵将声波转换成电信号传送给接收机,经放大处理传送到显示控制台进行显示和提供听测定向。被动式声纳主要搜索来自目标的声波,其特点是隐蔽性、保密性好,识别目标能力强,侦察距离远,但不能侦察静止无声的目标,也不能测出目标距离。

主动式声纳又称回声声纳,主要由换能器基阵、发射机、接收机、收发转换装臵、终端显示设备、系统控制设备和电源组成。在系统控制设备的控制下,发射机产生以某种形式调制的电信号,经过发射换能器变成声信号发送出去当声波信号在传播途中遇到目标时,一部分声能被反射回接收换能器再转换成电信号,送入接收机进行放大处理,根据声信号反射回来的时间和频率的高低来判断目标的方位、距离和速度,在终端显示设备上显示出来。主动声纳可以探测静止无声的目标,并能测出其方位和距离。但主动发射声信号容易被敌方侦听而暴露自己,且探测距离短。

声纳由发射机、换能器、接收机、显示器、定时器、控制器等主要部件构成。发射机制造电信号，经过换能器（一般用压电晶体），把电信号变成声音信号向水中发射。声信号在水中传递时，如果遇到潜艇、水雷、鱼群等目标，就会被反射回来，反射回的声波被换能器接收，又变成电信号，经放大处理，在荧光屏上显示或在耳机中变成声音。根据信号往返时间可以确定目标的距离，根据声调的高低等情况可以判断目标的性质。例如，目标是潜艇，潜艇是钢质外壳，回声不仅清晰，而且还有拖长的回鸣；鱼群的回声则低沉而混乱。目标如果是运动的，那么由于“多普勒效应”，回声的音调应有所变化：音调不断变高，说明目标正向他们靠拢；音调不断变低，说明目标离我们远去了……

声纳可分为两大类：主动声纳和被动声纳。前者像雷达一样，不停地向外发射声信号，根据回波判断目标性质。后者不主动发射信号，只接收目标自己辐射的声音信号。被动声纳因为不发射信号，所以不易被敌人发现，主要用于隐蔽侦察。现代的综合声纳兼有以上两种 2 工作方式。

早期潜艇依靠潜望镜进行观察。但潜望镜只能观察水面上的目标，对水下目标则无能为力，所以，早期潜艇的事故率很高，经常在水下撞上暗礁、水雷和别的潜艇。在第二次大战期间，沉没的德国潜艇有100多艘。

现代潜艇装有多种声纳。例如美国的一种潜艇，装备不同用途的声纳有15种之多。艇上的声纳侦察仪可截获和偷听敌人的声纳信号；敌我识别声纳，专门用对口令的办法判断敌我；通信声纳则用来和自己的舰艇通信；有的声纳负责导航、测距、警戒、探雷、测地貌等等。

有趣的是，潜艇的克星也是声纳。在海中，只有靠声纳才能发现潜艇，因而存在着潜艇声纳与反潜声纳的对抗。

许多国家在军港附近的海区、重要的海峡、主要的航道等处都安装了庞大的声纳换能器基阵，靠岸上的电子计算机控制海底的数以千计的换能器。一旦潜艇来犯，便可及时发现。这种防潜预警系统早在1952年就已建成，现已发展到第五代。其警戒范围可达几百公里。

在大西洋的亚速尔群岛以北，有一个叫“阿发”的水下监视系统。它的换能器安装在几个水下塔台上，排布成三角形，每边长约35公里。这种系统能监听进出直布罗陀海峡的所有潜艇，并能用三角定位法确定潜艇位臵。

除了这种固定的警戒声纳外，探测潜艇还可以用机载声纳进行。一架直升机垂下一根100多米长的电缆，电缆下吊着一部声纳。通过机身的下降或上升，声纳在海水中的深度也随之变化。飞机在海面上飞行时，便可拖着声纳进行大面积探测。据国外报道，这种声纳每小时可以搜索海面1000平方公里。

新型航空声纳是“无线”式的，不需要用电缆和飞机连接。它只有10公斤，反潜飞机将它们投到预定海域内，它们便可漂浮于海上。反潜飞机可以同时投放许多这种漂浮声纳。声纳着水后，其天线伸出水面，水听器沉入水中。水听器把在海底收到的声信号变成电信号，通过天线发射出去。反潜飞机根据收到的信号可以判断潜艇的位臵。

现代水雷也多采用声纳作引信。有一种先进的自动水雷，依靠声纳作自导装臵。当潜艇从附近经过时可以“自动起飞”，搜索并最后击中目标。

雷达 radar

利用微波波段电磁波探测目标的电子设备。雷达是英文radar的音译，意为无线电检测和测距。雷达概念形成于20世纪初，在第二次世界大战前后获得飞速发展。雷达的工作原理，是设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。雷达分为连续波雷达 3 和脉冲雷达两大类。脉冲雷达因容易实现精确测距，且接收回波是在发射脉冲休止期内，所以接收天线和发射天线可用同一副天线，因而在雷达发展中居主要地位。测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。当雷达和目标之间有相对运动时，雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展（如气象预报、资源探测、环境监测等）和科学研究（天体研究、大气物理、电离层结构研究等）。星载和机载合成孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器。其空间分辨力可达几米到几十米，且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面显示了很好的应用潜力。

雷达和声纳有什么区别？

雷达所起的作用和眼睛相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C,差别在于它们各自占据的波段不同。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。

测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。

测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。

测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。

声波是观察和测量的重要手段。有趣的是，英文“sound”一词作为名词是“声”的意思，作为动词就有“探测”的意思，可见声与探测关系之紧密。

在水中进行观察和测量，具有得天独厚条件的只有声波。这是由于其他探测手段的作用距离都很短，光在水中的穿透能力很有限，即使在最清澈的海水中，人们也只能看到十几米到几十米内的物体；电磁波在水中也衰减太快，而且波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米。然而，声波在水中传播的衰减就小得多，在深海声道中爆炸一个几公斤的炸弹，在两万公里外还可以收到信号，低频的声波还可以穿透海底几千米的地层，并且得到地层中的信息。在水中进行测量和观察，至今还没有发现比声波更有效的手段。

声纳与雷达如何进行敌我识别？ 声纳的最基本原理 水声设备

水声设备是根据声波可以在水中以一定的速度（海水1500米/秒；淡水1400米/秒）传播较远距离，而且传播时遇到目标后会反射回来的原理进行工作的。最常见的水声导航、通讯设备有：回声侧深仪、各种类型的声纳等。

声纳是现代大型水面舰艇及潜艇上不可缺少的电子设备之一。声纳的主要功能是：搜索和跟踪水下目标（潜艇、水雷），对目标进行敌我识别，测定水下目标的运动要素，以供反潜武器射击指挥用。其次是水下通讯，探测水雷，探测水下情况保障本舰安全航行。

潜艇最大的特点是它的隐蔽性，作战时需要长时间在水下潜航，这就决定它不能浮出水面使用雷达观察，而只能依靠声纳进行探测，所以声纳在潜艇上的重要性更为突出，被称为潜艇的“耳目”。

声纳的工作原理与雷达相同，可以说是工作在音频或超音频频率上的雷达。声纳站的各个组成部分与雷达站的组成极其相似。

由于声纳工作在超音频频率范围内，它辐射信号的方法与雷达不同，雷达采用金属制成的抛物面天线，而声纳采用水声换能器。

水生换能器是利用晶体（石英或酒石酸钾钠）压电陶瓷（钛酸钡和锆钛酸铅等）的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作的。所谓压电效应，就是把晶体按一定方向切成薄片，并在晶体薄片上施加压力，在它的两端面上会分别产生正电荷和负电荷。反之在晶体博片上施加拉伸力时，它的两个端面上就会产生与加压力时相反的电荷。与压电效应相反时电致伸缩效应，即在晶体的两个端面上施加交变电压，晶体就会产生相应的机械变形。我们利用电致伸缩效应和压电效应来产生和接收超声波。

声纳发射超声波时就把超声波振荡电压加在晶体薄片的两个端面上。于是晶体的厚度就会随着超声波振荡电压而变化，产生超声波震动。晶体震动推动周围的水就产生的超声波的辐射。

超声波传播时遇到目标便产生反射。回波作用在水声换能器的晶体上，由于压电效应水声换能器的两个端面上便可能得到电信号。与雷达天线一样，水声换能器不但要发射和接收超声波信号，而且要有尖锐的方向性，只有这样才能测定目标的方位。声纳设备是利用很多压电晶体组成换能器阵来获得尖锐的方向性的。因此声呐的水声换能器体积较大，一般都安装在舰船艏部的水下部分。

声纳的工作过程可叙述入下：

在发射控制器的控制下，发射机产生大功率超声波脉冲振荡，经收发转换装臵由水声换能器向某一个方向发射超声波。在这个方向上，超声波遇到目标便反射回来，由水声换能器接收，变成电信号。再经收发转换装臵送到接收机放大，最后送到显示器显示目标的方向和距离。

从工作过程看，发射超声波时发射机工作，接收器不必工作；发射结束后，接收机应立即工作，以便接收由最近目标和最远目标反射回来的超声波。显然发射机和接收机时交替工作的。因此利用收发转换装臵可以使接收机和发射机合用一个造价昂贵的水声换能器。

以上述方式，即声呐发射信号，然后接收由目标反射回来的信号工作的称为主动式声呐。另外，还有一种被动工作方式，即只接收目标本身发出的噪声（如螺旋桨所发出的声音等）来判别目标的方向，又称为噪音侧向声纳。这种声纳不因发射声波而被地方捕获，所以被动工作方式对提高潜艇的隐蔽性有着特殊的意义。

声纳的最基本原理

水声设备

水声设备是根据声波可以在水中以一定的速度（海水1500米/秒；淡水1400米/秒）传播较远距离，而且传播时遇到目标后会反射回来的原理进行工作的。最常见的水声导航、通讯设备有：回声侧深仪、各种类型的声纳等。

声纳是现代大型水面舰艇及潜艇上不可缺少的电子设备之一。声纳的主要功能是：搜索和跟踪水下目标（潜艇、水雷），对目标进行敌我识别，测定水下目标的运动要素，以供反潜武器射击指挥用。其次是水下通讯，探测水雷，探测水下情况保障本舰安全航行。

潜艇最大的特点是它的隐蔽性，作战时需要长时间在水下潜航，这就决定它不能浮出水面使用雷达观察，而只能依靠声纳进行探测，所以声纳在潜艇上的重要性更为突出，被称为潜艇的“耳目”。

声纳的工作原理与雷达相同，可以说是工作在音频或超音频频率上的雷达。声纳站的各个组成部分与雷达站的组成极其相似。

由于声纳工作在超音频频率范围内，它辐射信号的方法与雷达不同，雷达采用金属制成的抛物面天线，而声纳采用水声换能器。

水生换能器是利用晶体（石英或酒石酸钾钠）压电陶瓷（钛酸钡和锆钛酸铅等）的压电效应或铁镍合金的磁致伸缩效应来进行工作的。所谓压电效应，就是把晶体按一定方向切成薄片，并在晶体薄片上施加压力，在它的两端面上会分别产生正电荷和负电荷。反之在晶体博片上施加拉伸力时，它的两个端面上就会产生与加压力时相反的电荷。与压电效应相反时电致伸缩效应，即在晶体的两个端面上施加交变电压，晶体就会产生相应的机械变形。我们利用电致伸缩效应和压电效应来产生和接收超声波。

声纳发射超声波时就把超声波振荡电压加在晶体薄片的两个端面上。于是晶体的厚度就会随着超声波振荡电压而变化，产生超声波震动。晶体震动推动周围的水就产生的超声波的辐射。

超声波传播时遇到目标便产生反射。回波作用在水声换能器的晶体上，由于压电效应水声换能器的两个端面上便可能得到电信号。与雷达天线一样，水声换能器不但要发射和接收超声波信号，而且要有尖锐的方向性，只有这样才能测定目标的方位。声纳设备是利用很多压电晶体组成换能器阵来获得尖锐的方向性的。因此声呐的水声换能器体积较大，一般都安装在舰船艏部的水下部分。

声纳的工作过程可叙述如下：

在发射控制器的控制下，发射机产生大功率超声波脉冲振荡，经收发转换装臵由水声换能器向某一个方向发射超声波。在这个方向上，超声波遇到目标便反射回来，由水声换能器接收，变成电信号。再经收发转换装臵送到接收机放大，最后送到显示器显示目标的方向和距离。

从工作过程看，发射超声波时发射机工作，接收器不必工作；发射结束后，接收机应立即工作，以便接收由最近目标和最远目标反射回来的超声波。显然发射机和接收机时交替工作的。因此利用收发转换装臵可以使接收机和发射机合用一个造价昂贵的水声换能器。

以上述方式，即声呐发射信号，然后接收由目标反射回来的信号工作的称为主动式声呐。另外，还有一种被动工作方式，即只接收目标本身发出的噪声（如螺旋桨所发出的声音等）来判别目标的方向，又称为噪音侧向声纳。这种声纳不因发射声波而被地方捕获，所以被动工作方式对提高潜艇的隐蔽性有着特殊的意义。

什么叫声纳?它有什作用和危害?

水下探测使用“声纳”，这是一种利用声音进行侦察的工具。

声纳由发射机、换能器、接收机、显示器、定时器、控制器等主要部件构成。发射机制造电信号，经过换能器（一般用压电晶体），把电信号变成声音信号向水中发射。声信号在水中传递时，如果遇到潜艇、水雷、鱼群等目标，就会被反射回来，反射回的声波被换能器接收，又变成电信号，经放大处理，在荧光屏上显示或在耳机中变成声音。根据信号往返时间可以确定目标的距离，根据声调的高低等情况可以判断目标的性质。例如，目标是潜艇，潜艇是钢质外壳，回声不仅清晰，而且还有拖长的回鸣；鱼群的回声则低沉而混乱。目标如果是运动的，那么由于“多普勒效应”，回声的音调应有所变化：音调不断变高，说明目标正向他们靠拢；音调不断变低，说明目标离我们远去了……

声纳可分为两大类：主动声纳和被动声纳。前者像雷达一样，不停地向外发射声信号，根据回波判断目标性质。后者不主动发射信号，只接收目标自己辐射的声音信号。被动声纳因为不发射信号，所以不易被敌人发现，主要用于隐蔽侦察。现代的综合声纳兼有以上两种工作方式。

早期潜艇依靠潜望镜进行观察。但潜望镜只能观察水面上的目标，对水下目标则无能为力，所以，早期潜艇的事故率很高，经常在水下撞上暗礁、水雷和别的潜艇。在第二次大战期间，沉没的德国潜艇有100多艘。

现代潜艇装有多种声纳。例如美国的一种潜艇，装备不同用途的声纳有15种之多。艇上的 7 声纳侦察仪可截获和偷听敌人的声纳信号；敌我识别声纳，专门用对口令的办法判断敌我；通信声纳则用来和自己的舰艇通信；有的声纳负责导航、测距、警戒、探雷、测地貌等等。

有趣的是，潜艇的克星也是声纳。在海中，只有靠声纳才能发现潜艇，因而存在着潜艇声纳与反潜声纳的对抗。

许多国家在军港附近的海区、重要的海峡、主要的航道等处都安装了庞大的声纳换能器基阵，靠岸上的电子计算机控制海底的数以千计的换能器。一旦潜艇来犯，便可及时发现。这种防潜预警系统早在1952年就已建成，现已发展到第五代。其警戒范围可达几百公里。

在大西洋的亚速尔群岛以北，有一个叫“阿发”的水下监视系统。它的换能器安装在几个水下塔台上，排布成三角形，每边长约35公里。这种系统能监听进出直布罗陀海峡的所有潜艇，并能用三角定位法确定潜艇位臵。

除了这种固定的警戒声纳外，探测潜艇还可以用机载声纳进行。一架直升机垂下一根100多米长的电缆，电缆下吊着一部声纳。通过机身的下降或上升，声纳在海水中的深度也随之变化。飞机在海面上飞行时，便可拖着声纳进行大面积探测。据国外报道，这种声纳每小时可以搜索海面1000平方公里。

新型航空声纳是“无线”式的，不需要用电缆和飞机连接。它只有10公斤，反潜飞机将它们投到预定海域内，它们便可漂浮于海上。反潜飞机可以同时投放许多这种漂浮声纳。声纳着水后，其天线伸出水面，水听器沉入水中。水听器把在海底收到的声信号变成电信号，通过天线发射出去。反潜飞机根据收到的信号可以判断潜艇的位臵。

现代水雷也多采用声纳作引信。有一种先进的自动水雷，依靠声纳作自导装臵。当潜艇从附近经过时可以“自动起飞”，搜索并最后击中目标。

倒车雷达的工作原理：

倒车雷达的主要作用是在倒车时，利用超声波原理，由装臵于车尾保险杠上的探头发送超声波撞击障碍物后反射此声波探头，从而计算出车体与障碍物之间的实际距离，再提示给驾驶者，使停车和倒车更容易、更安全。

倒车雷达系统的组成：1．主机2．显示器3．探头2～8个

倒车雷达产品使用发射和接收一体化超声波探头，采用单片机控制超声波发射，发射的超声波遇到障碍物反射,探头接收反射的超声波送入放大电路进行放大，由单片机进行数据处理，然后送显示器显示障碍物距离和方位。

超声波探头利用压电陶瓷作为换能器件实现超声波的发射和接收。给探头压电陶瓷片施加一定的超音频电信号，压电陶瓷片将电能转换成声能发送超声波。超声波作用于探头压电陶瓷片，压电陶瓷片将声能转换成电信号，微弱的电信号经放大后送电路处理。

PDC（Parking Distance Control）系统的工作原理就是通常是在车的后保险杠或前后保险杠设臵雷达侦测器，用以侦测前后方的障碍物，帮助驾驶员“看到”前后方的障碍物，或停车时与它车的距离，此装臵除了方便停车外更可以保护车身不受刮蹭。PDC是以超音波感应器来侦测出离车最近的障碍物距离，并发出警笛声来警告驾驶者。而警笛声音的控制 8 通常分为两个阶段，当车辆的距离达到某一开始侦测的距离时，警笛声音开始以某一高频的警笛声鸣叫，而当车行至更近的某一距离时，则警笛声改以连续的警笛声，来告知驾驶者。PDC的优点在于驾驶员可以用听觉获得有关障碍物的信息，或它车的距璃。PDC系统主要是协助停车的，所以当达到或超过某一车速时系统功能将会关闭。

三菱电机开发成功车载毫米波雷达MMIC芯片

〖 http:// 2003/06/06 11:17 来源：日经BP社 作者：田野仓保雄 〗

日本三菱电机日前宣布，成功开发出用于车间距离控制系统等的车载毫米波雷达MMIC（单片微波集成电路）芯片组。目前，该芯片组已开始使用于高级车辆，采用电动控制扫描臂取代了此前通过机械性方法左右摆动扫描臂来进行扫描的方式。使用的频带为76GHz。“支持电动臂扫描方式、基于MMIC的76GHz频带芯片组的成功开发，在业界尚属首次”（该公司）。三菱电机在此次开发中，运用了此前在90GHz频带的地球观测卫星毫米波传感器等卫星防卫领域中所形成的MMIC技术。

与机械式相比，电动臂扫描方式可进行高速扫描，并且可确保较高的可信度。例如，扫描速度达到扫描1次仅需1/100万秒。“比如，即使与前行车的相对速度达到150km/小时，进行1次扫描时前行车的移动距离也不会超过1mm”（三菱电机）。

此次开发成功的芯片组共由8枚芯片组成。具体来说，包括用于信息收发天线切换开关的MMIC、5枚用于发送信息的MMIC芯片（76GHz频带放大器、38/76GHz倍频器、38GHz频带放大器、19/38GHz倍频器及19GHz频带放大器）以及2枚接收信息的MMIC芯片（76GHz频带低噪音放大器及用于接收信息的音量调节装臵）。通过组装上述芯片，可构成FMCW（频率调制连续波）及脉冲多普勒等各种方式的毫米波雷达的回路部分。

激光雷达工作原理 篇7

ESRIS准分子激光治疗仪的光路由激光发生器 (Laser) 、第一反射镜、193 nm光栅、高斯镜、聚焦透镜、光斑整形孔、第二反射镜、扫描镜、第三反射镜、手术目镜、固定式红外定位激光、移动式位置定位激光组成。由Laser产生发射出激光经过光纤传导打在45°放置的第一反射镜上, 变线后到达193 nm光栅, 通过光栅的激光因衍射必须经过高斯镜进行能量整合, 使其能量分布符合高斯分布的特性即从镜腔中心到边缘能量递减, 通过聚光透镜汇集激光束, 为确保治疗光束能量充足且分布均匀必须采集位于光束绝对中心的激光, 选择的任务交付给光斑整形孔, 光斑整形孔在完成首次光束采集后再次通过聚光透镜汇集激光束, 纤细的光束在通过高数旋转的互成90°的斜置扫描镜反射出去, 由轰击一个点转变成轰击一个面, 在通过第三反射镜反射聚焦到需要治疗的人体角膜靶面上。

2 故障分析与处理方法

2.1 故障现象:

能量测试完成后做漂移定标发现激光能量光斑变形且无法与显微镜红外线定位重合。

故障分析:考虑是设备光路长时间未做除尘或光路中镜片发生位移, 无法反射出标准能量光斑。

故障处理:清洁ESRIS的光路系统, 步骤如下:

(1) 打开机器电源, 记录激光能量, 高压数值, 氟化氩气压等相关参数。

(2) 按从第一反射镜到三反射镜的顺序, 依次将一反射镜, 高斯镜, 聚焦透镜, 光斑整形孔, 第二反射镜, 聚焦透镜, 光斑整形透镜, 拆下来。

(3) 使用无水酒精和擦镜纸, 清洁第一反射镜, 高斯镜, 聚焦透镜, 光斑整形孔后, 按顺序将它们装好。使用准直工具 (随设备附带) 调整第一反射镜校正光斑位置, 位置调整完毕, 拆下准直工具。

(4) 清洁第二反射镜后, 将它安装在相应位置, 使用准直工具, 调整第二反射镜, 校正光斑位置, 清洁其余的聚焦透镜镜片, 清洁完毕后将它们安装到相应位置。

(5) 使用黑相纸并配合打激光, 调整光斑整形孔, 使光斑呈高斯分布, 即从中心向周围扩散, 并调整第二反射镜, 使激光光斑落和固定激光的光斑重合。

(6) 调整显微镜的位置, 使显微镜的十字中心与光斑中心重合。

反复做能量测试与漂移定标, 发现机器能量稳定数值重复性高, 位移定标每次都一次性通过, 故障排除。

2.2 故障现象:

机器在使用过程当中出现高压百分比数值始终偏高HV达到69%, 多次更换氮气也无法将数值降低, 不能得到手术所需的最佳能量值。

故障分析:该故障虽然依旧可以完成手术, 但对机器内部的主要部件激光头损害较大, 造成HV偏高能量值偏低的主要因素有激光发生器前后反射镜镀膜损坏或出现灰尘或闸流管长时间在高压环境下工作发生老化或变形。

故障处理:拆除Laser前后反射镜, 使用无水酒精和擦镜纸进行清洁保养复位后能量值无明显变化, HV仍在69%徘徊, 更换新的新的闸流管后HV下降到37%, 能量值任意调节到最佳值, 步骤如下:

(1) 拆下机器上的闸流管, 换上新闸流管。

(2) 将两个电极的电压从6.3 V调到7.0 V后通电10 min。

(3) 将两个电极的电压从7.0 V调到6.3 V, 用10 Hz的频率0%的高压打15 min。

(4) 在两电极加上6.3 V的电压, 用15 Hz的频率, 0%的高压打5 min。

(5) 用25 Hz的频率, 0%的高压打5 min。

(6) 再分别在40 Hz, 60 Hz, 90 Hz, 的频率下, 用0%的高压各打5 min。

(7) 分别在130 Hz, 200 Hz的频率下, 用0%的高压各打3 min。

(8) 最后在200 Hz的频率下, 依次提高高压值每次加10%直到45%, (10%, 20%, 30%, 40%, 45%) 每次各打5 min。

激光雷达工作原理 篇8

【关键词】激光雷达；工程测绘；应用 随着上世纪80年代激光机技术的突破，推进了激光技术的进一步发展。激光雷达采取与激光测距器类似的原理和构造进行研制，其工作在由红外到紫外光谱段的探测系统中。由于激光雷达的不断改进，其重复频率快、峰值功率高、体积小、波长范围广，目前已在工程测绘的多个领域得以应用。

1.激光雷达测绘技术概述

激光雷达是在光频波段工作的雷达，且与微波雷达的工作原理相近，利用光频波段的电磁波向目标地点发射探测信号，然后再将接收到的同波信号和发射信号进行比较，进而得知目标的方位、距离、高度等具体位置，以及其运动状态信息，以实现对目标的跟踪、探测和识别。激光测距机是简化的激光雷达形式，在激光测距技术的基础上，实现方位配置、测量俯仰状态、自动跟踪激光目标等，以此构成完整的目标探测与跟踪激光雷达。一般情况下，激光雷达由激光接收机、激光发射机、伺服控制系统、信息处理系统、操控显示终端组成，且激光雷达可根据不同方法进行分类：如果按照发射波形与数据处理的方式，可分为连续波激光雷达、脉冲激光雷达、脉冲压缩激光雷达、脉冲多普激光雷达、动目标显示激光雷达及成像激光雷达等；如果按照安装的平台划分，则分为机载激光雷达、地面激光雷达、航大激光雷达以及舰载激光雷达等；根据完成的不同任务，分为靶场测量激光雷达、火控激光雷达、障碍物回避激光雷达、导弹制导激光雷达、飞机着舰引导激光雷达。

在实际应用中，激光雷达可以单独使用，也可与微波雷达、红外电视、可见光电视、微光电视等组合使用，让系统既能搜索到远距离目标，也可实现目标精密跟踪，在当前工程测绘中应用广泛。

2.激光雷达测绘技术在工程测绘中的应用

2.1础测绘

在基础测绘中，包含数字正射影像、数字线划地图以及数字栅格地图。对于数字正射影像与数字线划地图来说，其生产离不开高精度三维信息的技术支持。例如，数字正射影像就是在精确的地形信息基础上，实现数字微分纠正而获得。由于数字摄影测量工作的程序较复杂，对设计要求与技术路线也非常严格，同时对生产人员提出更高的技能要求。而机载激光雷达技术所提供的地面三维坐标，则可以满足高精度影像微分纠正的要求，让数字正射影像生产更加容易，并不需要数字摄影测量平台，极大降低成本，在一般遥感图像处理系统中就可以实现规模化生产。另外，高精度的激光点云数据，可直观反映地物、植被等三维信息，充分利用这些资源，实现更加精准的判读与测量，提高数据的采集效率与质量。

2.2精密工程的测量

很多精密工程的测量，都涉及到测量目标的采集，并获得三维坐标信息或者三维物体模型，例如在水文测量、建筑测量、沉降测量、电力选线、文物考古、变形测量等行业中。地面激光雷达和机载激光雷达就是解决这类问题的有效方法。利用数码相片获得纹理信息，并与构筑物模型实现叠加，以构建三维模型，可有效实现对景观的规划分析、物体保护、形变测量、规划决策等。例如激光雷达技术在铁路设计、公路设计中提供的高精度地面高程模型，可便于线路的设计与施工方法精确计算。在电力线路设计过程中，利用激光雷达技术的成果数据可以对整个线路有所了解，包括公共区域内的地物、地形等要素；在电路线维护或抢修时，根据电力线路中的激光雷达数据点，以及对应地面裸露点的高程，计算出任意位置线路距离地面的高度，方便维护与抢修；另外，在树木的密集区内，也可利用激光雷达估算出需要砍伐树木的面积与木材量。

2.3数字矿山的构建

数字矿山的建立既满足环境友好型、经济节约型社会需要，也对促进矿山可持续发展具有重要作用。近年来，我国矿业及矿业城市遇到了生存与发展的困境，而矿山生态环境、资源枯竭等问题严重，矿山系统内的功能受到局限，矿山的人力、物力、财力都有所影响。

若想解决这些问题，必须加强对数字矿山的重视。利用激光雷达数据滤波迅速提取矿区内的相关数据，建立起三维虚拟地面模型，并确定建筑物的合理区域，提取建筑物的顶面信息，以重建建筑物模型。建筑物的模型和地面的分层组合建模、匹配融合等，实现塌陷区的生态环境与经济评价，对由于沉陷造成的土地侵蚀与裂缝进行分析，调查沉陷区的建筑物破坏情况，以及检测滑坡地质灾害等。

2.4电力传输与管道布图

在直升机平台上工作的激光雷达系统，最适用于测量传输线路。由于直升机可以沿着电力线或者管道传输的走廊飞行，比固定翼飞机节约成本，并且直升机可以随时根据需要调整高度和速度，以获得更为精准的数据。如果在激光雷达应用平台中同时使用录像机、数字相机及其他传感设备，既可实现激光雷达测量，也可同步进行线路检查及制图工作。

2.5森林工业的应用

机载激光雷达系统最早应用的商业领域即森林工业，由于森林业发展与国土管理都需要森林及其树冠下端地形的准确数据，而传统技术中很难获得树高及树的密度的精确信息。机载激光雷达与卫星成像不同，当利用这种技术勘测树冠下的地形时，还可同时获得树的高度。在对数据的后处理中，独立的激光返回值可分为地面返回值与植被返回值两部分，并以此计算出更多林业相关信息，如树高、材质、树冠覆盖以及生态环境等，这些都是传统摄影测量或者地面测量无法获得的信息内容。

2.6规划城市建设

自从进入21世纪，数字电视已成为各地力争构建的信息化目标。空间信息则成为数字城市的基础平台与框架，也是规划城市建设的重要内容。通过激光雷达测绘技术的应用，可以获得高精度、高分辨率的数字正射影像与数字地面模型，为城市规划与发展提供宝贵的空间信息资源，也是构建数字城市的重要技术支持。

另外，若想构建数字城市，还需要满足可测量、真三维、高精度等要求，具有真实效果的城市三维模型是管理城市的虚拟平台。如果应用传统技术，若想实现城市三维建模，工艺比较复杂，且工作量大、工作效率低，最终效果不理想，对数字城市的服务深度与宽度有所影响。如果利用激光雷达测绘技术，对地面建筑物进行空中激光扫描或者地面多角度激光扫描，则可迅速获得高精度、高密度的三维点坐标，再加上软件的后期处理，即实现点云数据的模型构建与纹理映射，全方位构建城市三维模型，对数字城市建设的基础数据持续性、历史性提供保障。

由上可见，激光雷达测绘技术将成为未来工程测绘的发展方向，具备更多的优势。通过激光雷达测绘技术与其他测量技术的配合使用，将提高工程测绘的效率与质量。但是目前我国在激光雷达的数据处理方面技术尚不成熟，仍需进一步深入研究。

【参考文献】

[1]朱筱茵.基于激光雷达的数字化精密测量技术研究[J].长春理工大学：光学工程，2010.