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赵继广，杜小平，曾朝阳 著

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• 光电技术
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出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118099331

商品编码：29754551400

包装：平装

出版时间：2015-04-01

图书基本信息
图书名称	调频连续波激光探测技术
作者	赵继广,杜,曾朝阳
定价	65.00元
出版社	国防工业出版社
ISBN	9787118099331
出版日期	2015-04-01
字数	400000
页码	268
版次	1
装帧	平装
开本	16开
商品重量	0.4Kg

内容简介

本书紧密结合复杂战场环境对激光探测系统在探测精度、抗干扰性能方面的军事需求，在综合分析、比较外相关领域发展的基础上，将微波雷达中调频连续波探测技术与激光测距技术相结合，系统介绍了一种新体制激光近距离探测技术--调频连续波激光探测技术，该技术在近距离具有定距精度高、抗干扰能力强等优点。

作者简介

目录

编辑推荐

文摘

序言

深度解析：调频连续波激光探测技术——精准测量与高效传感的新纪元 在精密测量、环境监测、工业自动化以及前沿科学研究等诸多领域，对距离、速度、姿态等物理量的精确获取和实时掌握，是推动技术进步和效率提升的关键。传统的光学测量方法，如基于反射时间的脉冲激光测距，尽管已广泛应用，但在一些特定场景下，其精度、分辨率、抗干扰能力以及对动态目标的捕捉等方面仍面临挑战。而调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）激光探测技术，作为一种新兴且极具潜力的测距与测速方法，正以前所未有的姿态，为解决这些难题提供了全新的思路与强大的能力。 本文将深入剖析调频连续波激光探测技术的核心原理，详述其关键组成部分、工作流程、技术优势，并探讨其在不同领域的创新应用。我们将力求以清晰、严谨且富有洞察力的方式，展现这项技术如何开启精准测量与高效传感的新纪元，为读者勾勒出其深远的影响与广阔的发展前景。 一、 FMCW激光探测技术的核心原理：解构“频率”的语言 与传统脉冲激光通过测量光往返时间来确定距离不同，FMCW激光探测技术的核心在于“频率”。该技术巧妙地利用了激光发射信号频率随时间线性（或近似线性）变化的特点，将距离信息编码在接收到的回波信号与发射信号之间的频率差中。 具体而言，FMCW系统会发射一束连续波激光，这束激光的频率会按照预设的规律进行周期性地扫描（通常是向上或向下线性变化）。当激光束照射到目标物体并发生反射后，其回波信号会延迟一段时间后返回到接收端。由于激光发射频率在不断变化，返回的回波信号的频率相对于发射信号在同一时刻的频率，会存在一个微小的频率偏移。这个频率偏移（即“拍频”）的大小，与激光发射到目标并返回所经过的时间成正比，而这个时间，又直接反映了目标物体的距离。 更进一步，如果目标物体还处于运动状态，其相对激光的径向速度会引起额外的多普勒频移。FMCW技术可以将这种多普勒频移与由距离产生的频率差区分开来，从而同时测量出目标的距离和速度。这是FMCW技术相较于传统脉冲激光测距的一大突出优势。 二、 FMCW激光探测系统的关键组成与工作流程 一个典型的FMCW激光探测系统通常包含以下几个核心组成部分： 1. 激光光源（Laser Source）： 作为系统的“心脏”，激光光源负责产生高相干性、高稳定性的连续波激光。其频率的精确控制和稳定性是保证测量精度的基础。常见的选择包括半导体激光器、光纤激光器等，并常配以压电陶瓷（PZT）或电光调制器（EOM）实现频率的快速、精确扫描。 2. 频率调制单元（Frequency Modulation Unit）： 这是FMCW技术的关键技术所在。它负责驱动激光光源按照预定的调制函数（如线性扫描）进行频率变化。控制信号的精度和稳定性直接影响了扫描的线性度和重复性，进而影响测量精度。 3. 光束分束器（Beam Splitter）： 将发射出去的激光束进行分束，一部分作为参考信号（Local Oscillator, LO）直接引入混频器，另一部分则作为探测信号（Return Signal）通过光学系统发射出去。 4. 光学发射与接收系统（Optical Transmission and Reception System）： 包括发射镜头（用于准直和聚焦发射的激光束）和接收镜头（用于收集目标反射回来的弱光信号）。这些光学元件的设计直接影响了系统的作用距离、角度分辨率和信噪比。 5. 混频器（Mixer/Photodetector）： 这是FMCW系统的“大脑”。它将接收到的目标回波信号与参考信号进行混合（通常是通过光电探测器将光信号转换为电信号，并在电域进行混频）。混频的结果会产生一个包含频率差（即拍频）的电信号。 6. 信号处理单元（Signal Processing Unit）： 接收到的拍频信号是原始数据，需要经过专门的信号处理算法提取出有用的信息。这通常包括： 傅里叶变换（FFT）： 将时域的拍频信号转换为频域信号，从而清晰地分辨出不同的频率分量。每个频率峰值对应着一个特定距离的目标。 多普勒频率分析： 通过分析不同扫描周期（例如，向上扫描和向下扫描）中相同距离目标产生的频率差，可以提取出其多普勒频移，进而计算出目标的径向速度。 杂波抑制与目标提取： 复杂的算法用于滤除环境中的噪声、散射光等无效信号，精确识别出有效的目标回波。 FMCW激光探测的工作流程可以概括为： 发射阶段： 激光器发出频率随时间线性（或近似线性）扫描的连续激光束。 传播与反射： 激光束照射到目标物体，部分光被反射回来。 接收与混频： 回波信号被接收系统捕获，并与同一时刻发射的参考信号在混频器中进行混合，产生包含拍频的电信号。 信号处理： 拍频信号经过傅里叶变换等处理，得到不同距离目标对应的频率信息。通过比较不同扫描方向的频率差，进一步计算得到目标的速度。 三、 FMCW激光探测技术的突出优势：精准、高效、多维 FMCW激光探测技术之所以备受关注，在于其相对于传统方法的诸多显著优势： 1. 高精度测距： FMCW技术可以通过提高激光频率扫描的带宽和速率，以及优化信号处理算法，实现极高的距离分辨率和测量精度，可达微米甚至纳米量级。这对于需要精细操作和测量的应用场景至关重要。 2. 同时测距与测速： 这是FMCW技术最核心的竞争力之一。通过引入简单的双（或多）频扫描策略，FMCW系统能够同时准确地测量出目标的距离和径向速度，而无需依赖其他额外的传感器。这极大地简化了系统的设计，并提高了信息获取的效率。 3. 良好的抗干扰能力： 相较于脉冲激光，FMCW信号的功率谱密度更集中，并且通过混频技术，可以有效地抑制背景光、散射光等宽带噪声的干扰。同时，通过对目标回波信号的频率特征进行分析，可以更有效地区分真实目标与干扰源。 4. 紧凑的系统设计： 相较于一些需要长脉冲和复杂时序控制的脉冲激光雷达，FMCW系统通常可以采用更紧凑的光学和电子设计，降低功耗和成本，易于集成到各种平台中。 5. 对低反射率目标的探测能力： 通过优化光学设计和信号处理算法，FMCW系统可以有效地从低信噪比的环境中提取目标信息，对暗淡或低反射率的目标也能实现可靠的探测。 6. 非相干测量，简化处理： 与相干激光雷达不同，FMCW技术本质上是一种非相干测量方法，对激光器的相位稳定性要求相对较低，处理更加简便。 四、 创新应用领域：解锁无限可能 FMCW激光探测技术的独特优势使其在众多领域展现出巨大的应用潜力，并不断催生新的创新应用： 1. 自动驾驶与高级驾驶辅助系统（ADAS）： 在自动驾驶领域，FMCW激光雷达可以提供高精度的周围环境感知，包括障碍物的精确距离、速度和运动轨迹，从而实现更安全、更可靠的车辆导航和避障。其同时测距测速的能力，对于识别快速移动的行人、自行车等至关重要。 2. 机器人导航与避障： 机器人需要在复杂的环境中自主导航和避障。FMCW激光雷达能够提供实时、精确的周围环境地图，帮助机器人规划路径，避免碰撞，提升其在工业生产、仓储物流、服务机器人等领域的智能化水平。 3. 工业自动化与智能制造： 在工厂车间，FMCW技术可用于精确的工件定位、尺寸测量、产品质量检测、物料跟踪以及自动化装配。其非接触式的测量方式，减少了对产品的磨损，提高了生产效率和产品一致性。 4. 环境监测与气象学： FMCW激光雷达可以用于测量大气中的颗粒物浓度、气体成分（通过选择性吸收）、风速、云层高度等。其高精度和实时性，为环境污染预警、气象预测提供重要数据支撑。 5. 测绘地理信息： 在无人机（UAV）或地面平台上搭载FMCW激光雷达，可以快速、高精度地获取地形地貌数据、建筑物模型，实现三维测绘，服务于城市规划、资源勘探、灾害评估等领域。 6. 安防监控与智能交通： FMCW激光雷达可用于目标检测、轨迹跟踪、速度测量，实现对敏感区域的智能监控，以及对交通流量、车辆行为的精准分析，提升交通管理效率和安全性。 7. 生物医学与科研： 在生物医学领域，FMCW技术可用于高精度生物组织成像、形貌测量，以及其他对精度要求极高的科学实验。 五、 未来展望：持续优化与拓展 尽管FMCW激光探测技术已取得了显著的成就，但其发展仍处于不断优化和拓展之中。未来的研究方向将可能集中在： 更高频率扫描带宽与速率： 进一步提升激光器的频率扫描范围和速度，以实现更高的测距精度和更快的测量周期。 更先进的信号处理算法： 开发更强大的算法来应对更复杂的环境（如雨、雾、雪等恶劣天气），以及处理海量数据，提高目标的识别率和鲁棒性。 多模态融合： 将FMCW技术与其他传感器（如摄像头、毫米波雷达）进行融合，构建更全面、更可靠的环境感知系统。 小型化与低成本化： 通过集成化设计和新型器件的应用，降低FMCW系统的体积、功耗和成本，使其能够更广泛地应用于消费级产品和大规模部署。 新型激光光源与调制技术： 探索更高效、更稳定的激光光源和更灵活的频率调制方式，以满足多样化的应用需求。 结语 调频连续波（FMCW）激光探测技术，凭借其独特的原理和显著的技术优势，正在深刻地改变着我们感知和测量世界的方式。它不仅是实现高精度、高效率测量的有力工具，更是推动自动驾驶、机器人、智能制造等前沿领域发展的关键技术之一。随着技术的不断成熟和应用的日益广泛，我们有理由相信，FMCW激光探测技术将继续以前所未有的力量，解锁更多潜在可能，为人类社会的科技进步和可持续发展贡献更加强大的动力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计实在是让人眼前一亮，拿到手的时候，那种沉甸甸的质感立刻就给人一种专业书籍的厚重感。封面设计虽然简洁，但色彩搭配和字体选择都透露出一种严谨的科学美学，让人忍不住想立刻翻开一探究竟。内页的纸张质量也无可挑剔，触感细腻，印刷清晰，即便是那些复杂的图表和公式，也展现出极高的可读性。对于需要长时间阅读和查阅的专业书籍来说，这种对细节的关注是极其重要的，它极大地提升了阅读体验，让人在学习过程中感到舒适且专注。装订方面也十分牢固，即便是频繁翻阅，也不用担心书页松脱，看得出出版社在制作工艺上是下了大功夫的。可以说，从物理形态上，这本书就已经为接下来的知识探索做好了充分的铺垫，让人对其中蕴含的学识充满了期待，单凭这份精良的制作，就足以让它在同类书籍中脱颖而出，成为案头常备的工具书。

评分☆☆☆☆☆

从整体阅读感受来看，这本书的视野非常开阔，它不仅仅聚焦于技术本身，还隐约勾勒出了该技术领域未来的发展趋势和潜在的应用蓝海。在最后的总结部分，作者展望了超高分辨率探测、多目标跟踪以及与人工智能结合等方向的可能性，这极大地激发了我的研究兴趣和创新思维。阅读完后，我感觉自己的知识框架被极大地拓宽了，不再仅仅局限于已知的技术范畴，而是对整个探测系统的未来迭代方向有了一个宏观且深入的把握。这种引导读者进行前瞻性思考的能力，是很多专业书籍所缺乏的。它成功地将一个看似枯燥的物理探测技术，描绘成了一个充满无限可能的科学前沿领域，让人读完后意犹未尽，迫不及待地想要将书中学到的知识应用到实际的创新项目中去，为后续的研究工作指明了清晰的方向和动力。

评分☆☆☆☆☆

我阅读这本书的初衷是想系统梳理一下当前光电探测领域的前沿进展，尤其是关于调频连续波（FMCW）技术的具体应用和数学模型。这本书的结构安排得非常有条理，从基础的光学原理和信号处理理论讲起，逐步深入到核心的调制技术、系统设计和误差分析。作者似乎非常懂得如何引导读者，每一个章节之间的逻辑衔接都非常自然流畅，不会让人感到知识点的跳跃或晦涩。特别是涉及到一些复杂的算法推导时，作者采用了非常清晰的图解辅助说明，这对于我这种需要将理论与实践相结合的工程师来说，简直是福音。它不仅仅是罗列公式，更在于解释了“为什么”要用这种方法，以及这种方法在实际应用场景中可能遇到的“瓶颈”在哪里，这种深层次的剖析，远超我预期的教科书式的讲解深度，让人感到获益匪浅，感觉作者是一位真正将实践经验融入理论阐述的行家。

评分☆☆☆☆☆

说实话，刚开始接触这些高精尖的技术名词时，我的内心是有些忐忑的，担心内容过于学院派，晦涩难懂。然而，这本书在处理“硬核”内容时展现出的非凡功力，彻底打消了我的顾虑。作者在描述原理时，总能找到一个绝妙的平衡点——既保持了科学的严谨性，又兼顾了读者的理解需求。例如，在讲解激光器频率扫描的线性度校正时，书中没有直接抛出复杂的矩阵运算，而是先用一个非常直观的类比来解释非线性引入的距离误差，然后再逐步引入数学模型进行修正。这种层层递进的叙事方式，极大地降低了初学者的入门门槛。我甚至发现，即便是对某些特定模块不太熟悉的同事，在参考了这本书的相应章节后，也能很快掌握其核心思想，这充分证明了其作为优秀科普读物和专业参考书的双重价值，绝非那种只适合少数顶尖专家才能读懂的“天书”。

评分☆☆☆☆☆

这本书在探讨技术实现细节时，提供了一些非常具有参考价值的案例分析，这对于我们进行产品研发环节至关重要。比如，书中详细对比了不同类型调制器在不同环境噪声下的性能表现，并且给出了具体的信噪比（SNR）计算模型和优化建议。这些内容不是停留在理论层面上的“如果”，而是基于实际测试数据的“就是这样”，这种务实态度非常难得。我尤其欣赏其中关于环境干扰抑制的部分，作者没有简单地提及“滤波”，而是深入分析了热漂移、气流扰动等实际物理因素如何影响激光波束的稳定性，并给出了针对性的硬件设计和软件补偿方案。这种贴近实际工程问题的深度分析，直接为我们解决了几个月来困扰团队的一个关键技术难题，可以说，这本书的实际指导意义已经超越了一般的理论参考范畴，更像是一位经验丰富的老前辈在耳边悉心指导。