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趙繼廣，杜小平，曾朝陽 著

圖書標籤:

• 調頻連續波激光
• 激光探測
• 科學齣版社
• 光電技術
• 精密測量
• 信號處理
• 雷達技術
• 傳感器技術
• 調頻激光
• 探測技術

店鋪： 墨林閣圖書專營店

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118099331

商品編碼：29754551400

包裝：平裝

齣版時間：2015-04-01

圖書基本信息
圖書名稱	調頻連續波激光探測技術
作者	趙繼廣,杜,曾朝陽
定價	65.00元
齣版社	國防工業齣版社
ISBN	9787118099331
齣版日期	2015-04-01
字數	400000
頁碼	268
版次	1
裝幀	平裝
開本	16開
商品重量	0.4Kg

內容簡介

本書緊密結閤復雜戰場環境對激光探測係統在探測精度、抗乾擾性能方麵的軍事需求，在綜閤分析、比較外相關領域發展的基礎上，將微波雷達中調頻連續波探測技術與激光測距技術相結閤，係統介紹瞭一種新體製激光近距離探測技術--調頻連續波激光探測技術，該技術在近距離具有定距精度高、抗乾擾能力強等優點。

作者簡介

目錄

編輯推薦

文摘

序言

深度解析：調頻連續波激光探測技術——精準測量與高效傳感的新紀元 在精密測量、環境監測、工業自動化以及前沿科學研究等諸多領域，對距離、速度、姿態等物理量的精確獲取和實時掌握，是推動技術進步和效率提升的關鍵。傳統的光學測量方法，如基於反射時間的脈衝激光測距，盡管已廣泛應用，但在一些特定場景下，其精度、分辨率、抗乾擾能力以及對動態目標的捕捉等方麵仍麵臨挑戰。而調頻連續波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）激光探測技術，作為一種新興且極具潛力的測距與測速方法，正以前所未有的姿態，為解決這些難題提供瞭全新的思路與強大的能力。 本文將深入剖析調頻連續波激光探測技術的核心原理，詳述其關鍵組成部分、工作流程、技術優勢，並探討其在不同領域的創新應用。我們將力求以清晰、嚴謹且富有洞察力的方式，展現這項技術如何開啓精準測量與高效傳感的新紀元，為讀者勾勒齣其深遠的影響與廣闊的發展前景。 一、 FMCW激光探測技術的核心原理：解構“頻率”的語言 與傳統脈衝激光通過測量光往返時間來確定距離不同，FMCW激光探測技術的核心在於“頻率”。該技術巧妙地利用瞭激光發射信號頻率隨時間綫性（或近似綫性）變化的特點，將距離信息編碼在接收到的迴波信號與發射信號之間的頻率差中。 具體而言，FMCW係統會發射一束連續波激光，這束激光的頻率會按照預設的規律進行周期性地掃描（通常是嚮上或嚮下綫性變化）。當激光束照射到目標物體並發生反射後，其迴波信號會延遲一段時間後返迴到接收端。由於激光發射頻率在不斷變化，返迴的迴波信號的頻率相對於發射信號在同一時刻的頻率，會存在一個微小的頻率偏移。這個頻率偏移（即“拍頻”）的大小，與激光發射到目標並返迴所經過的時間成正比，而這個時間，又直接反映瞭目標物體的距離。 更進一步，如果目標物體還處於運動狀態，其相對激光的徑嚮速度會引起額外的多普勒頻移。FMCW技術可以將這種多普勒頻移與由距離産生的頻率差區分開來，從而同時測量齣目標的距離和速度。這是FMCW技術相較於傳統脈衝激光測距的一大突齣優勢。 二、 FMCW激光探測係統的關鍵組成與工作流程 一個典型的FMCW激光探測係統通常包含以下幾個核心組成部分： 1. 激光光源（Laser Source）： 作為係統的“心髒”，激光光源負責産生高相乾性、高穩定性的連續波激光。其頻率的精確控製和穩定性是保證測量精度的基礎。常見的選擇包括半導體激光器、光縴激光器等，並常配以壓電陶瓷（PZT）或電光調製器（EOM）實現頻率的快速、精確掃描。 2. 頻率調製單元（Frequency Modulation Unit）： 這是FMCW技術的關鍵技術所在。它負責驅動激光光源按照預定的調製函數（如綫性掃描）進行頻率變化。控製信號的精度和穩定性直接影響瞭掃描的綫性度和重復性，進而影響測量精度。 3. 光束分束器（Beam Splitter）： 將發射齣去的激光束進行分束，一部分作為參考信號（Local Oscillator, LO）直接引入混頻器，另一部分則作為探測信號（Return Signal）通過光學係統發射齣去。 4. 光學發射與接收係統（Optical Transmission and Reception System）： 包括發射鏡頭（用於準直和聚焦發射的激光束）和接收鏡頭（用於收集目標反射迴來的弱光信號）。這些光學元件的設計直接影響瞭係統的作用距離、角度分辨率和信噪比。 5. 混頻器（Mixer/Photodetector）： 這是FMCW係統的“大腦”。它將接收到的目標迴波信號與參考信號進行混閤（通常是通過光電探測器將光信號轉換為電信號，並在電域進行混頻）。混頻的結果會産生一個包含頻率差（即拍頻）的電信號。 6. 信號處理單元（Signal Processing Unit）： 接收到的拍頻信號是原始數據，需要經過專門的信號處理算法提取齣有用的信息。這通常包括： 傅裏葉變換（FFT）： 將時域的拍頻信號轉換為頻域信號，從而清晰地分辨齣不同的頻率分量。每個頻率峰值對應著一個特定距離的目標。 多普勒頻率分析： 通過分析不同掃描周期（例如，嚮上掃描和嚮下掃描）中相同距離目標産生的頻率差，可以提取齣其多普勒頻移，進而計算齣目標的徑嚮速度。 雜波抑製與目標提取： 復雜的算法用於濾除環境中的噪聲、散射光等無效信號，精確識彆齣有效的目標迴波。 FMCW激光探測的工作流程可以概括為： 發射階段： 激光器發齣頻率隨時間綫性（或近似綫性）掃描的連續激光束。 傳播與反射： 激光束照射到目標物體，部分光被反射迴來。 接收與混頻： 迴波信號被接收係統捕獲，並與同一時刻發射的參考信號在混頻器中進行混閤，産生包含拍頻的電信號。 信號處理： 拍頻信號經過傅裏葉變換等處理，得到不同距離目標對應的頻率信息。通過比較不同掃描方嚮的頻率差，進一步計算得到目標的速度。 三、 FMCW激光探測技術的突齣優勢：精準、高效、多維 FMCW激光探測技術之所以備受關注，在於其相對於傳統方法的諸多顯著優勢： 1. 高精度測距： FMCW技術可以通過提高激光頻率掃描的帶寬和速率，以及優化信號處理算法，實現極高的距離分辨率和測量精度，可達微米甚至納米量級。這對於需要精細操作和測量的應用場景至關重要。 2. 同時測距與測速： 這是FMCW技術最核心的競爭力之一。通過引入簡單的雙（或多）頻掃描策略，FMCW係統能夠同時準確地測量齣目標的距離和徑嚮速度，而無需依賴其他額外的傳感器。這極大地簡化瞭係統的設計，並提高瞭信息獲取的效率。 3. 良好的抗乾擾能力： 相較於脈衝激光，FMCW信號的功率譜密度更集中，並且通過混頻技術，可以有效地抑製背景光、散射光等寬帶噪聲的乾擾。同時，通過對目標迴波信號的頻率特徵進行分析，可以更有效地區分真實目標與乾擾源。 4. 緊湊的係統設計： 相較於一些需要長脈衝和復雜時序控製的脈衝激光雷達，FMCW係統通常可以采用更緊湊的光學和電子設計，降低功耗和成本，易於集成到各種平颱中。 5. 對低反射率目標的探測能力： 通過優化光學設計和信號處理算法，FMCW係統可以有效地從低信噪比的環境中提取目標信息，對暗淡或低反射率的目標也能實現可靠的探測。 6. 非相乾測量，簡化處理： 與相乾激光雷達不同，FMCW技術本質上是一種非相乾測量方法，對激光器的相位穩定性要求相對較低，處理更加簡便。 四、 創新應用領域：解鎖無限可能 FMCW激光探測技術的獨特優勢使其在眾多領域展現齣巨大的應用潛力，並不斷催生新的創新應用： 1. 自動駕駛與高級駕駛輔助係統（ADAS）： 在自動駕駛領域，FMCW激光雷達可以提供高精度的周圍環境感知，包括障礙物的精確距離、速度和運動軌跡，從而實現更安全、更可靠的車輛導航和避障。其同時測距測速的能力，對於識彆快速移動的行人、自行車等至關重要。 2. 機器人導航與避障： 機器人需要在復雜的環境中自主導航和避障。FMCW激光雷達能夠提供實時、精確的周圍環境地圖，幫助機器人規劃路徑，避免碰撞，提升其在工業生産、倉儲物流、服務機器人等領域的智能化水平。 3. 工業自動化與智能製造： 在工廠車間，FMCW技術可用於精確的工件定位、尺寸測量、産品質量檢測、物料跟蹤以及自動化裝配。其非接觸式的測量方式，減少瞭對産品的磨損，提高瞭生産效率和産品一緻性。 4. 環境監測與氣象學： FMCW激光雷達可以用於測量大氣中的顆粒物濃度、氣體成分（通過選擇性吸收）、風速、雲層高度等。其高精度和實時性，為環境汙染預警、氣象預測提供重要數據支撐。 5. 測繪地理信息： 在無人機（UAV）或地麵平颱上搭載FMCW激光雷達，可以快速、高精度地獲取地形地貌數據、建築物模型，實現三維測繪，服務於城市規劃、資源勘探、災害評估等領域。 6. 安防監控與智能交通： FMCW激光雷達可用於目標檢測、軌跡跟蹤、速度測量，實現對敏感區域的智能監控，以及對交通流量、車輛行為的精準分析，提升交通管理效率和安全性。 7. 生物醫學與科研： 在生物醫學領域，FMCW技術可用於高精度生物組織成像、形貌測量，以及其他對精度要求極高的科學實驗。 五、 未來展望：持續優化與拓展 盡管FMCW激光探測技術已取得瞭顯著的成就，但其發展仍處於不斷優化和拓展之中。未來的研究方嚮將可能集中在： 更高頻率掃描帶寬與速率： 進一步提升激光器的頻率掃描範圍和速度，以實現更高的測距精度和更快的測量周期。 更先進的信號處理算法： 開發更強大的算法來應對更復雜的環境（如雨、霧、雪等惡劣天氣），以及處理海量數據，提高目標的識彆率和魯棒性。 多模態融閤： 將FMCW技術與其他傳感器（如攝像頭、毫米波雷達）進行融閤，構建更全麵、更可靠的環境感知係統。 小型化與低成本化： 通過集成化設計和新型器件的應用，降低FMCW係統的體積、功耗和成本，使其能夠更廣泛地應用於消費級産品和大規模部署。 新型激光光源與調製技術： 探索更高效、更穩定的激光光源和更靈活的頻率調製方式，以滿足多樣化的應用需求。 結語 調頻連續波（FMCW）激光探測技術，憑藉其獨特的原理和顯著的技術優勢，正在深刻地改變著我們感知和測量世界的方式。它不僅是實現高精度、高效率測量的有力工具，更是推動自動駕駛、機器人、智能製造等前沿領域發展的關鍵技術之一。隨著技術的不斷成熟和應用的日益廣泛，我們有理由相信，FMCW激光探測技術將繼續以前所未有的力量，解鎖更多潛在可能，為人類社會的科技進步和可持續發展貢獻更加強大的動力。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計實在是讓人眼前一亮，拿到手的時候，那種沉甸甸的質感立刻就給人一種專業書籍的厚重感。封麵設計雖然簡潔，但色彩搭配和字體選擇都透露齣一種嚴謹的科學美學，讓人忍不住想立刻翻開一探究竟。內頁的紙張質量也無可挑剔，觸感細膩，印刷清晰，即便是那些復雜的圖錶和公式，也展現齣極高的可讀性。對於需要長時間閱讀和查閱的專業書籍來說，這種對細節的關注是極其重要的，它極大地提升瞭閱讀體驗，讓人在學習過程中感到舒適且專注。裝訂方麵也十分牢固，即便是頻繁翻閱，也不用擔心書頁鬆脫，看得齣齣版社在製作工藝上是下瞭大功夫的。可以說，從物理形態上，這本書就已經為接下來的知識探索做好瞭充分的鋪墊，讓人對其中蘊含的學識充滿瞭期待，單憑這份精良的製作，就足以讓它在同類書籍中脫穎而齣，成為案頭常備的工具書。

評分☆☆☆☆☆

我閱讀這本書的初衷是想係統梳理一下當前光電探測領域的前沿進展，尤其是關於調頻連續波（FMCW）技術的具體應用和數學模型。這本書的結構安排得非常有條理，從基礎的光學原理和信號處理理論講起，逐步深入到核心的調製技術、係統設計和誤差分析。作者似乎非常懂得如何引導讀者，每一個章節之間的邏輯銜接都非常自然流暢，不會讓人感到知識點的跳躍或晦澀。特彆是涉及到一些復雜的算法推導時，作者采用瞭非常清晰的圖解輔助說明，這對於我這種需要將理論與實踐相結閤的工程師來說，簡直是福音。它不僅僅是羅列公式，更在於解釋瞭“為什麼”要用這種方法，以及這種方法在實際應用場景中可能遇到的“瓶頸”在哪裏，這種深層次的剖析，遠超我預期的教科書式的講解深度，讓人感到獲益匪淺，感覺作者是一位真正將實踐經驗融入理論闡述的行傢。

評分☆☆☆☆☆

這本書在探討技術實現細節時，提供瞭一些非常具有參考價值的案例分析，這對於我們進行産品研發環節至關重要。比如，書中詳細對比瞭不同類型調製器在不同環境噪聲下的性能錶現，並且給齣瞭具體的信噪比（SNR）計算模型和優化建議。這些內容不是停留在理論層麵上的“如果”，而是基於實際測試數據的“就是這樣”，這種務實態度非常難得。我尤其欣賞其中關於環境乾擾抑製的部分，作者沒有簡單地提及“濾波”，而是深入分析瞭熱漂移、氣流擾動等實際物理因素如何影響激光波束的穩定性，並給齣瞭針對性的硬件設計和軟件補償方案。這種貼近實際工程問題的深度分析，直接為我們解決瞭幾個月來睏擾團隊的一個關鍵技術難題，可以說，這本書的實際指導意義已經超越瞭一般的理論參考範疇，更像是一位經驗豐富的老前輩在耳邊悉心指導。

評分☆☆☆☆☆

說實話，剛開始接觸這些高精尖的技術名詞時，我的內心是有些忐忑的，擔心內容過於學院派，晦澀難懂。然而，這本書在處理“硬核”內容時展現齣的非凡功力，徹底打消瞭我的顧慮。作者在描述原理時，總能找到一個絕妙的平衡點——既保持瞭科學的嚴謹性，又兼顧瞭讀者的理解需求。例如，在講解激光器頻率掃描的綫性度校正時，書中沒有直接拋齣復雜的矩陣運算，而是先用一個非常直觀的類比來解釋非綫性引入的距離誤差，然後再逐步引入數學模型進行修正。這種層層遞進的敘事方式，極大地降低瞭初學者的入門門檻。我甚至發現，即便是對某些特定模塊不太熟悉的同事，在參考瞭這本書的相應章節後，也能很快掌握其核心思想，這充分證明瞭其作為優秀科普讀物和專業參考書的雙重價值，絕非那種隻適閤少數頂尖專傢纔能讀懂的“天書”。

評分☆☆☆☆☆

從整體閱讀感受來看，這本書的視野非常開闊，它不僅僅聚焦於技術本身，還隱約勾勒齣瞭該技術領域未來的發展趨勢和潛在的應用藍海。在最後的總結部分，作者展望瞭超高分辨率探測、多目標跟蹤以及與人工智能結閤等方嚮的可能性，這極大地激發瞭我的研究興趣和創新思維。閱讀完後，我感覺自己的知識框架被極大地拓寬瞭，不再僅僅局限於已知的技術範疇，而是對整個探測係統的未來迭代方嚮有瞭一個宏觀且深入的把握。這種引導讀者進行前瞻性思考的能力，是很多專業書籍所缺乏的。它成功地將一個看似枯燥的物理探測技術，描繪成瞭一個充滿無限可能的科學前沿領域，讓人讀完後意猶未盡，迫不及待地想要將書中學到的知識應用到實際的創新項目中去，為後續的研究工作指明瞭清晰的方嚮和動力。