调频连续波激光探测技术 畅销书籍 正版 赵继广,杜小平,曾朝阳 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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赵继广，杜小平，曾朝阳 著

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• 调频连续波激光
• 激光探测
• 光纤激光器
• 相移测量
• 距离测量
• 气体检测
• 工业测量
• 精密测量
• 赵继广
• 杜小平

店铺： 智胜图书专营店

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118099331

商品编码：29797494628

包装：平装

出版时间：2015-04-01

基本信息

商品名称：	调频连续波激光探测技术 畅销书籍 正版	开本：
作者：	赵继广,杜,曾朝阳	页数：
定价：	65.00元	出版时间：	2015-04-01
ISBN号：	9787118099331	印刷时间：
出版社：	防工业出版社	版次：	1
商品类型：		印次：

插图目录内容提要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。编辑推荐作者介绍

调频连续波激光探测技术：理论、方法与应用 概述 调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW）激光探测技术，作为一项集高精度、高分辨率、非接触式测量于一体的先进传感技术，在现代科学研究和工业应用中占据着举足轻重的地位。它通过发射频率随时间线性调制的连续激光束，并接收目标反射回来的激光信号，进而通过测量激光信号的频率差来精确测定目标的距离、速度甚至形貌。这种技术突破了传统测量方法的局限，在诸如高精度测距、速度测量、三维成像、环境监测、自动驾驶、工业自动化等众多领域展现出巨大的应用潜力。 核心原理 FMCW激光探测技术的核心在于其独特的信号调制方式和精密的信号处理算法。 1. 频率调制： 发射端激光器输出的激光光束，其频率不是恒定的，而是按照一个预设的规律随时间进行线性变化，即“调制”。最常见的调制方式是三角波调制，即激光频率先线性升高（上扫），再线性降低（下扫），周而复始。 2. 回波信号： 当调制激光束照射到目标物体上时，一部分激光会被反射回来，形成回波信号。由于激光在传播到目标并返回的过程中需要一定的时间，而这段时间内激光的发射频率已经发生变化，因此，接收到的回波信号的频率会比当前发射的激光频率低（或者高，取决于频率调制的方向）。 3. 拍频（Beat Frequency）： FMCW探测器将接收到的回波信号与一部分本地参考信号（通常是当前发射激光的一部分）进行混合。这个混合过程会产生一个“拍频”信号，其频率是回波信号频率与参考信号频率之差。 4. 距离与速度的测量： 距离： 在三角波调制的上扫（或下扫）阶段，目标与探测器之间的距离决定了回波信号的频率偏移量。因为频率偏移与传播时间成正比，而传播时间又与距离成正比，所以拍频信号的频率直接反映了目标与探测器之间的距离。假设激光的调制斜率是 $S$，光速是 $c$，那么目标距离 $R$ 可以通过测量拍频频率 $f_{beat}$ 来计算： $$R = frac{c cdot f_{beat}}{2S}$$ 速度： 在连续的三角波调制周期中，如果目标在移动，那么在上扫阶段和下扫阶段，由于多普勒效应，回波信号的频率会产生一个额外的偏移。这个额外的偏移量与目标的径向速度成正比。通过测量上扫和下扫阶段的拍频频率差，可以精确地计算出目标的径向速度 $v$： $$v = frac{c cdot (f_{beat,up} - f_{beat,down})}{4f_0S}$$ 其中 $f_0$ 是激光的中心频率。 关键技术组成 要实现高效、准确的FMCW激光探测，需要集成多个关键技术组件： 1. 激光器： 光源选择： 激光器的选择直接影响到系统的性能。通常需要具备高稳定性、窄线宽、良好的功率可调性以及能够进行快速频率调制的特点。半导体激光器（如DFB激光器）因其体积小、功耗低、易于调制而成为主流选择。 频率调制能力： 激光器的驱动电路和腔体结构需要支持快速、精确的频率扫描。这通常通过改变激光器注入电流或外加电场来实现。 2. 光学系统： 发射光学： 负责将激光束以所需的光束质量聚焦或准直，并将其导向目标。 接收光学： 收集目标反射回来的激光信号，并将其聚焦到探测器上。这包括透镜、反射镜等。 光束合束与分束： 实现将发射光的一部分作为参考信号，与回波信号进行混合，这是FMCW探测的关键。通常使用分束器（Beam Splitter）来完成。 3. 光电探测器： 类型： 需要能够响应激光信号并将其转换为电信号的探测器。常见的光电探测器包括PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。APD因其内部增益效应，对微弱的反射信号有更高的灵敏度，常用于远距离探测。 带宽要求： 探测器的带宽需要足够高，以能够处理高频的拍频信号，从而保证测量精度。 4. 信号处理单元： 模数转换（ADC）： 将探测器输出的模拟电信号转换为数字信号，以便进行后续的计算处理。ADC的采样率和分辨率对测量精度至关重要。 数字信号处理（DSP）/中央处理器（CPU）： 核心的计算部分。通过快速傅里叶变换（FFT）等算法，从拍频信号中提取频率信息，进而计算出距离和速度。 滤波与去噪： 原始回波信号可能包含噪声，需要进行滤波处理以提高信噪比。 算法优化： 针对不同的应用场景，需要开发和优化相应的信号处理算法，以提高测量精度、鲁棒性和抗干扰能力。例如，相位展开算法、杂波抑制算法等。 关键性能指标 FMCW激光探测系统的性能主要体现在以下几个方面： 1. 测量范围（Range）： 系统能够测量的最大距离。这通常受限于激光器的功率、接收光学系统的效率、探测器的灵敏度以及环境噪声水平。 2. 测量精度（Accuracy）： 系统测量值与真实值之间的偏差。精度受到激光器频率稳定性、调制精度、拍频频率测量精度以及信号处理算法的影响。 3. 测量分辨率（Resolution）： 系统能够区分的最小距离差或最小速度差。分辨率受限于系统的工作带宽以及信号处理算法的能力。 4. 测量速度（Update Rate）： 系统每秒能够完成的测量次数。这对于实时性要求高的应用至关重要。 5. 角分辨率（Angular Resolution）： 对于二维或三维成像系统，指系统区分相邻目标的能力，这与光学系统的孔径和激光的波长有关。 6. 鲁棒性（Robustness）： 系统在复杂环境（如光照变化、目标表面特性差异、运动目标等）下的稳定性和可靠性。 技术优势与挑战 优势： 高精度与高分辨率： 相较于传统的时间飞行（Time-of-Flight, ToF）激光雷达，FMCW技术能够实现更高的距离和速度测量精度，尤其在近距离和小速度差测量方面表现突出。 非相干测量： FMCW技术本质上是一种非相干测量技术，这意味着它不易受到目标表面光学特性的影响（如反射率、粗糙度），对各种材质的目标都有较好的测量能力。 直接速度测量： 能够同时获得目标的距离和径向速度信息，这是ToF技术所不具备的。 抗干扰能力： 通过对接收信号的频谱分析，可以有效抑制来自其他激光器或环境光源的干扰。 低功耗与小型化： 随着半导体激光器和集成光电子技术的发展，FMCW系统有望实现低功耗和小型化，易于集成到各种平台。 挑战： 复杂的光学和电子设计： 实现高精度频率调制和拍频信号处理需要精密的器件和复杂的电路设计。 对激光器稳定性要求高： 激光器的频率稳定性直接影响测量精度。 信号处理的计算量： 为了达到高精度，需要复杂的信号处理算法，对计算能力有一定要求。 调制非线性问题： 实际的激光器频率调制可能存在非线性，需要进行补偿。 多目标区分： 在存在多个反射目标的情况下，如何有效地将拍频信号分解并区分不同目标的距离和速度，是一个需要深入研究的问题。 应用领域 FMCW激光探测技术凭借其独特的优势，已经在众多领域展现出广阔的应用前景： 1. 自动驾驶汽车： 提供高精度的前方障碍物距离、相对速度信息，以及周围环境的三维地图构建，提升车辆的安全性和导航能力。 2. 机器人导航与避障： 为机器人提供精确的环境感知能力，使其能够自主导航、识别障碍物并安全避让。 3. 工业自动化与测量： 生产线上的尺寸检测与定位： 实现高精度、非接触式的工件尺寸测量和定位，提高生产效率和产品质量。 设备状态监测： 监测旋转设备（如风扇、涡轮）的转速和振动，进行故障预警。 仓储管理： 测量货架高度、物品位置，优化库存管理。 4. 测绘与地理信息： 无人机（UAV）搭载测绘： 用于地形测绘、地物识别、三维建模等。 地质勘探与监测： 测量地表形变、滑坡监测等。 5. 智能交通系统： 交通流量监测： 实时监测车速、车距，优化交通流。 违章监测： 检测超速等交通违章行为。 6. 环境监测： 风速风向测量： 测量大气中的风速和风向，用于气象预报和环境评估。 污染物扩散监测： 追踪烟尘或气体扩散的轨迹和速度。 7. 安防监控： 入侵检测： 监测特定区域的物体移动，进行异常行为分析。 无人机探测与跟踪： 识别和跟踪潜在的非法无人机。 8. 生物医学： 非接触式生理参数监测： 测量呼吸频率、心率等。 医学影像： 用于某些成像应用。 未来发展趋势 FMCW激光探测技术正处于快速发展阶段，未来的发展趋势主要体现在： 更高精度与分辨率： 通过优化激光器性能、改进调制方案和信号处理算法，进一步提升距离和速度的测量精度。 更宽的测量范围： 研发更高功率的激光器，结合更灵敏的探测器和更高效的光学系统，拓展系统的测量距离。 多功能集成： 将FMCW技术与其他传感技术（如摄像头、惯性传感器）融合，构建更强大的环境感知系统。 小型化与低成本化： 随着MEMS（微机电系统）和集成光电子技术的发展，FMCW传感器有望实现更小的体积和更低的成本，从而推广到更广泛的应用领域。 智能化与自主学习： 引入人工智能算法，使FMCW系统具备更强的自主学习和场景适应能力，实现更智能的物体识别和行为分析。 可见光FMCW： 探索在可见光波段实现FMCW探测，这将为室内导航、人机交互等领域带来新的可能性。 结论 调频连续波（FMCW）激光探测技术以其卓越的测量精度、速度测量能力以及在复杂环境下的鲁棒性，正日益成为现代高精度传感领域的核心技术之一。随着相关理论研究的深入和工程技术的不断进步，FMCW激光探测系统将持续演进，并在自动驾驶、机器人、工业自动化、测绘等诸多关键领域发挥越来越重要的作用，为构建更智能、更安全、更高效的未来社会贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

这本书在处理光纤通信中的损耗和色散问题时，展现了非常深刻的见解。作者没有停留在传统的模型层面，而是深入探讨了非线性效应如何影响长距离传输的信号完整性，尤其是四波混频和自相位调制在密集波分复用系统中的耦合作用。书中对这些复杂现象的数学推导详实而严谨，即便是初次接触这些高级概念的读者，也能通过清晰的图示和逐步的解析逐步理解其物理本质。更令人称道的是，它并没有局限于理论分析，而是紧密结合了最新的实验进展，比如高非线性光纤的应用以及新型光纤的制备技术，这使得书中的知识体系非常具有前瞻性和实用价值。我尤其欣赏其中关于如何通过优化泵浦功率和调制格式来抑制信道间串扰的部分，这无疑为正在从事高速率光传输系统设计的人员提供了宝贵的参考蓝图。整体来说，这本书的深度和广度都远远超出了我的预期，它不仅是一本教材，更像是一本高级研究手册。

评分☆☆☆☆☆

我对这本书中关于量子光学基础的阐述感到非常满意，它以一种非常直观且易于接受的方式介绍了光子的偏振态、角动量以及光场与物质相互作用的基本原理。作者在讲解贝尔不等式和量子隐形传态等前沿话题时，巧妙地运用了类比和历史发展脉络，使得这些看似深奥的物理概念不再高不可攀。书中对相干态、压缩态这些非经典光态的描述尤为精彩，清晰地展示了它们在提高测量精度方面的巨大潜力。对于那些希望从经典电磁学过渡到量子电动力学框架的读者而言，这本书无疑是极佳的桥梁。此外，书中对光场测量技术，特别是单光子探测器的性能指标和局限性的讨论，非常贴合当前实验物理的研究热点。我个人认为，这本书在建立读者对量子信息领域直觉理解方面，做得比许多同类型的教科书更为出色，真正做到了理论与实际应用的完美结合。

评分☆☆☆☆☆

我发现这本书在描述激光与材料相互作用的非热效应方面，提供了极其详尽的机制分析。它没有过多纠缠于传统的吸收和散射理论，而是集中火力探讨了飞秒激光在超快时间尺度上对半导体和金属表面进行微纳加工的物理过程。书中对电子-声子耦合、载流子弛豫时间和非线性电离过程的动力学模型进行了深入的探讨，这对于理解激光诱导的烧蚀阈值和等离子体产生有着关键作用。作者通过大量实验数据的对比和分析，验证了这些复杂模型在实际应用中的有效性。令我印象深刻的是，书中关于激光诱导击穿光谱（LIBS）的原理及其在元素分析中的应用，提供了详细的光谱信号采集、处理和定量分析的实用指南。对于从事材料改性、精密加工或激光安全领域的研究人员来说，这本书提供的深度见解是无价的，它真正挖掘了超快激光技术背后的物理精髓。

评分☆☆☆☆☆

这本关于先进微纳光学器件设计与制造的专著，无疑是该领域的一部里程碑式的作品。作者对表面等离子体共振（SPR）和局域表面等离子体共振（LSPR）的理论基础进行了细致入微的剖析，并详细展示了如何利用这些效应来设计高灵敏度的生物传感器。书中的仿真和建模部分非常详尽，特别是对有限元方法（FEM）在求解麦克斯韦方程组时的具体应用步骤，提供了丰富的案例和代码片段，这对于初学者快速上手仿真软件至关重要。我特别关注了书中关于超材料（Metamaterials）在控制电磁波方面的新进展，作者不仅介绍了负折射率材料的设计思路，还探讨了其在隐身斗篷和完美透镜等概念性器件中的潜在应用，这部分内容极大地拓宽了我的思路。整本书的结构布局严谨，逻辑清晰，对于从事集成光学和光子芯片研发的工程师来说，绝对是案头必备的工具书。

评分☆☆☆☆☆

这本书对大气湍流中光束传输特性的研究，可谓是集大成者。它系统地梳理了经典的相干光束模型，如高斯光束，并在湍流介质中逐步引入修正因子，解释了光斑漂移、闪烁和波前畸变等现象的统计规律。作者在处理复振幅的空间和时间自相关函数时，采用了严谨的随机过程理论，这使得对接收端信号噪声比（SNR）的预测具有很高的准确性。我特别喜欢它对比了不同补偿技术（如自适应光学系统）的性能指标，特别是对波前畸变的实时校正算法的性能评估，非常具有操作指导意义。对于从事自由空间光通信或激光雷达系统设计的人员而言，书中关于大气折射率谱模型（如科尔莫戈罗夫模型）的详细介绍和参数选择指南，是构建可靠链路预算的基础。这本书的叙述风格沉稳而专业，对细节的把握达到了教科书级别的高标准。