本书系统介绍了激光雷达的工作原理、技术特点、主要技术指标、分机系统的组成与设计。本书从激光雷达系统探测体制出发，选取了五种典型应用场景中的激光雷达系统作为案例，分别介绍了其功能、性能、组成及工作原理，并选取工程实例重点介绍了系统的设计方法。本书介绍了激光雷达在工程领域的应用及最新进展，将激光雷达的工程设计方法融入其中，可为具有一定研究基础的专业技术人员提供参考，可作为科研院所、大专院校等机构中从事激光雷达研制、生产和设计的工程技术人员的专业参考资料。

张兵，男，汉族，1980年出生，信阳潢川人，研究员级高级工程师，任中国电子科技集团公司第二十七研究所副所长，河南省激光雷达与大功率应用重点实验室主任；哈尔滨工程大学客座教授，《电子学会》电子对抗分会委员。成为xx前沿创新主题专家组、xx网电作战资料情报咨询、xx装备采购评标、xx末端防御专家组、中国电子科技集团公司固态激光器专家组、全国警标委专家组等多领域专家，入选xx装备价格方案评审专家库、郑州市大数据专家库。从事军工研发二十多年，精耕光电系统总体技术与设计领域，具有丰富的工程开发与实践经验，先后担任多个兵种重点型号项目总师，主持空间交会对接激光雷达等国家重大工程任务实施，曾获得多项省部级科技进步一等奖、二等奖。主要研究方向：光电探测及光电对抗。

目 录
第1章 绪论001
1.1 激光雷达的特点与分类002
1.1.1 激光雷达的特点002
1.1.2 激光雷达的分类003
1.2 激光雷达的发展现状004
1.2.1 国外激光雷达的发展现状004
1.2.2 国内激光雷达的发展现状008
1.3 激光雷达的应用009
1.3.1 空间探测激光雷达009
1.3.2 交会对接激光雷达010
1.3.3 大气探测激光雷达010
1.3.4 测风激光雷达010
1.3.5 导航避障激光雷达011
1.3.6 无人驾驶车载激光雷达012
1.3.7 水下探测机载激光系统013
1.3.8 化学/生物战剂探测激光雷达013
1.3.9 制导激光雷达014
1.4 激光雷达的主要技术与性能指标015
1.4.1 技术指标015
1.4.2 环境适应性015
1.4.3 安全等级016
参考文献017
第2章 激光雷达距离方程020
2.1 激光雷达距离方程的基本形式021
2.2 激光雷达距离方程的几种应用形式022
2.2.1 小目标探测激光雷达距离方程022
2.2.2 扩展目标探测激光雷达距离方程022
2.2.3 线目标探测激光雷达距离方程023
2.2.4 合作目标探测激光雷达距离方程023
2.2.5 软目标探测激光雷达距离方程024
2.2.6 单光子探测激光雷达距离方程025
2.2.7 连续波激光雷达距离方程026
2.2.8 激光雷达信噪比方程026
2.3 激光雷达距离方程的主要影响因素027
2.3.1 激光光束特性027
2.3.2 目标特性028
2.3.3 大气衰减特性035
2.3.4 检测能力037
参考文献041
第3章 激光雷达发射机042
3.1 激光雷达发射机的构成与主要功能043
3.2 激光雷达发射机的工作原理043
3.3 激光雷达发射机的总体设计045
3.3.1 光束特性参数045
3.3.2 电光效率049
3.3.3 环境适应性050
3.3.4 热控方式051
3.4 常用的激光雷达光源054
3.4.1 半导体激光器055
3.4.2 半导体泵浦固体激光器057
3.4.3 光纤激光器058
3.4.4 微片级激光雷达光源062
3.5 激光雷达发射机常用调制方法及原理068
3.5.1 电光调制069
3.5.2 声光调制072
3.5.3 磁光调制074
3.5.4 直接调制075
3.5.5 空间光调制器076
3.6 激光雷达发射机波形设计076
3.6.1 振幅调制设计077
3.6.2 频率调制设计077
3.6.3 相位调制设计078
3.6.4 脉冲调制设计079
参考文献081
第4章 激光雷达接收机083
4.1 激光雷达接收机的构成与主要功能084
4.2 激光雷达接收机的体制分类084
4.2.1 直接探测接收084
4.2.2 相干探测接收085
4.3 激光雷达接收机的工作原理086
4.3.1 直接探测接收机的工作原理086
4.3.2 相干探测接收机的工作原理087
4.4 激光雷达接收机的总体设计091
4.4.1 探测器特性参量091
4.4.2 接收系统的特性参量093
4.5 激光雷达接收机的设计096
4.5.1 直接探测接收的设计096
4.5.2 相干探测接收的设计101
参考文献106
第5章 激光雷达光学系统108
5.1 基本概念109
5.1.1 F数或NA109
5.1.2 视场110
5.1.3 空间分辨率110
5.1.4 像差评价111
5.2 激光雷达光学系统的总体设计111
5.3 激光雷达光学结构的基本形式112
5.3.1 准直光学系统112
5.3.2 半导体激光整形发射系统113
5.3.3 变波束发射光学系统115
5.3.4 基于单点探测器的接收光学系统117
5.3.5 基于阵列探测器的接收光学系统117
5.3.6 基于四象限探测器的接收光学系统117
5.3.7 相干光体制接收光学系统118
5.4 激光雷达光束指向控制方式118
5.4.1 振镜扫描119
5.4.2 快速反射镜扫描120
5.4.3 光楔扫描121
5.4.4 MEMS扫描122
5.4.5 转鼓扫描124
5.4.6 条纹管扫描125
5.4.7 相控阵扫描125
5.4.8 相控级联扫描127
5.4.9 典型扫描体制的比较128
5.5 激光雷达光学系统设计的其他内容129
5.5.1 背景光抑制129
5.5.2 杂散光的抑制131
5.5.3 光学增益改变方法132
5.5.4 瞄准望远镜133
参考文献133
第6章 激光雷达信息处理机135
6.1 激光雷达信息处理机的构成与主要功能136
6.2 激光雷达信息处理机的工作原理137
6.2.1 测时原理137
6.2.2 测频原理139
6.2.3 测角原理140
6.2.4 成像原理140
6.2.5 强度测量原理142
6.3 激光雷达信息处理机的设计143
6.3.1 总体设计143
6.3.2 方案设计144
6.4 激光雷达信息处理机的数据处理147
6.4.1 距离信息处理147
6.4.2 频率信息处理154
6.4.3 成像与显示处理158
6.4.4 强度信息处理159
6.5 激光雷达点云处理160
6.5.1 点云滤波161
6.5.2 点云分割162
6.5.3 目标识别163
参考文献164
第7章 交会对接激光雷达166
7.1 交会对接激光雷达概述167
7.1.1 主要特点167
7.1.2 主要应用168
7.1.3 主要功能169
7.1.4 主要性能指标170
7.2 交会对接激光雷达的组成170
7.2.1 合作目标171
7.2.2 激光雷达主机171
7.2.3 系统软件176
7.3 交会对接激光雷达的工作原理177
7.3.1 坐标系定义178
7.3.2 跟踪测量原理179
7.4 交会对接激光雷达的工作方式181
7.4.1 捕获182
7.4.2 跟踪182
7.4.3 扫描成像183
7.4.4 目标切换与识别183
7.5 交会对接激光雷达的系统设计184
7.5.1 安全性184
7.5.2 可靠性185
7.5.3 测量体制188
7.5.4 扫描方式189
7.6 交会对接激光雷达系统的校准与测试191
7.6.1 角度与距离的校准192
7.6.2 角度与距离的测试193
参考文献194
第8章 环境感知激光雷达195
8.1 环境感知激光雷达的特点196
8.1.1 感知对象196
8.1.2 主要应用196
8.1.3 主要功能197
8.1.4 主要性能指标198
8.2 环境感知激光雷达的组成199
8.2.1 系统组成199
8.2.2 激光发射系统200
8.2.3 光学天线200
8.2.4 多通道接收201
8.2.5 数据采集与处理201
8.2.6 图像处理与显示201
8.3 环境感知激光雷达的工作方式202
8.3.1 三维成像探测202
8.3.2 环境信息生成203
8.3.3 障碍物检测204
8.3.4 安全路径规划205
8.4 环境感知激光雷达的设计206
8.4.1 激光波段选择206
8.4.2 高密度成像设计208
8.4.3 高速成像设计209
8.4.4 抗干扰设计211
8.5 环境感知激光雷达的数据处理212
8.5.1 感知范围212
8.5.2 标定214
8.5.3 多激光雷达数据融合216
8.5.4 目标识别219
参考文献220
第9章 测绘激光雷达222
9.1 测绘激光雷达的特点223
9.1.1 主要特点223
9.1.2 主要应用223
9.1.3 主要功能224
9.1.4 主要性能224
9.2 测绘激光雷达的组成225
9.2.1 系统组成225
9.2.2 三维激光扫描仪226
9.2.3 GPS227
9.2.4 GNSS227
9.2.5 照相机228
9.3 测绘激光雷达的工作原理228
9.3.1 坐标系定义228
9.3.2 几何模型229
9.3.3 同步工作原理229
9.4 测绘激光雷达的工作流程231
9.4.1 测绘规划231
9.4.2 多器件标定231
9.4.3 系统标校的原理232
9.4.4 数据采集232
9.4.5 数据处理233
9.5 测绘激光雷达的设计239
9.5.1 机载测绘激光雷达的设计239
9.5.2 车载测绘激光雷达的设计244
9.6 测绘激光雷达的评价247
9.6.1 高程精度的评价247
9.6.2 平面精度的评价247
参考文献248
第10章 测风激光雷达250
10.1 测风激光雷达的特点251
10.1.1 主要特点251
10.1.2 主要应用252
10.1.3 主要功能254
10.1.4 主要性能指标255
10.2 测风激光雷达的组成256
10.2.1 直接探测体制测风激光雷达的组成256
10.2.2 相干探测体制测风激光雷达的组成257
10.3 测风激光雷达的工作原理259
10.3.1 直接探测体制测风激光雷达的工作原理259
10.3.2 相干探测体制测风激光雷达的工作原理263
10.4 测风激光雷达的工作方式265
10.4.1 平面位置测量（PPI模式）265
10.4.2 距离高度测量（RHI模式）266
10.4.3 风廓线测量266
10.4.4 飞机下滑道测量267
10.5 测风激光雷达的设计268
10.5.1 直接探测体制测风激光雷达的设计268
10.5.2 相干探测体制测风激光雷达的设计272
参考文献284
第11章 化学/生物战剂探测激光雷达285
11.1 化学/生物战剂探测装备的功能要求286
11.2 常规的化学/生物战剂探测方法286
11.3 化学/生物战剂探测激光雷达的工作原理和系统组成287
11.3.1 工作原理288
11.3.2 系统组成292
11.4 化学/生物战剂探测激光雷达的主要分系统294
11.4.1 激光器294
11.4.2 光学系统298
11.4.3 激光探测接收301
11.4.4 数据处理与战剂识别304
11.5 化学/生物战剂探测激光雷达的指标体系和主要指标论证305
11.5.1 总体指标306
11.5.2 分系统指标306
11.5.3 主要参数选择308
11.5.4 主要指标论证313
11.6 化学/生物战剂探测激光雷达的应用系统研制313
11.7 化学/生物战剂探测激光雷达的发展方向316
参考文献317
第12章 激光雷达的发展趋势319
12.1 引言320
1