激光雷达用激光器

激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。目前激光雷达中使用的激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移Nd：YAG激光器、GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。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。其中直接探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（AM），且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可用外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率调制（FM）或混合调制。按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，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。激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，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，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。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，发送与接收信号共同在所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收（T/R）开头隔离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最后高频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含两套望远镜和光学扫描部件，T/R开关自然不再需要，其余部分与单稳系统的相同。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。较早出现的一种激光雷达称为“火池”，它是由美国麻省理工学院的林肯实验室投资，于60年代末研制的。70年代初，林肯实验室演示了火池雷达精确跟踪卫星，获得多普勒影像的能力。80年代进行的实验证明，这种CO2激光雷达可以穿透某些烟雾，识破伪装，远距离捕获空中目标和探测化学战剂。发展到80年代末的火池激光雷达，采用一台高稳定CO2激光振荡器作为信号源，经一台窄带CO2激光放大器放大，其频率则由单边带调制器调制。另有工作于蓝-绿波段的中功率氩离子激光与上述雷达波束复合，用于对目标进行角度跟踪，而雷达波束的功能则是收集距离――多普勒影像，实时处理并加以显示。两束波均由一个孔径为1.2M的望远镜发射并接收。据报道，美国战略防御局和麻省理工学院的研究人员于1990年3月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西洋海岸发射的探空火箭进行了跟踪实验。在二级点火后6分钟，火箭进入亚轨道，即爬升阶段，并抛出其有效负载，即一个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞行器的可充气气球。该气球有气体推进器以提供与再入飞行器和诱饵的物理结构相一致的动力学特性。目标最初由L波段跟踪雷达和X波段成像雷达进行跟踪。并将这些雷达传感器取得的数据交给火池激光雷达，后者成功地获得了距离约800千米处目标的像。[~116966~][~116967~][~116968~][img]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191651_624049_1602049_3.jpg[/img]

[font=宋体][size=14.0000pt]随着人工智能的发展，汽车、机器人和其他机器正在变得越来越智能，归功于一些可以帮助智能机器更加自主地工作和导航的技术发展[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt]来看[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt][font=宋体]激光雷达（[/font]LiDAR）就是自动驾驶变革的关键技术之一[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt]。[/size][/font][align=center][img=,500,333]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/11/201911251522201402_1665_3430007_3.png!w500x333.jpg[/img][/align][font=宋体][size=14pt]LiDAR（激光雷达解决方案）技术采用了先进的计算机视觉和雷达传感器技术，是自动驾驶汽车在行驶过程中避免碰撞和安全行驶的重要组成部分之一。在此之前，该技术仅仅是光成像测距和检测的缩写。但是现在它已经成为下一代汽车技术的代名词了。主要通过向目标物体发射激光束和接收从目标对象上反射回来的激光束来测算目标的位置、速度等特征量，感知车辆周围环境，并形成精度高达厘米级的 3D 环境地图，为下一步的车辆操控建立决策依据。[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt]近几年[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt]智能驾驶产业的繁荣变得炙手可热，有关激光雷达话题的讨论也空前热烈。[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt]同时[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt]越来越多的汽车制造商和半导体厂商涉足智能驾驶和自动驾驶这一领域[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt]，接下来工采网小编和大家一起了解一下激光雷达市场发展如何？[/size][/font][font=宋体][size=14pt][font=宋体]近日，[/font]MarketsandMarkets™ 发布了最新的2024年激光雷达市场的全球预测研究报告，报告指出，激光雷达市场规模预计将从2019年的8.44亿美元增长到2024年的22.73亿美元，2019年-2024年的复合年增长率为18.5％。[/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt][font=宋体]据悉，该报告按照激光雷达的类型（机械、固态）、安装类型、服务（航测、地理信息系统服务）、应用（走廊测绘、环境、工程、[/font]ADAS和无人驾驶汽车）、组件、范围和地理等角度，对激光激光雷达市场进行了全面预测。 [/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt]具体分析如下：[/size][/font][b][font=宋体][size=14pt]按照类型区分[/size][/font][/b][font=宋体][size=14.0000pt][font=宋体]，固体激光雷达预计在[/font]2019年至2024年之间达到更高的复合年增长率。固态激光雷达市场的高复合年增长率归因于激光雷达在汽车和机器人行业的应用范围不断扩大。传统的激光雷达系统依赖于机械运动零件，这些零件必须精确才能获得自主导航所需的精确测量值。固态激光雷达完全建立在硅芯片上，它没有任何运动部件，这使其对振动的抵抗力更强、尺寸更小，从而降低了生产成本并实现了大批量制造。固态设计是在没有电动机械扫描的情况下构建的，预计有望将其用于量产的汽车激光雷达解决方案，也有望应用于自主机器人、无人机和汽车。[/size][/font][b][font=宋体][size=14pt]按照安装类型区分[/size][/font][/b][font=宋体][size=14.0000pt][font=宋体]，地面激光雷达预计在[/font]2019年至2024年之间达到更高的复合年增长率。地面激光雷达系统可以是固定的，也可以是移动的。它们借助三脚架和平衡组件放置在移动平台上，例如运动型多功能车（SUV）或全地形车（ATV），地面激光雷达系统比机载激光雷达系统便宜。汽车领域正在成为移动式地面激光雷达系统的一个应用领域，配备先进驾驶辅助系统（ADAS）的高档车数量每年都在增加，预计这将进一步推动移动式地面激光雷达系统的市场。[/size][/font][b][font=宋体][size=14pt]按照范围区分[/size][/font][/b][font=宋体][size=14.0000pt][font=宋体]，中程激光雷达预计将在[/font]2019年至2024年实现最高复合年增长率。中程激光雷达用于探测200-500米范围内的物体。该激光雷达用于工程、测绘、环境和勘探应用。使用中程激光雷达时，精度和成本效益是首要问题。这些激光雷达传感器用于提供2D和3D实时数据，以便轻松识别200-500m范围内的物体。在工程和建筑应用中使用中程激光雷达的推动下，预计中程激光雷达的市场将以最快速度增长。[/size][/font][b][font=宋体][size=14pt]按区域划分[/size][/font][/b][font=宋体][size=14.0000pt][font=宋体]，在整个预测期内，亚太[/font]LiDAR市场预计将以最高复合年增长率增长。亚太地区的激光雷达市场预计将在预测期内以最高复合年增长率增长。这一市场的增长可归因于基础设施建设的增加、对森林管理的日益重视以及该地区采矿活动的增长导致的测绘业务的增加。随着机载和地面激光雷达系统应用的不断增加，以及该地区测绘活动的日益增多，预计将推动亚太地区对激光雷达的需求。 [/size][/font][font=宋体][size=14.0000pt][font=宋体]总体上来说，激光雷达系统在无人机、工程和建筑应用中的采用率将越来越高；激光雷达在地理信息系统（[/font]GIS）应用中的使用越来越多；4D激光雷达的出现是推动激光雷达市场增长的主要因素。汽车巨头对激光雷达初创公司的投资增加；随着固态、MEMS、闪存激光雷达和其他激光雷达技术的采用，带来了技术转移；利用传感器融合开发更好的地理空间解决方案，为激光雷达市场带来了增长机会。 [/size][/font]

MILS-F31迷你型激光雷达采用时间飞行(TOF)测距原理，结合了光学、电学机械运动学等多学科领域前沿技术，MILS-F31能够实现270°视场角、8米范围内的±3cm的准确测量。MILS-F31是一款工业级别的扫描式迷你型激光雷达，内嵌成熟的避障算法，支持16个区域组的避障设置，可广泛应用于AGV、机器人的避障场合。激光防护等级1级，人眼安全 大视场、准确测量、避障区域可灵活设置 准确温控设计，工作温度范围- 25℃~ + 50℃ 抗强光，性光路设计、多级滤光处理 体积小巧，易装配，适用于多种AGV机型。[img=,690,460]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/06/202306140951318838_9210_5922841_3.jpg!w690x460.jpg[/img]

http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2015/01/201501161459_532530_2972800_3.jpg 对于科幻迷来讲，没有什么比激光弹满天飞的星球大战更令人激动的了。那么，真正的激光弹在飞行过程中是什么样的呢？它真的是五颜六色的吗？为了解开上述困惑，近日，波兰物理化学科学院激光中心研究所和华沙大学物理学院的研究员们合作发明了一款新型便携式激光器，它能产生具有10兆瓦超高能量的长距离飞行激光脉冲，通过观察记录该脉冲在空气中的飞行过程，研究员们揭开了激光导弹不为人知的秘密。 该激光器配有一个特制的多路光学参量放大器（NOPCPA），能产生持续十几飞秒（1飞秒=10-15秒）的激光脉冲，这样的脉冲十分强大，因而能瞬间电离原子，同时产生等离子纤维（丝）。研究人员通过适当选择激光操作参数，平衡脉冲电磁场与等离子体丝间的相互作用，激光光束不但不会在空气中消失，反而能够自聚焦。“值得注意的是，尽管该激光器射出的光线属于近红外范围，但人们看到的却是白色光线。这是因为脉冲与等离子体相互作用时会产生许多不同波长的光，人眼同时接收到这些光就会看到白色光。”尤里巴克博士解释道。研究人员通过将相机与激光器的频率同步来拍摄激光飞行的过程。图中蓝色光是激光，其他颜色都是由脉冲与等离子体相互作用所产生的不同波长的光线。 新型激光器能产生长距离飞行白色激光脉冲的能力让它十分适用于远程监测大气污染的激光雷达上。不同波长的光与空气中的原子和分子相互作用能提供更为丰富的信息。因此，配备新型激光器的激光雷达能检测到更多污染大气的元素和化合物，从而为监测大气污染提供更加全面信息。

[align=center][size=16px][img=高热稳定性法布里-珀罗标准具,600,451]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310041528303739_744_3221506_3.jpg!w690x519.jpg[/img][/size][/align][b][size=16px][color=#990000]摘要：法布里-珀罗标准具作为一种具有高温度敏感性的精密干涉分光器件，在具体应用中对热稳定性具有很高的要求，如温度波动不能超过±0.01℃，为此本文提出了相应的高精度恒温控制解决方案。解决方案具体针对温度控制精度和温度均匀性控制两方面的技术要求，采用了TEC热电技术及其相应的高精度加热制冷恒温装置，采用了多个TEC热电片圆周分布结构以保证温度均匀性。此解决方案在实现高热稳定性的同时，还可以进行推广和拓展应用。[/color][/size][/b][align=center][b][size=16px][color=#990000]=====================[/color][/size][/b][/align][b][size=16px][color=#990000][/color][/size][size=18px][color=#990000]1. 问题的提出[/color][/size][/b][size=16px] 法布里-珀罗标准具（Fabry-Pérot Etalon）是一种应用广泛的高分辨干涉分光仪器，可用于高分辨光谱学和研究波长靠近的谱线，诸如元素的同位素光谱、光谱的超精细结构、光散射时微小的频移、原子移动引起的谱线多普勒位移和谱线内部的结构形状；也可用作高分辨光学滤波器、构造精密波长计，在激光系统中它经常用于腔内压窄谱线或使激光系统单模运行；可作为宽带皮秒激光器中带宽控制以及调谐器件，分析、检测激光中的光谱（纵模、横模）成分。[/size][size=16px] F-P标准具是一种基于多光束干涉原理的光学元件，其主体由镀有对应部分反射膜或高反膜的两个平行表面构成，结构上可分为固体单腔标准具，固体多腔标准具，空气隙标准具，密封腔标准具等。[/size][size=16px] F-P标准具是一种对温度非常敏感的光学器件，温度的微小变化都会引起波长的漂移，因此在实际应用中，大多都要求标准具需有较高的热稳定性，如工作温度波动不能大于±0.01℃，这就对标准具的温度均匀性和稳定性提出了很高要求。[/size][size=16px] 为了实现F-P标准具的高热稳定性，本文提出了相应的解决方案，解决方案的重点是解决温度的均匀性和温度控制的稳定性问题。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案的基本思路是将圆片形式法布里-珀罗标准具装配在一个具有前后光学窗口的恒温装置内，前后光学窗口与标准具为同轴形式构成光路，恒温装置要实现的具体指标如下：[/size][size=16px] （1）温度控制在比室温高5~10℃，如30℃。[/size][size=16px] （2）标准具上的温度波动性优于±0.01℃。[/size][size=16px] （3）标准具上的温度均匀性也要优于±0.01℃。[/size][size=16px] 为了实现略高于室温且波动性小于±0.01的标准具温度控制，解决方案采用了半导体制冷片（即TEC帕尔贴片）作为加热和制冷源，利用TEC片即可加热又可制冷的帕尔贴效应，可将温度精确控制在室温附近的温度范围内。由半导体制冷片组成的加热制冷控制装置如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=01.TEC半导体冷热温度控制装置结构示意图,690,356]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310041530220088_6996_3221506_3.jpg!w690x356.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 TEC半导体冷热温度控制装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，标准具精密温控装置主要由TEC片、温度传感器、TEC电源换向器和超高精度温度控制器组成，它们的功能和相应指标如下：[/size][size=16px] （1）TEC片尺寸可根据标准具温控装置的结构设计进行选择。为了增大加热制冷功率以及使得标准具温度均匀，可采用多个TEC片的并联结构。[/size][size=16px] （2）温度传感器采用具有高精度的铂电阻和热敏电阻，温度测量精度要高于±0.01℃。[/size][size=16px] （3）TEC电源换向器是TEC温控必备部件，可接收控制信号对加热电流方向进行自动换向而分别进行加热和制冷，由此来实现温度的高精度恒定控制。[/size][size=16px] （4）超高精度温度控制器是一种具有目前最高测量和控制精度的工业用PID调节器，具有24位AD、16位DA和0.01%的最小输出百分比。调节器接收温度传感器信号，将此信号与设定温度值比较后按照PID算法计算，然后输出控制信号来驱动TEC电源换向器进行加热和冷却操作。此超高精度温度控制器自带功能强大的计算机软件，无需再编写任何程序即可与计算机构成完整的温控系统，实现温度的程序控制设定、远超操作、过程曲线显示和存储。[/size][size=16px] 为了使标准具具有高热稳定性，除了需要精确恒定的对温度进行控制之外，还需解决的另外一个问题就是如何使标准具温度均匀。为此，本解决方案所设计的标准具加热装置如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=02.高热稳定性F-P标准具TEC热电半导体恒温装置结构示意图,600,296]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310041530510655_9147_3221506_3.jpg!w690x341.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图2 高热稳定性F-P标准具TEC热电半导体恒温装置结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图2所示意的F-P标准具TEC热电半导体恒温装置，主要由F-P标准具、标准具基座、均热器、TEC制冷片、TEC散热器和外部水冷器组成。此恒温装置设计为圆形结构以形成均匀的温度分布，其中标准具安装固定在圆筒型标准具基座内，高导热纯铜材质的均热器为标准具基座提供均匀温度，而三个圆周三角形分布且并联连接的TEC制冷片为均热器提供加热和制冷，使均热器温度按照设定温度进行精密控制。TEC热电片的散热则通过高导热铝块散热器与外部水冷器形成热连接，为TEC热电片提供稳定的冷却功率，这也是实现TEC热电片高精度温度控制的关键。[/size][size=16px] 另外需要说明的是，在均热器上同样均匀布置了三个温度传感器（图2中并未示出），其中一个作为控制传感器，另外两个作为测温传感器以监视温度均匀性。[/size][size=16px] 这里还需补充的是，图2所示结构仅是为了方便说明标准具恒温装置的基本原理和功能，相关的热膨胀匹配和隔热装置等内容并未示出。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，本文所示的解决方案从温度控制精度和均匀性两个方面很好的解决了F-P标准具的热稳定性问题，采用TEC热电技术所设计的标准具恒温装置可将温度精确控制在±0.01℃的波动范围内，对称结构设计使得标准具同时还具有很好的温度均匀性以及长期稳定性。[/size][size=16px] 此解决方案可以推广应用到其它与F-P标准具相关的仪器设备中，而且还具有一定的拓展功能，解决方案的结构设计在实现高热稳定性的同时，也为精密气压控制奠定了技术基础，为了标准具的应用可提供更稳定的使用环境。[/size][size=16px][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]