《激光传感器》课件.ppt

*************************************航空航天领域中的应用对接导航激光雷达系统为航天器提供相对位置和姿态信息，实现精确对接。国际空间站与访问飞行器的对接过程中，激光导航系统起到关键作用，确保对接过程的安全性和可靠性。这种高精度的导航系统能够在太空环境中稳定工作，适应极端温度变化。结构健康监测基于光纤布拉格光栅（FBG）的激光传感网络可以监测航空航天器结构的应变、温度和振动等参数，评估结构健康状态。这种分布式监测系统能够实时捕捉微小的结构变化，预警潜在的安全隐患，延长飞行器使用寿命，减少维护成本。大气和地球观测卫星搭载的激光雷达系统可以对大气成分、云层分布、气溶胶特性等进行全球范围的监测。NASA的CALIPSO卫星利用激光技术观测云和气溶胶，为气候变化研究提供关键数据。这些观测数据有助于改进天气预报模型和理解全球气候变化机制。第六章：激光雷达技术基本原理了解激光雷达的测距机制与工作模式1系统组成掌握激光雷达的核心硬件与软件部分扫描方式探索不同扫描技术的特点与适用场景数据处理学习点云数据的获取、处理与分析方法应用实例研究激光雷达在测绘与自动驾驶中的应用激光雷达的基本原理定义与概念激光雷达（LiDAR,LightDetectionandRanging）是一种利用激光束探测目标的位置、速度等特性的主动式遥感技术。它通过发射激光脉冲并接收从目标反射回来的信号，测量光的飞行时间或相位差，从而计算出目标的距离和其他属性。测距原理飞行时间法（TOF）：测量光脉冲的往返时间相位法：测量连续波激光的相位差三角测量法：基于几何三角关系计算距离空间信息获取通过扫描或阵列探测器，激光雷达可以获取三维空间信息。结合激光器的发射方向和测得的距离，可以确定空间中每个被测点的三维坐标，形成点云数据。现代激光雷达还可同时获取反射强度信息，提供目标反射特性。激光雷达的系统组成软件系统数据处理与分析软件控制与处理电路控制扫描、处理信号的电子系统接收系统包括接收光学系统和光电探测器扫描系统实现激光束在空间扫描的机械或光学装置激光发射系统包括激光器和发射光学系统激光雷达的扫描方式机械旋转式扫描通过旋转反射镜或整个激光雷达头部实现360°水平扫描，结合垂直方向的多线激光器或摆动机构实现垂直扫描。这种方式扫描范围广，但机械部件可靠性是潜在问题。典型产品包括Velodyne的16线、32线、64线旋转式激光雷达，广泛应用于自动驾驶领域。MEMS微振镜扫描利用微机电系统（MEMS）振镜控制激光束方向，实现二维扫描。这种技术体积小、功耗低、无机械磨损，但扫描范围和分辨率有一定限制。近年来，随着MEMS技术的进步，微振镜扫描已在车载和机器人应用中获得广泛应用，代表性产品有Innoviz、Luminar等公司的固态激光雷达。闪烁式（Flash）扫描一次性照亮整个场景，使用二维探测器阵列同时接收返回信号。这种方式无机械运动部件，采集速度快，但功耗高、探测范围有限。闪烁式激光雷达在短距离应用场景中表现优异，如室内导航、工业自动化等，代表产品有Continental、LeddarTech等公司的产品。点云数据处理基础数据采集通过激光雷达扫描获取原始点云数据，包括空间坐标和反射强度信息。数据采集过程中需考虑扫描密度、覆盖范围和重叠度等参数。预处理对原始点云数据进行滤波、降噪、配准等操作，去除异常点，提高数据质量。常用方法包括统计滤波、体素滤波和ICP配准算法等。分割与分类将点云数据分割为有意义的单元，并根据几何特征和反射特性进行分类。聚类算法、RANSAC算法和机器学习方法被广泛应用于此阶段。特征提取与重建从分类后的点云中提取关键特征，如平面、边缘、角点等，并进行三维模型重建。常用技术包括表面重建、网格生成和参数化建模等。激光雷达在测绘中的应用地形测量与DEM生成机载激光雷达可以快速获取大范围地表三维信息，生成高精度数字高程模型（DEM）。与传统测量方法相比，激光雷达测量不受植被覆盖影响，能够获取裸地信息，特别适合森林、城市等复杂地形区域的测量。通过多回波分析，还可以获取植被高度、冠层密度等参数，支持森林资源调查和生态监测。三维城市建模车载和机载激光雷达结合，可以快速采集城市建筑物、道路、桥梁等设施的三维结构信息，构建精细的城市三维模型。这些模型广泛应用于城市规划、景观设计、虚拟现实、导航系统等领域。现代激光雷达技术能够实现厘米级的测量精度，满足各类城市建模需求。文物保护与考古手持式和固定式激光扫描仪可以对历史建筑、文物、考古遗址进行高精度三维扫描，