激光原理考试复习资料小抄.docx

激光原理（概念，产生）：激光的意思是“光的受激辐射放大”或“受激发射光放大”，它包含了激光产生的由来。刺激、激发，散发、发射，辐射激光特性：（1） 方向性好：激光准直、导向、测距就是利用了这一特性。（2） 亮度高：激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。（3）单色性好：激光在通信技术、精密度仪器测量中应用很广。（4）相干性好：激光雷达：激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。生产流程：机载LiDAR测量作业的生产环节，主要包括航摄准备、航摄数据采集、数据预处理、数据后处理等环节。激光的回波机制：激光雷达的探测对象分为两大类，即软目标与硬目标。软目标是指大气和水体（包括其中所包含的气溶胶等物质）等探测对象，而硬目标则是指陆地、地物以及空间飞行物等宏观实体探测对象。激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、吸收和透射。当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。软目标的回波机制：（1）Mie散射是一种散射粒子的直径与入射激光波长相当或比之更大的一种散射机制。大气中的气溶胶粒子，包括尘埃、烟雾、云层等，海水中的泥沙、悬浮微生物等与激光束的散射都属于Mie散射。Ｍie散射的散射光波长与入射光波长相当，散射时光与物质之间没有能量交换发生。因此是一种弹性散射。如云雾的粒子大小与红外线(0.7615um)的波长接近，所以云雾对红外线的辐射主要是米氏散射 。（2）Rayleigh散射（瑞利散射）：指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移（无能量变化，波长相同）的弹性光散射。瑞利散射光的强度和入射光波长λ的4次方成反比。也就是说，波长较短的蓝光比波长较长的红光更易散射。解释天空的蓝色。当入射激光的波长（即入射光子的能量）与被探测原子或分子能级之间的能量差不相等时，激光与原子或分子的相互作用表现为普通的Rayleigh散射过程（3）Raman散射（拉曼散射）：拉曼散射是激光与大气和水体中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向长波或短波方向的移动。而且散射光波长移动的数值与散射分子的种类密切相关。（4）共振荧光：原子、分子在吸收入射光后再发射的光称为荧光.当入射激光的波长与原子或分子内能级之间的能量差相等时，激光与原子或分子的相互作用过程变为共振荧光。（5）吸收：吸收是指当入射激光的波长被调整到与原子分子的基态与某个激发态之间的能量差相等时，该原子、分子对入射激光产生明显吸收的现象。硬目标的回波机制：激光与由宏观实体构成的硬目标作用机制反射、吸收和透射。当一束激光射向硬目标物体时，一部分激光能量从物体表面反射、一部分激光能量被物体吸收、而剩下的激光能量则将穿透该物体。硬目标对激光能量的反射机制最为重要。（1）镜面反射是表面光滑物体所具有的反射特征。所谓表面光滑是指物体表面的不平整度远小于激光波长。镜面反射符合几何光学中的反射定律，即反射角等于入射角（2）漫反射是指表面粗糙物体（不平整度等于或大于入射激光波长）对激光的反射特征，其特点是能将入射的激光能量以近似均匀的形式反射到物体四周的各个方向理想的漫反射表面称为朗伯体表面，其特征是反射强度正比于入射角的余弦。（3）方向反射是上述两种反射类型的过渡：既不象镜面反射那样具有明确的定向反射，也不象朗伯体反射那样均匀地漫反射，而是在向四周漫反射的同时，某些方向（如符合反射定律的方向）反射较强而其它方向反射则较弱。严格地讲，实际工作中大多数目标都属于这种非朗伯体的反射类型。1.机载激光雷达系统组成：机载LiDAR系统由测量激光发射点到被测点间距离的激光扫描仪、测量扫描装置主光轴的空间姿态参数的高精度惯性导航系统（IMU）、用于确定扫描投影中心的空间位置的动态差分全球导航定位系统（DGPS）、确保所有部分之间的时间同步的同步控制装置、搭载平台等部分组成。另外，还配备有数据记录设备及数据处理软件等,目前，多数的商业LiDAR系统也配备了高分辨率数码相机，用于获取对应地面的彩色数码影像，为此后的数据处理等工作提供参考。2.机载激光雷达定位原理：机载LiDAR系统采用极坐标定位原理，其确定地面点三维坐标的数学本质是：对一空间向量，已知其模和其在物方坐标空间中的方向，如果知道向量起点的空间坐标，则该向量的另一端点的坐标可唯一确定。对于机载LiDAR系统来说，起点为激光束的出射点，其坐标可通过DGPS定位技术和检校获取的出射点与机上GPS天线之间的相对关系来确定，向量模通过激光测距仪测定，向量的空间方向通过INS观测值、激光扫描仪观测值及安置角（激光扫描仪坐标系与惯性平台参考系统坐标系之间的旋转角度）确定，有了这些确定值