光电检测-激光雷达技术-1(2011)

第七章激光雷达技术概论1、激光雷达的概念及内涵“雷达”(RADAR-RadioDetectionAndRanging)。传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达，大约出现1935年左右。激光雷达(LADAR-LaserDetectionAndRanging)是以激光作为载波的雷达，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的雷达。最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967年美国国际电话和电报公司提出的，主要用于航天飞行器交会对接，并研制出原理样机；1978年美国国家航天局马歇尔航天中心研制成CO2相干激光雷达.•早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-LightDetectionAndRanging)，这里所谓的光实际上是指激光。现在，普遍采用LADAR这个术语，以区别于原始而低级的LIDAR。•以后世界上陆续提出并实现：激光多普勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。2、激光雷达与微波雷达的异同•激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它是在微波雷达技术基础上发展起来的，两者在工作原理和结构上有许多相似之处•工作频率由无线电频段改变成了光频段•雷达具体结构、目标和背景特性上发生了变化。微波天线由光学望远镜代替；接收通道中微波雷达可以直接用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处理，激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成电信号后进行处理。•信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。3、激光雷达的优点•速度分辨率极高、测速范围宽工作频率非常高，较微波高3-4个数量级。导致速度分辨率已达mm/s量级，测速范围达0.01-3000m/s。•具有极高的角分辨率。在100km处，1m接收天线可分辨1m的两个目标。•测距精度高能产生极窄的脉冲，有效的绝对带宽很宽，（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达厘米量级）测距。•电子干扰和反隐身工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外。•能量高度集中用很小的准直孔径（10cm左右）即可获得很高的天线增益和极窄的波束（1mrad左右），而且无旁瓣，因而可实现高精度测角（优于0.1mrad）、单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像，且不易被敌方截获，自身隐蔽性强。•单色性和相干性好气体激光器的谱线宽度可达10-3-10-4nm，而且频率稳定度能做得很高，可实现高灵敏度外差接收。•激光成像雷达激光雷达分辨率高，将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像（强度像)、距离图像、速度图像等，还可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，有潜力成为重要的侦察手段。•扫描激光成像雷达•非（无）扫描激光成像雷达激光器电源激光器光学发射天线光束控制装置光电探测器光学接收天线目标本振激光器信号处理数据显示激光器电源激光器光学发射天线光束控制装置光电探测器光学接收天线目标本振激光器信号处理数据显示4、激光雷达基本组成激光雷达发射机激光雷达接收机A.激光发射器a)射向目标b)本振或距离基准光C.激光调制器B.发射电源E.发射天线（光学系统）光束整形抑制束散角扩束等D.激光束控制器：光束的空间位置与方向等激光雷达发射机F.接收天线（光学系统）收集目标返回光波阵面校正，光学滤波将信号光会聚到探测器（混频器）G.光电探测器（混频器）光电转换信号光与本振光混频H.前置放大器，中频放大器I.信号处理提取信息抑制噪声显示送伺服控制器激光雷达接收机5、激光雷达分类A.按功能分类a)测距b)跟踪测量：弹道测量卫星测量武器瞄准c)制导：精确制导（末制导）（主动制导，成像制导）d)火控：超低空目标，用于低空飞行器可与红外、微波雷达建成复合系统e)引信：导弹，炮弹的近炸引信用于地-空，空-空，空-地和反舰导弹f)气象激光雷达：测风，测云分布和速度g)测污：可遥测，范围大，精度高h)水下激光雷达：通讯与探测300米深海水下通讯浅海海底探测i)导航：激光雷达+图像处理→高精度导航宇宙飞船的定位、停靠和对接j)其它：遥感遥测，地震预报，空中交通管制多光谱、超光谱和超高光谱激光成像雷达B.按体制分类a)单脉冲：测距，目标识别，三维成像b)调制连续波：测距，多普勒频率测量，三维成像c)调频脉冲压缩：多普勒频率测量d)脉冲多普勒：跟踪，多普勒测量6、激光雷达距离方程(一般形式）Pr——接收功率T1——光学系统效率Ar——有效接收面积Pt——发射功率T2——大气透过率(单程)——某指向的反射率定向分布函数。1如果目标各点特性一致，可取平均值。R——目标距离ibArAAi——垂直于光束的目标被照面积Ab——目标处光束截面积2btARt——发射立体角21214tirrtPTTAAPR当各处均匀时，可取：1iAC则2124trrtPTTCAPR光束利用比1、激光测距的原理激光测距的基本原理，是通过测算激光发射信号、激光回波信号的往返时间，而计算出目标的距离。CLt22CLt激光测距雷达有脉冲激光测距雷达和连续波相位激光测距雷达两类：激光测距雷达2、脉冲飞行时间测量法（脉冲测距）脉冲飞行时间测距过程脉冲激光器泵浦源光电管脉冲放大及整形门控发射天线时标振荡器复位电路电子门计数器显示器接收天线脉冲激光测距雷达0222CCCNLtNtf系统的分辨率决定于计数脉冲的频率。若要求分辨力为1m，要求计数脉冲的频率为015021CfMHzm由于计数脉冲的频率不能无限止地提高，所以脉冲激光测距的分辨率一般较低，现在可以达到cm量级.0122CCLtfC的精度主要依赖于大气折射率的测定，由n值测定误差而带来的误差约为10-6，因此对(几至几十公里)短距离脉冲激光测距来说．测距精度主要决定于ΔT的大小。影响ΔT的因素很多，如激光的脉宽、反射器和接收光学系统对激光脉冲的展宽、测量电路对脉冲信号的响应延迟等.脉冲测距精度，可以表示为2CLT3、连续波幅度调制相位测量法相位调制测距的过程连续波相位测距雷达是根据调制光波传播距离的相位变化来判测目标距离的。02CL0f为调制频率，2CLt220fCL02CL000122CLf0f为调制频率，为测尺长度。2CLt由于2N＝0002222CCLNLNNff其中2N是相移不足2π的尾数，调整，改变测尺长度L0′，使N=0,，测出相位Δφ′，就可得到距离值L.0f00'''2LLNL220fCL①分散的直接测尺频率方式，适用于中、短程(5km)相位式测距测尺频率15MHz150kHz15kHz1.5kHz测尺长度10m1km10km100km精度为1‰1cm1m10m100m实际的相位测距雷达，选用不同的测尺长度，得到单一的、精确测距结果。测尺长度由测尺频率确定，各测尺间频率相差较大。如：为测量276.34m实际距离，选用10m测尺，精度为1‰，即精度为1cm,相应测尺频率00011022CLmf＝88003100.1510152210CfMHzL选用1000m测尺，精度为1％，即精度为1m,相应测尺频率0001100022CLmf＝850303100.15101.52210CfMHzL测得6.34m测得276m组合测得数据为276.34m②集中的间接测尺频率方式，适用于长程测距(测距几十km)和部分中程测距。它选用测尺频率的差频为新的测尺频率，亦称相当测尺频率，而把原来选定的测尺频率称为间接测尺频率。选用两个间接测尺频率为f01和f02，011111012CLLNNNNf022222022CLLNNNNf0102121222fLfLNNNNCC－－－两式变换后相减，得1212010222sCCLNNNNNNfff＝－＋－+－0102sfff－2sCf式中是相当测尺频率是相当测尺长度12NNN－12NNN－间接测尺频率相当测尺频率fs=f01-f02相当测尺长度f1=30MHz30MHz2.5mf2=0.9f10.1f1=3MHz25mf3=0.99f10.01f1=300kHz250mf4=0.999f10.001f1=30kHz2500mf5=0.9999f10.0001f1=3kHz25000m瑞士WILDDI—3型电子归算红外测距仪测程390m至900m，测距精度25mm；一次测量周期10s，精测尺频率f1＝7．4927MHz，测尺长度L01=20m；粗测尺频率f2＝74.927kHz，测尺长度L02=2000m。采用GaAs半导体发光二极管作光源，直接调制。以硅光电二极管作光电探测器，采用差频法自动数字测相，直接显示目标距离。接收单元发射单元