激光雷达基本知识(1)

激光雷达技术（1）基本知识、应用前景、发展概况哈尔滨工业大学航天学院王春晖课程主要内容1.绪论基本知识、应用前景、发展概况2.激光雷达基本理论雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等3.激光成像雷达工作原理、设计方法、典型举例4.激光测风雷达工作原理、设计方法、典型举例5.激光差分吸收雷达工作原理、设计方法、典型举例6.信号处理方法微弱信号检测、数字化处理与算法7.数据处理方法数据反演、显示1.学时安排：20，1~5周一、基本知识一基本知识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。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.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。一基本知识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。一基本知识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。雷达种类宏观评价综合性能微波雷达毫米波雷达激光雷达跟踪测量精度下中上作用距离上中下目标搜索和捕获能力上中下目标识别能力下中上全天候工作能力上中下抗电子干扰能力下中上抗反辐射导弹能力下中上抗隐身目标能力下中上低仰角跟踪能力下中上低截获概率能力下中上多目标探测和跟踪能力上中下技术成熟程度上中下表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较一基本知识一基本知识3.激光雷达的优点工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒频率非常高，因而速度分辨率极高。工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达厘米量级）测距。一基本知识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。一基本知识4.激光雷达的基本构成①激光器。激光器是激光雷达的核心器件。激光器种类很多，性能各异，究竟选择哪种激光器作为雷达辐射源，往往要对各种因素加以综合考虑，其中包括：波长、大气传输特性、功率、信号形式、功率要求、平台限制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等。从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。一基本知识②光电探测器。适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器③光学天线透射式望远镜（开普勒、伽利略）反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）收发合置光学天线收发分置光学天线自由空间光路全光纤光路波片（四分之一、二分之一）分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片一基本知识④光学扫描器。多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的转动来扫描，优点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；检流计式振镜扫描器，扫描角15；声子偏转器，利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描角不大，一般在3左右压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器；全息光栅扫描器。光学相位扫描MEMS扫描器一基本知识5.激光雷达的基本体制同微波雷达一样，可以依据信号形式、探测方式和测量原理等对激光雷达体制进行分类。按不同信号形式:①脉冲②连续波③每一类中又有不同的信号波形。按不同探测方式:①直接探测（能量探测）;②相干探测（外差探测）一基本知识按不同功能:①跟踪雷达（测距和测角）;②测速雷达（测量多普勒信息）;③动目标指示雷达（目标的多普勒信息）;④成像雷达（测量目标不同部位的反射强度和距离等信号）;⑤差分吸收雷达（目标介质对特定频率光的吸收强度）等。用微波相控阵原理的激光相控阵雷达利用微波合成孔径原理的激光合成孔径雷达。一基本知识6.激光雷达的应用①跟踪②成像制导③三维视觉系统④测风⑤大气环境监测⑥主动遥感一基本知识7.研究内容及关键技术①激光器技术②探测器及探测技术③大气传输特性④激光雷达理论⑤信号处理技术⑥数据处理技术⑦控制技术⑧光学系统设计与加工技术⑨机械设计与加工技术二、应用前景二应用前景1.侦察用成像激光雷达2.障碍回避激光雷达3.大气监测激光雷达4.制导激光雷达5.化学/生物战剂探测激光雷达6.水下探测激光雷达7.空间监视激光雷达8.机器人三维视觉系统9.其他军用激光雷达①弹道导弹防御激光雷达②靶场测量激光雷达③振动遥测激光雷达④多光谱激光雷达三、发展概况火池激光雷达“火池”(Firepond)激光雷达，是由美国麻省理工学院林肯实验室(MIT)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的能力。80年代末的火池激光雷达，采用一台高稳定CO2激光器作为信号源，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。孔径为1.2m的望远镜发射接收。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。火池激光雷达火池激光雷达美国战略防御局和麻省理工学院于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。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800千米处目标的图像。激光成像雷达1.激光成像雷达激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。2.扫描激光成像雷达非扫描激光成像雷达激光成像雷达1.激光成像雷达的优点:分辨率高，具有很高的角度、距离、速度和图像分辨率，因而能探测飞行路径中截面积小的障碍物如电线、电线杆等；能使巡航导弹具有地形跟随和障碍物回避的能力，有利于低空入侵，特别是在夜晚和坏气象的条件下。图像稳定。激光雷达图像所记录的是目标的三维本性，不受昼夜、季节、气候、温度、照度变化以及各种干扰的影响。根据稳定的激光雷达三维图像所预测的目标特征和所发展的目标识别算法软件，真实、准确和可靠，使导引头能以极低的虚警率可靠地自动识别目标。激光成像雷达能提供目标的三维图像，同时提供目标的距离和速度数据。这一特点能使导引头全方位识别目标，特别是一些形状大同小异的目标，还能在实战中选择最佳的角度接近目标。2.激光成像雷达的应用:巡航导弹、航空导弹、灵巧弹药等精确制导。隐蔽物侦察移动机器人等三维视觉系统航路导引，精确末制导地形跟随和障碍物回避目标自动识别和敌我识别目标上瞄准点的选择激光成像雷达①CMAG研究计划1977年美国国防部高级研究计划局和美国空军航空系统部开展了“巡航导弹先进制导技术”（CMAG）的预研计划。1990年研究多功能CO2成像激光雷达在战略或战术巡航导弹上应用的可行性，进一步发展了两个CO2成像激光雷达导引头。1988年在指定的巡航导弹弹体上进行主要制导功能的飞行试验。1989年完成制导功能飞行试验，至此低空巡航导弹用的巡航导弹先进制导技术（CMAG）预研计划结束。CMAG计划的预研成果已应用在空中发射的先进战略巡航导弹AGM-129上，可使AGM-129导弹命中目标的径向偏差概率提高到３米，比原来巡航导弹的30米提高了很多。AGM-129A实物照片激光成像雷达②ATLAS研究计划在CMAG计划基础上，90年代初美国空军和海军制定了“先进技术激光雷达导引头”（ATLAS）的研究计划。计划由美国空军赖特实验室主持，预计90年代末进入装备应用。1991年11月，美国通用动力公司和休斯公司研制成ATLAS’CO2成像激光雷达制导系统。1992吊舱式结构的ATLAS’CO2成像激光雷达系统吊挂在试验飞机上完成了第一阶段的飞行试验。激光成像雷达1993年又吊挂在美国空军的F-15飞机上进行了第二阶段的高速飞行试验,获得高分辨率的彩色编码三维距离图像，很好地满足了航路导引和末段制导的要求。激光成像雷达F15E挂飞实验照片激光成像雷达③美国海军“辐射亡命徒”先期技术演示计划1992年,用激光雷达远距离非合作识别空中和地面目标。采用CO2激光成像雷达，由海军空战中心设计，组装在PackTack吊舱中。CO2激光器输出功率100W、光束发散度100mrad发射机和接收机共用一个孔径和分辨率4mrad的灵活的光束控制反射镜。在P-3C试验机上进行了飞行试验，可以利用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红外成像和三维激光雷达图像，识别目标。激光成像雷达④美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达，激光器采用GaAs半导体激光器，成像方式为二维扫描安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地区的上空以120～460m的高度飞行获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。激光成像雷达⑤洛克希德·马丁·沃尔特公司的低成本自主攻击系统该系统是攻击地面目标的小型有翼制导子导弹，是这种陆军-空军联合发展的子导弹，惯性/GPS装置和激光雷达寻的器为基础的制导系统，可由AGM-130导弹、AGM-154导弹、多管火箭炮系统火箭弹、陆军战术导弹系统和SUU-64战术弹药撒布器投放。激光雷达寻的器搜索范围370×900m，获取目标三维影像，分辨率15cm，确保准确地识别目标。激光成像雷达激光成像雷达激光成像雷达激光成像雷达条纹管激光成像雷达2000年美国空军实验室和美国国家海洋管理(NOAA)提出条纹管成象激光雷达(StreakTubeImagingLIDAR,STIL)激光成像雷达6.Jigsaw计划2000~2003年美国国防部高级研究计划署(DARPA)实施了高精度激光3D成像雷达研究计划（即Jigsaw计划）对地面伪装物下的目标进行探测：收集数据的空载平台的飞行速度和高度要接近未来UAV的水平；要求在100米高空以上的数据采集和传输；对地面的探测范围可以达到20平方米；飞机的速度是每秒25-35米，并全天工作。MIT林肯实验室开发出一种3232Si-GM/APD焦平面探测器，且集成高速数字式CMOS计时电路，室温下单光子探测效率大于20%。MIT林肯实验室研制的Jigsaw非扫描焦平面激光成像光学头2003年6月该Jigsaw系统装在UH-1直升机上进行了飞行实验隐蔽