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激光雷达基本知识(1)

归档日期:06-28       文本归类:激光雷达      文章编辑:爱尚语录

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  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 1. 2. 绪论 基本知识、应用前景、发展概况 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 课 程 主 要 内 容 3. 4. 5. 6. 7. 激光成像雷达 工作原理、设计方法、典型举例 激光测风雷达 工作原理、设计方法、典型举例 激光差分吸收雷达 工作原理、设计方法、典型举例 信号处理方法 微弱信号检测、数字化处理与算法 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 1. ? 激光雷达的概念及内涵 “雷达”(RADAR-Radio Detection And Ranging)。传统的雷达是以微波和毫米波 一 基 本 知 识 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-Laser Detection And Ranging)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。 ? 早期,人们还叫过光雷达(LIDAR-Light Detection And Ranging),这里所谓的 光实际上是指激光。现在,普遍采用 一 基 本 知 识 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 一 基 本 知 识 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。 表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较 微波雷达 宏 观 雷 达 评 性 价 能 种 类 毫米波雷达 激光雷达 一 基 本 知 识 跟踪测量精度 综 合 下 上 上 下 上 下 下 中 中 中 中 中 中 中 上 下 下 上 下 上 上 作用距离 目标搜索和捕获能力 目标识别能力 全天候工作能力 抗电子干扰能力 抗反辐射导弹能力 抗隐身目标能力 低仰角跟踪能力 低截获概率能力 多目标探测和跟踪能力 技术成熟程度 下 下 下 上 上 中 中 中 中 中 上 上 上 下 下 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 一 基 本 知 识 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。 ? 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mrad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。 一 基 本 知 识 ? 单色性和相干性好。 气体激光器的谱线nm,而且频 率稳定度能做得很高,可实现高灵敏度外差接收。 4. ① ? 激光雷达的基本构成 激光器。 激光器是激光雷达的核心器件。激光器种 一 基 本 知 识 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。 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 一 基 本 知 识 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 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; 一 基 本 知 识 ? ? 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 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 一 基 本 知 识 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) ? 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); 一 基 本 知 识 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。 6. 激光雷达的应用 ① 跟踪 一 基 本 知 识 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 7. 研究内容及关键技术 ① 激光器技术 一 基 本 知 识 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 1. 侦察用成像激光雷达 2. 障碍回避激光雷达 二 应 用 前 景 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”(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 火 池 激 光 雷 达 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 ? 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 火 池 激 光 雷 达 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。 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 激 光 成 像 雷 达 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 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 激 光 成 像 雷 达 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。 ? 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 激 光 成 像 雷 达 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 ① CMAG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 激 光 成 像 雷 达 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 ② ATLAS研究计划 ? 在CMAG计划基础上,90年代初美国空军和海 激 光 成 像 雷 达 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。 ?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 激 光 成 像 雷 达 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 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Pack Tack吊舱中。 CO2激光器输出功率100W、光束发散度 激 光 成 像 雷 达 ? ? ? ? 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。 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 激 光 成 像 雷 达 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。 ⑤ 洛克希德· 马丁· 沃尔特公司的低成本自主攻 击系统 激 光 成 像 雷 达 ? 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 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 激 光 成 像 雷 达 (NOAA) 提出条纹管成象激光雷达(Streak Tube Imaging LIDAR,STIL) 6. Jigsaw计划 激 光 成 像 雷 达 ? 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?32SiGM/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 隐蔽在树林中带伪装网 的坦克目标 飞行实验中获取的坦克目标的伪彩 色3D 激光雷达图像处理过程显示 6. 直升机障碍回避激光成像雷达 激 光 成 像 雷 达 ? 直升机激光雷达系统用于探测电话线、动 力线之类的障碍 ? Fibertek公司直升机激光雷达系统由传感 器吊舱和电子装置组成 ? 使用二极管泵浦1.54?m固体激光器器。吊 舱中安装激光发射机、接收机、扫描器和 支持系统。 ? 电子装置由计算机、数据和视频记录器、 定时电子系统、功率调节器、制冷系统和 控制面板组成。 ? 该激光雷达系统安装在UH-1H直升机上。 7. 德国戴姆勒-奔驰宇航公司按照联邦防卫技 激 光 成 像 雷 达 术和采办办公室的合同,研制了Hellas障 碍探测激光雷达。 ? 该激光雷达是1.54?m成像激光雷达, ? 视场为32??32?, ? 能探测距离300~500m的、直径1cm以上的 电线和其他障碍物(取决于角度和能见 度)。 ? 1999年1月德国联邦边防军为新型EC-135和 EC-155直升机订购25部Hellas障碍探测激 光雷达。 激光成像雷达发展历程及趋势 激 光 成 像 雷 达 激 光 器 成像方式 光电探测器 CO2气体激光器 扫 描 单 元 YAG固体激光器 闪 烁 式 线 阵 半 导 体 激 光器 合成孔径 条纹相机 光 纤 激 光 器 相 控 阵 焦 平 面 1. 大气监测激光雷达 大 气 监 测 激 光 雷 达 通过测量大气中自然出现的少量颗粒的 后向散射,可以检测风速、探测紊流、 实时测量风场等。 在高空投掷炸弹和其它兵器时遇到的一 个问题是,风干扰向下的弹道。美国空 军尝试使用的主要办法是,利用增加的 尾部装置进行惯性或GPS制导,修正飞 行路线。但这增加了投掷的各种武器的 成本。 利用机载激光雷达实时提供投掷区风场 的信息,以便通过调整投掷点,来补偿 风的影响。 2. 空军赖特实验室委托相干技术公司研制 大 气 监 测 激 光 雷 达 激光雷达。 第一台激光雷达采用闪光灯泵浦激光器,脉 冲能量50mJ,脉冲重复频率7Hz,安装 在C-141飞机上试验。 第二台激光雷达采用二极管泵浦激光器,脉 冲能量3.5mJ,脉冲重复频率200Hz,重 913kg,体积3.26m3。 1. 第三台为人眼安全的Tm(YAG激光雷达。 该激光雷达工作波长2021.84nm,激光脉冲能量 12mJ,激光脉冲持续时间650ns,脉冲重复频率 100Hz,重272kg,体积1.27m3。激光雷达由发射 接收机、信号处理装置、环境控制装置、光学扫 描器、惯性导航装置和电源组成,安装在C-130 飞机的改装的油箱鼻锥内的支架上。扫描器使激 大 气 监 测 激 光 雷 达 2. 光束沿椭圆形路线o)扫描。椭圆的中 心的俯仰角可根据飞行条件控制在固定位置。该 俯仰角的范围为-3o~37o。激光雷达与飞机航 空电子系统、显示器、用户界面接口。1995年开 始使用C-141飞机进行第一台激光雷达测风的飞 行试验,随后C-130飞机上实验飞行第二和第三 台激光雷达。据称,作战使用型激光雷达需要将 硬件小型化,可使空投精度提高2倍以上。 1. 美国航天局的“先进的飞行中测量用机载相干激 光雷达”, 飞机后微爆风切变和尾流,给与其相遇的飞机造 成危险。英国国防鉴定与研究局(DARA)的研 究人员研制的激光雷达,能测量在飞机后微爆风 切变和尾流速度。将这种激光雷达置于跑道上进 行实时监测,就可以提高安全性,增加飞机的通 过量。 大 气 监 测 激 光 雷 达 2. 3. B-2“幽灵”轰炸机携带的激光雷达的与众不同的 任务是,检测飞机后的空气,检查有无暴露这种 隐形轰炸机的凝结尾流。该激光雷达驾驶员报警 系统使用Ophir公司的低截获概率激光发射机和激 光接收机,探测突然出现的凝结尾流,向乘员报 警。 1. 1.06 ?m(YAG)相干激光多普勒测风雷达 大 气 监 测 激 光 雷 达 ① 1993年CLAWS(Coherent Atmospheric Wind Sounder)计划,已装备肯尼迪航 天中心 CLA WS 相干 激光 多普 勒测 风雷 达 CLA WS 相干 激光 多普 勒测 风雷 达 技术参数 技术指标 波长(?m) 脉冲能量(mJ) 脉冲宽度(ns) 1.06 1000 8 脉冲重复频率(Hz) 10 扫描器/望远镜(mm) ?200 距离分辨率 径向速度精度(m/s) 最远作用距离(km) 1 27 1. 2?m相干激光多普勒测风雷达 大 气 监 测 激 光 雷 达 ① 1990年美国相干技术公司(CTI)研制出世 界上第一台2?m相干激光多普勒测风雷 达 ② TODWL (Twin Otter Doppler Wind Lidar) ③ GWOLF (Ground based wind Observing Lidar Facility) ④ VALIDAR (Validation LIDAR) ⑤ Win Trace ⑥ JEM-CDL (Japanese Experiment ModuleChherent Doppler Lidar) 技术参数 技术指标 2.05 2~3 500 200 TOD WL 相干 激光 多普 勒测 风雷 达 波长(?m) 脉冲能量(mJ) 脉冲宽度(ns) 脉冲重复频率 (Hz) 扫描器/望远镜 (mm) 距离分辨率(m) 径向速度精度 ?100 1 (m/s) 技术参数 技术指标 2.05(人眼安全) 2-3 500 双轴(±120;±30) /10cm孔径 GW OLF 相干 激光 多普 勒测 风雷 达 波长(?m) 脉冲能量(mJ) 脉冲重复频率(Hz) 扫描器/望远镜 距离分辨率(m) 0.5 视线测量精确性 (m/s) 风速分量精确性 (m/s) 气溶胶后向散射阈值 灵敏度 0.05 0.1, 采用30度VAD和 LADSA 10km,~10-8m-1 sr-1 通常不敏感距离(km) 与气溶胶有关: 技术参数 波长(?m) 技术指标 2.05(人眼安全) 50-100 500 100 0.5 0.05 VILI DAR 相干 激光 多普 勒测 风雷 达 脉冲能量(mJ) 脉冲重复频率(Hz) 扫描器/望远镜(mm) 距离分辨率(m) 视线测量精确性 (m/s) 风速分量精确性 (m/s) 气溶胶后向散射阈 值灵敏度 通常不敏感距离 0.1, 采用30度VAD和 LADSA 10km,~10-8m-1 sr-1 与气溶胶有关: (km) WinT race 相干 激光 多普 勒测 风雷 达(1) WinT race 相干 激光 多普 勒测 风雷 达(2) WinTrace相干激光多普勒测风雷达(2) 技术参数 技术指标 500Hz ±10Hz 2mJ ±0.5mJ 400ns ±100ns 10% 孔径 方位范围 扫描系统参 数 WinT race 相干 激光 多普 勒测 风雷 达(3) 脉冲重复频率 脉冲能量 脉冲宽度 系统光学/探测效率 (电/量子) 波长 技术指标 11.6cm 360度全扫描或扇形 扫描 2022.5nm(Tm:Y AG) 俯仰范围 最大扫描速 度 定位精度 位置分辨率 位置重复率 0-180度 20度/分钟 孔径 距离分辨率 最大不模糊径向速度 10cm ~100m ±20ms-1 ±40ms-1(扩展) ±0.1度 ±0.01度 ±0.05度 测量距离 最大值 最小值 ~10km 400m 技术参数 波长(?m) 脉冲能量(mJ) 脉冲宽度(ns) 脉冲重复频率 (Hz) 技术指标 2.051 2000 8 10 JEMCDL 相干 激光 多普 勒测 风雷 达 扫描器/望远镜 (mm) 距离分辨率 径向速度精度 ?200 1~2,3~4 (m/s) 最远作用距离 (km) 27 1. C.G.巴克曼著(美) ,胡桂兰译,《激 光雷达系统与技术》,国防工业出版社。 2. 熊辉丰,《激光雷达》,宇航出版社; 参 考 文 献 3. 戴永江,《激光雷达原理》,国防工业出 版社; 4. 宋丰华,现代空间光电系统,国防工业出 版社; 5. 金国藩等,激光测量手册,国防工业出版 社; 6. 李正直,红外光学系统,国防工业出版社;

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