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激光雷达的特点、分类及其发展

2008-04-18来源: 飞达光学网 关键字:激光雷达  YAG激光器  本机振荡器  雷达波束  自动目标识别  目标指示  单稳态  

  激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。目前激光雷达中使用的激光器有二氧化碳激光器,Er:YAG激光器,Nd:YAG激光器,喇曼频移Nd:YAG激光器、GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd:YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2微米左右,而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。

  根据探测技术的不同,激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。其中直接探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术(AM),且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可用外差干涉,零干涉或失调零拍干涉,相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制,脉冲频率调制(FM)或混合调制。

  按照不同功能,激光雷达可分为跟踪雷达,运动目标指示雷达,流速测量雷达,风剪切探测雷达,目标识别雷达,成像雷达及振动传感雷达。

  激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别,即由雷达发射系统发送一个信号,经目标反射后被接收系统收集,通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度,可以由反射光的多普勒频移来确定,也可以测量两个或多个距离,并计算其变化率而求得速度,这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出,直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近,其原理框图(略)。

  相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分,在所谓单稳系统中,发送与接收信号共同在所谓单稳态系统中,发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收(T/R)开头隔离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射,信号经目标反射后进入光学扫描系统和望远镜,这时,它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入光学混频器,所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器,后者将光信号变成电信号,并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最后高频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含两套望远镜和光学扫描部件,T/R开关自然不再需要,其余部分与单稳系统的相同。

  美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似,即侧重于对目标的监视、捕获、跟踪、毁伤评(SATKA)和导航。然而,由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导航任务,因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上,例如高精度毁伤评估,极精确的导航修正及高分辨率成像。

  较早出现的一种激光雷达称为“火池”,它是由美国麻省理工学院的林肯实验室投资,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,获得多普勒影像的能力。80年代进行的实验证明,这种CO2激光雷达可以穿透某些烟雾,识破伪装,远距离捕获空中目标和探测化学战剂。发展到80年代末的火池激光雷达,采用一台高稳定CO2激光振荡器作为信号源,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。另有工作于蓝-绿波段的中功率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。两束波均由一个孔径为1.2M的望远镜发射并接收。据报道,美国战略防御局和麻省理工学院的研究人员于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。该气球有气体推进器以提供与再入飞行器和诱饵的物理结构相一致的动力学特性。目标最初由L波段跟踪雷达和X波段成像雷达进行跟踪。并将这些雷达传感器取得的数据交给火池激光雷达,后者成功地获得了距离约800千米处目标的像。

  据1991年5月的《防卫电子学》报导,美国空军和海军当时正在研制“先进技术激光雷达系统(ATLAS)”。该系统拟装在巡航导弹上,用CO2激光和新型红外雷达将巡航导弹引向目标。此项计划由设在佛罗里达州伊格林空军基地的莱特研究所先进制导部主管,主承包商麦道公司和通用动力公司康威尔分部各自按照1500万美元的合同研制AGM-130或巡航导弹型武器。海军发言人雷上尉当时称计划在1992年财政年度对ATLAS以吊舱结构进行飞行试验;1992年,位于加利福尼亚州的休斯公司光电与数据系统研究组已研制成功一种先进的CO2激光雷达,并将其作为ATLAS计划的一部分,交付主承包商通用动力公司康威尔分部。1992年6月的《光子学》和7月的《防卫电子学》对此相继作了报导。为了演示激光雷达的功能,康威尔分部将其与有关的信号处理电子设备以及制导系统的其他部件。即处理机,导航传感器和测试仪器等一起装入吊舱,吊挂在康威尔分部的试验喷气飞机上,在伊格林试验场针对目标进行飞行,激光雷达提供了目标区域的高分辨率三维图像。此后,又进行了多种空对地武器的导航,末端瞄准和精密寻的导引试验,充分显示出该激光雷达用于导弹制导的很多独特的优点。

  军事上常常希望飞机低空飞行,但飞机飞行的最低高度受到机上传感器探测小型障碍物能力的限制。且不说阻塞气球线这样的对抗设施,在60米以下,各种动力线,高压线铁塔,桅杆、天线拉线这样的小障碍物也有明显的危险性。

  现有的飞机传感器,从人眼到雷达,均难以事先发现这些危险物,这种情况,在夜间和恶劣天气条件下尤其突出。而扫描型激光雷达因其具有高的角分辨率,故能实时形成这些障碍物有效的影像,提供适当的预警。据1993年5月出版的《军事技术》报导,在法国政府和英国政府的倡议下,由法国达索电子公司和英国GEC-马可尼航空电子学公司雷达系统分部组成的联合体研制出一种紧凑的激光雷达(CLARA)。其主要功能即是发现飞机航线上有危险的障碍物。并显示给驾驶员,且不论白天、黑夜及天气的好坏,均能对前面所提到的各种障碍物进行实时探测、分类和显示。选用的工作波长不受阳光的影响,有良好的穿透烟、雾的特性。为了保证飞机转弯时始终提供适当的警戒,传感器采用了大视场。紧凑激光雷达的另一功能是进行地形跟踪和目标确定,这要求系统能实现处理飞机前方地形的回波,以产生飞行控制指令。紧凑激光雷达由三部分组成,即传感器头,扫描器及信号与数据处理器。传感器头的核心是激光器组件与探测器组件,前者包括两台CO2激光器,一台提供脉冲或连续波发射光束;另一台是小功率本机振荡器,用于与回波进行外差相干。而探测器组件则为宽波段红外探测器上光学元件的组合,并采用超低温冷却,以减小量子噪声,提高探测灵敏度。探测器将光信号转换为电信号,送往信号处理器进行处理,扫描器的核心是陀螺稳定的双反射镜及其他可旋转光学部件,要求能适应不同的工作模式。在障碍物告警模式下,首先要找到目标的大致方位,因而无需很多的分辨率,但必须有较大的扫描视场;与此相反,在瞄准模式下,目标的大致位置已知,因此无需很大的扫描视场,但要求有很高的距离和视角分辨率,并能以高精度跟踪所选目标。

  信号与数据处理的核心是数字信号处理器和微处理器。其功能是执行复杂的目标探测及识别运算,并存储每个重要的信息。此外,处理器必须与CLARA的其他分系统接口,以实现工作模式的控制与机内检测。所用软件采用高级语言编程。该系统在英国是安装在固定翼飞机上飞行,而在法国还要在旋转翼飞机上试验。为便于在固定翼飞机或直升机上吊挂。整个CLARA系统安装在一个吊舱内,吊舱的前部包括光具座和处理器,后部装有自主式环境调节装置,其余大部分部件则安装在吊舱中部,据最新文献报导,达索公司,GEC-马可尼公司,马可尼意大利公司和蔡司公司又联合研制了一种用于直升机障碍物报警的Eloise激光雷达,可提前10秒钟对直径为5mm的缆线报警,并具有地形导航功能。

  以上介绍的几种激光雷达有一个共同的特点,即都是以CO2激光器为波束源,这些激光器采用高功率射频泵浦,需要高电压和强致冷,其结果是雷达系统体积庞大,价格昂贵,而且可靠性也比较差。相比之下,半导体激光器泵浦的固体激光系统,尺寸和价格均可低达相同功率CO2激光束系统的十分之一,且具有更高的可靠性。近10年左右的时间里,半导体激光技术本身及二极管泵浦固体激光技术均有了飞速发展,使固体激光作为激光雷达的辐射源成为可能。于是很多有影响的公司都将相当大的注意力投向固体激光雷达。洛拉尔-沃特公司多年来一直从事激光雷达的研究。

  1992年4月,该公司在“锡斯纳”412飞机上试验固体激光雷达样机,据称,这是这种系统首次进行飞行试验。稳定的装置将光学发射接收机,相关的电子系统组合成一个组件,长度和直径均为203mm,重量仅5.5kg。系统采用近红外波长运转的固体激光器,由GaAs二极管激光泵浦,不需要进行冷却。带有实时自动目标识别的样机,1992年也进行了飞行试验。洛拉尔-沃特公司经多年努力,开发了自动目标识别算法。据称,这种算法可以区分坦克和卡车,识别单个坦克的类型。另一方面,休斯公司丹伯利分部还在努力制造能在室温工作的二极管固体激光阵列。据称,这将进一步减少甚至取消对致冷的需要。曾经开发了以CO2激光器为辐射源的相干光雷达机载切变传感器的洛克希德公司,在美国国家航空航天管理局的提议下,也用更可靠和性能更好的2微米波长固体激光器代替了CO2激光器。洛克希德公司新的CLASS系统于1993年秋季在美国国家航航天管理局位于哈卜顿的朗雷研究中心进行了飞行试验,装载飞机为波音-737。该公司的高级科学家塔戈说:“2微米固体激光器尺寸更小,价格更廉,质量更小,性能更优,它是未来之波”。总之,激光雷达已经历了约30年的发展过程,迄今种类繁多。

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