成像激光雷达研究进展
文章编号:1009-7740(2006)03-0084-05
成像激光雷达研究进展※
丁红星1,邓 睿1,薛国刚2,闫长春2
(1.连云港师范高等专科学校自然科学系,江苏连云港222006;2.徐州师范大学物理系,江苏徐州221009)
摘 要:成像激光雷达在军事和国民经济中都有广泛的应用。文章分析了C O2成像激光雷达、半导体成像激光雷达和二极管泵浦固体成像激光雷达的现状与发展。
关键词:成像激光雷达;半导体激光;扫描激光雷达;二极管泵浦
中图分类号:T N958.98 文献标识码:A
0 引言
1961年,第一台激光雷达问世。在短短40余年中激光雷达技术取得惊人的发展,其工作波长由最初的可见光及近红外区扩大到中红外、远红外甚至紫外区。激光雷达的应用十分广泛,已从地面发展到空中,从空中发展到太空,从陆地发展到海面,从海面发展到水下,并涉及到多个学科领域。它有着常规雷达不可比拟的优势,无论在军事上还是在民用上都有广阔的应用前景。[1,2]成像激光雷达应用研究开始于20世纪70年代,与非成像激光雷达相比,除了功能上不同外,研究的费用和难度也要大大高于非成像激光雷达。如何灵活有效研制成像激光雷达并提高其性能,一直是国内外成像激光雷达研究的课题。[3]
1 成像激光雷达简介
成像激光雷达是激光技术、雷达技术、光学扫描及控制技术、高灵敏度探测技术及高速计算机处理技术的综合新技术产物。成像激光雷达可采用多种工作体制,如采用单元探测器的扫描成像与采用阵列探测器的非扫描成像。采用单元探测器的扫描成像作用距离可以很远,但是成像速率会受到一定的限制;采用阵列探测器的非扫描成像激光雷达可以以很高的速率成像,但是需要泛光照射目标,所以作用距离不会太远。目前,可用于激光雷达的扫描器可分为三种:力学、电学和二元光学扫描器。由于其具有较高的角度分辨率和距离分辨率,可以同时成目标的强度像和距离像,还可以成高分辨率的三维图像,所以非常适合于在军事上发展智能武器,应用领域主要集中在武器制导方面。
2 成像激光雷达的发展现状
2.1 C O2成像激光雷达的发展现状
美国在激光雷达及其应用研究处于领先地位。20世纪80年代美国大力发展了成像激光雷达技术。林肯实验室、Loral V ought系统公司、F ord航空航天公司、休斯飞机光电和数据系统集团、怀特实验室和Martin Marietta奥兰多航天中心等多家研究机构,完成了成像激光雷达外场实验,证实了成像激光雷达在复杂背景下探测和识别目标的能力。根据报道,目前唯一在巡航导弹上作为激光地形轮廓匹配系统应用的是AG M-129战斧式巡航导弹上的成像激光雷达,它采用10.6um的C O2激光器。C O2相干成像激光雷达的研究始于20世纪70年代,于1978年研制出第一台三维成像外差激光雷达样机,突破了传统的成像观念,引起了广泛的兴趣和重视。随着小型化、高性能C O2激光器和图像处理技术的发展以及军事的需求,使得多功能C O2激光相干成像雷达在整个80年代获得了迅速发展,到90年代初,已有数种样机问世并开始进行演示性试验。
HgCdT e探测器是用于C O2相干激光雷达研究中的探测器,已经可以制造出二维多元阵列HgCdT e 探测器,如640×480元阵列,为阵列探测C O2相干激光雷达的研究提供了保证。美国OakRidge[4,5]国家实验室研究了工作于10.6um的阵列探测相干激光雷达,提出了采用二维阵列HgCdT e探测器进行相干成像,并用一个30×30元二维HgCdT e探测器进行了实验研究。
2006年9月第3期
连云港师范高等专科学校学报
Journal of Lianyungang T eachers C ollege
Sept,2006
N o.3
收稿日期:2006-01-06
※江苏省教育厅自然科学基金项目,项目编号:ZX L050304;徐州师范大学自然科学基金项目,项目编号:04X LB09
10.6um C O2激光具有优越的大气传输性能,特别是在烟雾条件下有极强的穿透能力以及良好的相干性,易于实现外差探测,而且外差探测灵敏度比直接探测灵敏度可提高几个数量级。目前,C O2激光外差主动成像的信号体制主要有:声光(A-O)调制连续波外差体制,线性调频脉冲压缩体制和窄脉冲外差体制(电光调Q);C O2激光外差主动成像的光学成像方式基本有三种:一为多元阵列探测凝视成像方式;一为单元探测二维扫描成像方式;此外,还可把上述两种基本方式结合折衷成为又一种多元扫描成像方式,以提高成像帧频。
C O2相干激光雷达的研究已经历了近三十年的时间,也取得了很大突破。然而,由于C O2激光成像雷达的体积比较大、研制成本较高,而且探测器需低温制冷等,其在应用中的竞争力受到制约。
2.2 半导体成像激光雷达的发展现状
2.2.1 半导体成像激光雷达
最近十几年,全固态小型成像激光雷达成为各国军方研究的热点。20世纪80年代中期以后,随着半导体激光器在提高输出功率和改进光束方向性能以及探测器降低探测阈值等方面取得的重大进展,半导体激光主动成像雷达应运而生。美国San2 dia国家实验室,研制了一种125mW半导体激光的测距、成像激光雷达,它能够以每秒4次的速度更新图像;随着高重复频率高功率半导体二极管阵列激光器的实用化,又出现了24通道实时成像二极管阵列激光成像,对目标的最大测程为500m,帧频为3H z,视场为4°×10°,具有伪彩色和灰度反射强度图像的实时显示以及实时目标分类和瞄准点确定等功能。半导体激光雷达的优点是体积小、重量轻、造价低、使用寿命长、可靠性高和低功耗等;缺点是相干性较差因而只能采用直接探测。
2.2.2 非扫描成像半导体激光雷达
非扫描成像半导体激光雷达能同时进行被动强度成像(即不用激光照射时的成像)和主动强度成像(即主动照明时的成像),还可进行强度成像和速度成像。而且由于焦平面阵列器件的采用,使各种成像的速率都非常高。这就为先进的实时图像处理提供了先决条件,这也是扫描半导体激光雷达所达不到的。采用非扫描成像技术还可大幅度提高激光雷达的作用距离。现有的扫描式半导体激光雷达中,由于扫描速度和孔径要满足一定要求,限制了宽光敏面积光源的使用。而大功率的半导体激光器,特别是大功率阵列激光器都是扩展型光源,具有很宽的发光面积,因而受到限制。其次,扫描式激光雷达每像素对应的光电积分时间很短,因而扫描半导体激光雷达的信噪比不高、作用距离短,一般都小于1公里。
非扫描成像半导体激光雷达系统在去掉了复杂笨重的扫描装置同时,也为采用扩展型光源提供了可能性。同时,焦平面阵列探测器的使用,每像素的光电积分时间可以相应的提高n倍,n为总的像素数。而且还可采用高灵敏度的像增强器件,因此其接收灵敏度比扫描激光雷达系统高很多。所以,为了增加半导体激光雷达作用距离(例如增大到10公里,使之可以满足一般战术需要),采用非扫描成像技术,即焦平面成像技术,是比较好的解决方案。20世纪90年代,一种仅适用于半导体激光主动成像雷达的“非扫描器半导体激光主动成像雷达”[6]已由美国Sandia国家实验室研制成功。这种激光雷达系统克服了传统的扫描激光雷达帧率低、视场小、体积大等问题,具有高帧率、宽视场、坚固、体积小等特点,特别适用于半导体激光主动成像雷达导引头,这可能是今后半导体激光主动成像雷达的重点发展方向。该非扫描半导体激光主动成像雷达,采用距离成像方式,最大作用距离1km,距离分辨率可达15-1cm。其激光器光源部分由时间积分电荷耦合器件CC D阵列照相机记录,这种方法通过测量在光学接收系统光亮度调制的相位移动与参照物的比较来确定目标物体的距离。但是由于成像元素和帧频速率的限制,这种方法的成像速率不可能很快,因此会产生距离模糊,作用距离和分辨率受到影响。
美国Arete[7,8]机构研制了一种最新的、高分辨率的条纹管成像激光雷达STI L,使上述情况得到改善。STI L技术应用极短的脉冲,这种系统即便在散射率很高的媒质也能给出相当精确的测量精度。条纹管比较低的背景噪声和暗电流噪声使每一像素的滞留时间很短(≤1ns),这样就克服了仅靠扩大CC D 阵列的尺寸和帧频率来提高成像像元素和帧频速率的限制。条纹管通过静电扫描获得不同的距离信号,并被CC D阵列捕捉成像。
STI L系统有很广的应用领域,如医疗成像、电光鉴别、高分辨率的海洋摄像、空中监控,等等。90年代末,美国空军研究实验室与Arete合作,将这项技术应用到目标自动识别的巡航导弹上,条纹管能利用激光的高重复频率(10-20K H z),使得CC D阵列上每一单元堆积较多的脉冲数,并以不太高的帧频(150H z)读出信噪比改善的像信号,这就不需要激
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光器具有太高的能量,从而压缩了激光器的尺寸,减少了重量,降低了成本。其性能参数可达到如下数据:视场角47.6°,像元数25631024,平均功率10W ,脉宽8ns ,重复频率20K H z ,距离分辨率约15cm ,作用距离能达到1-2km 。同时,Arete 正在研制一种新
的运算规则,它被用于红外探测器来探测和跟踪贴海面飞行的亚音速巡航导弹,这种探测器能够监控导弹位置和速度的变化,能最大化地提高探测概率,极大地降低虚警概率
。
图1 非扫描激光雷达结构
美国军事研究实验室研制了一种利用焦平面探
测器阵列和FW -CW 测距理论的非扫描激光雷达[9,10](图1),解决了Sandia 实验室遇到的距离分辨率受限的问题,大大提高了成像质量和作用距离。这种激光雷达的发射激光通过线性调频脉冲信号进行调制后发射到整个视场,目标反射回来的信号和本振信号同时被电光调制器1收集,进行同频率调制,并除去了由频率调制所引起的噪声信号;从1输出的混合信号经过傅立叶变化被焦平面阵列探测器2接收,每条视线和焦平面器件的一个光敏单元相
对应,所以在处理焦平面阵列器件输出的信号后,即能获得目标的距离成像。这种技术应用在具有比较宽的振幅调制带宽的半导体激光二极管上,距离分辨率能达到小于1cm 的量级。
这里的线性调制脉冲信号是一个简单的正弦波,它的频率在经过周期T 后增加ΔF ,然后又返回
到原来的频率值。距离分辨率ΔR =c/(2
ΔF );f if =ΔF (τ/T ),τ=2(D/c ),D 为目标到探测器的距离,因
此,f if =2
ΔF (D/cT ),可以看出f if 正比与目标到探测器的距离;通过对f if 傅立叶变化可以得到我们所需要的距离信息。将这种技术应用到调制频率为
1-2G H z ,输出功率为4W 的半导体激光雷达上,距离分辨率小于0.3m ,作用距离可达几千米。2.3 二极管泵浦固体成像激光雷达二极管泵浦固体激光器(DP L )的发展,给固体激光雷达技术注入了新的活力。二极管泵浦固体激光器大大提高了效率和重复频率,克服了热效应等缺点,实现单模稳定运转、高稳频、高功率、高效率和高光束质量,并使器件向小型化发展。正是由于二极管泵浦固体激光器本身的优点和近几年来固体激光技术的重大突破,固体激光雷达在成像、远程目标跟踪和识别等领域呈现出巨大的发展潜力。美国率先进行了二极管泵浦固体激光制导技术的研究。20世纪90年代初期,美国Hercules [11]防御中心成功研制一台用于战场监视的1.32um 固体激光成像雷达,采用光栅扫描成距离像、InG aAs 雪崩二极管探测器,最大距离为2km ,距离分辨率为0.25m 。与此同时,美国Fibertek 公司研制用于直升机防撞的样机,激光波长为1.54um ,脉冲重复频率为15kH z ,脉冲能量为100u J ,脉冲宽度为5ns ,扫描方式采用圆周平移扫描,已在直升机上进行了两次试验。
最近美国Intevac 公司开发一种距离选通激光照明二维成像系统,它工作在对人眼无害的新波段。该系统采用传输电子光电阴极(TEPhotocathode ),工作波段为1500-1600nm 。采用激光脉冲照射目标区域(F LIR 或S AR 确定的目标),可以实现远距离侦察。LI VAR 采用闪光灯泵浦,OPO 移相Nd ∶Y AG 激光器,能量为6m J ,波长为1570nm ,重复频率为
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30H z ,与带有TE 光电阴极的E BCC D 组成的原形样
机,可以识别5km 之外的目标。对要求中等以上功率的应用而言,二极管激光泵浦固体激光主动成像雷达(图2)有很大的应用前景。这种固体激光主动
成像雷达有输出功率高、脉冲重复频率高、体积小、质量轻、可靠性高等优点。脉冲激光信号经扩束至目标,再经目标反射进入接收光学系统,回波信号经场镜会聚至APD 光敏面
。
图2 二极管泵浦固体成像激光雷达系统结构
MIT Lincoln lab 一直潜心研究APD ,它可以用精
确的光子计数代替传统的光强测量,现在实验室正在通过加大APD 的电压水平使其产生失控效应,从而达到更高的灵敏度。探测器前放的输出信号送入数据采集系统,采样后送入计算机,进行必要的滤波和信号处理,提取信号,获得测量值。为了减小背景噪声及其他噪声的影响,在APD 前面还加了一个窄带滤光片。整个系统都是在计算机的控制下实时进行的。通常,激光雷达回波信号的获取是采用瞬态记录仪。对一个高重复频率的激光雷达系统来说,瞬态记录仪已经不能满足处理的要求,因此,在高重复频率的二极管泵浦固体激光雷达系统的研究中,研究采用高速数据采集系统(数据系统)是非常必要的。特殊的Ladar 系统采用数字滤波器,如有限冲击响应滤波器(FIR ),用于从回波信号的数字采样中提取距离信息过程中信号的相关和卷积。FIR 滤波器是一个离散线性时变系统,它的输出是基于过去有限个输出的加权和。FIR 滤波器完成卷积,或回波信号的数字化脉冲与另外一个信号的卷积。卷积的结果就是回波信号和模板的相关。LADAR 系统可以通过测定哪个离散采样与模板有最大的相关,
从而确定距离。另外应用可调谐固体激光器和倍频固体激光的波长可调,又开辟了许多新的应用领域。虽然DP L 成像激光雷达的发展历史还很短,但其发展潜力是不容置疑的。目前,DP L 全固态成像激光雷达已成为各国研究的热点,也是今后成像激光雷达的一个发展趋势。3 结论与展望
成像激光雷达的研究是一个非常庞大的工程,需要考虑很多方面的因素,激光雷达系统的性能除了受激光雷达系统本身决定(如激光器、探测器和光学系统的设计及探测方式等)外,还要受诸如环境因素和目标特性的影响。为了经济、灵活有效的设计和研制成像激光雷达系统,提高成像激光雷达系统的性能,运用计算机模拟方法是一条非常有效的途径。同时,成像激光雷达系统的研究是一项很复杂的技术,仍有许多关键技术需要解决。在应用中,需要考虑体积、重量、分辨率、成像速率、作用距离和价格等多方面的因素。根据成像激光雷达目前的发展趋势,可以肯定的说,在不久的将来,成像激光雷达
会在军事和国民经济中发挥越来越重要的作用。
[12]
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作者简介:丁红星(1975-),江苏连云港人,连云港师范高等专科学校自然科学系讲师,主要从事激光雷达和微弱信号检测的教学与研究。
Development of Im aging Laser R ada R esearch
DI NG H ong-xing1,DE NG Rui1,X UE G uo-gang2,Y AN Chang-chun2
(1.Department of Nature Science,Lianyungang T eachers C ollege,Lianyungang222006,China;
2.Department of Physics,Xuzhou N ormal University,Xuzhou221116,China)
Abstract:The imaging laser radar has m ost applications in the civil and military area.The paper introduces the present situation and development of C O2laser imaging radar,LD laser imaging radar and Diode pum ped s olid state laser imaging radar.
K ey Words:imaging laser radar;LD laser;scanning laser radar;Diode pum ped
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激光雷达与激光成像雷达
激光雷达与激光成像雷达 一、激光雷达与激光成像雷达 一、激光雷达与激光成像雷达 人通过感觉器官感知，认识外部世界的一切。用耳朵听音乐、话音、机器的轰隆声、钟声、铃声等一切通过声音传递的信息；用手感觉温度、物体的硬软以及物质的存在；用眼睛观察外部世界的形状、颜色、运动状态、速度、位置、识别物体的种类等等。人的眼睛之所以可以看见外部世界，是因为太阳光谱中的可见光照射在物体上反射的结果。那么除了“可见光谱”之外还存在别的“不可见的光谱”吗？事实上，广义的光谱按频段的不同，有大家所熟悉的电磁波、远红外、近红外、可见光、紫外光谱，而可见光谱区中，红色的光波长最长，紫色的波长最短。而且人们已经发现不同的物质辐射不同的谱线，在特定的条件下还可以只辐射某一单一波长的谱线，当其人们发现不可见光谱区中的单一的光谱谱线具有可贵的特性的时候，就力图去产生、开发、利用这种单一光谱谱线，由此产生了激光及用于不同场合的激光系统。 视觉引发人们的形象思维，眼睛从外界事物所获取的信息量大，直接而快速，是其他感觉器官所不能代替的，这也就是古人所说的“眼见为实”的深切内涵。正是因为这个道理，人们不愿受限于“可见光”的可见，而想去探求自然光条件下所看不见的东西，如想在漆黑的夜晚，去观察外部世界，就开发出了“夜视仪”。被动“红外热成像仪”也不是依赖于可见光的反射特性去观察变幻莫测的外部世界的，而是依赖于物体本身的热辐射，无论白天或黑夜都可以用以观察人类世界的一切，而且已经是超视距的。目前最新的热成像仪，1ms内热敏成像。红外成像高速测温用来检测来复枪，其射出的弹头在弹道上飞行速度为840m/s，弹头距枪口0.914 4m处的热成像还能分辨出弹头上不同部位摩擦热的温差。 遥感仪则可以依据物体本身的辐射谱线，包括电磁波段与红外光区，远距离成像，把肉眼原本看不见的自然变化，转化为可见，以照片的形式或屏幕显示的图像，甚至动态图像的形式展现出来，这就是当今人们感兴趣的可视化技术。人们力图从各个领域做这方面的研究和开发应用。 通过眼睛人们能够确定方向——定位，作为控制手的动作的依据，当然这是受限于“视距”之内的，通过望远镜可以延伸视距；但是“定位”的精度达不到人们通用目的需要，所谓“差之毫厘，失之千里”。雷达满足了远距离定位和精度的要求，雷达源于英文Radio Detection And Ranging的缩写RADAR，于1935年问世。 当其“激光”这种波长处于红外光谱波段的“激光光源”被研究出来之后，人们自然想到利用微米波段（红外光谱波段）的光波作为信息的载体去探测、获取其他手段难于探测、观测到的目标的信息。激光雷达研制成功后，相继激光成像雷达应运而生。激光雷达的英文名字“LADAR”是Laser Detection And Ranging的缩写。激光雷达的研究是从目标探测和测距入手的，早期（1962～1976年）的研究系统被称为光雷达（Optical RADAR），并命名为LIDAR（Light Detection And Ranging）。可以说军事应用对测量系统精确度的要求日
激光主动成像制导雷达的研究方向
激光主动成像制导雷达的研究方向 刘立宝1 蔡喜平2 乔立杰2 杨 洋2 (哈尔滨工业大学威海分校理学系1 威海 264209) (哈尔滨工业大学应用物理系2 哈尔滨 150001) 文摘:文中介绍了国外制导用激光成像雷达近年来的发展情况,总结提出了激光主动成像制导雷达的研究方向。CO2激光成像雷达系统效率高,大气传输性能好,信息处理技术成熟,易于实现高灵敏度外差探测和三维成像,曾经是主要的研究对象;固体激光雷达系统具有系统质量轻、价格低,探测器不需要制冷的独特优点正成为现在研究热点;二极管激光成像雷达体积小、造价低、寿命长、可靠性高、功耗低,可采用室温探测,有着很大的发展前途。 关键词: 激光雷达 成像 制导 R esearch of active im aging guiding lidar system Liu Libao1 Cai Xiping2 Qiao Lijie2 Yang Yang2 (Department of Science,Weihai Campus,Harbin Institute of Technology1, Weihai, China, 264209) (Department of Applied Physics,Harbin Institute of Technology2, Harbin, China, 150001) Abstract:In this paper,the latest development of imaging guiding lidar overseas is introduced, and the future of that is predicted.The CO2lidar system has the advantages of higher efficiency,bet2 ter transmission capability in air,more developed information processing technology,easy to actualize the coherent detection with high sensitivity,and3D imaging,so it has been the main object for study2 ing.For the special excellence of light weight,lower price,and detector without cooling,the solid imaging lidar system is now being a hot spot of research.With well outlook,the diode lidar system has got more characteristics than the systems before. K eyw ords: Lidar Imaging Guidance 1999206224收稿 1999212220修回作者简介:刘立宝 男 31岁 讲师 从事光学成像研究及教学工作。 第29卷第2期 红外与激光工程 2000年4月Vol.29No.2 Infrared and Laser Engineering A pr.2000
激光雷达原理、关键技术及应用的深度解析
激光雷达原理、关键技术及应用的深度解析 “雷达”是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备.电磁波其功能包括搜索目标和发现目标;测量其距离,速度,角位置等运动参数;测量目标反射率,散射截面和形状等 特征参数。 传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波.可以用 振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。 激光雷达利用激光光波来完成上述任务。可以采用非相干的能量接收方式，这主要是一脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采用相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现探测。激光雷达和微波雷达并无本质区别，在原理框图上也十分类似，见下图激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的原理相似，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置（距离、方位和高度）、运动状态（速度、姿态）等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。激光光速发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。天线和系统的尺寸可以作得很小。利用不同分子对特定波长得激光吸收、散射或荧光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。 激光雷达的种类目前，激光雷达的种类很多，但是按照现代的激光雷达的概念，常分为以下几种: 按激光波段分：有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。 按激光介质分：有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵浦固体激光雷达等。 按激光发射波形分：有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。按显示方式分：有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。 按运载平台分：有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、
激光雷达在军事中的应用
激光雷达在军事中的应用 摘要：本文简要介绍激光雷达的特点、激光雷达探测的基本物理原理及其在军事领域的应用现状．Laser rader’s character was briefly introduced in this essay.Besides,its elementary physical fundamental was also introduced as well al its use from military field. 关键词：激光雷达；探测；军事应用 1引言 激光雷达是现代激光技术与传统雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器半导体激光器及波长可调谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式即为直接探测和外差探测。它像传统的微波雷达一样，由雷达向目标发射波束，然后接收目标反射回来的信号，并将其与发射信号对比，获得目标的距离、速度以及姿态等参数．但是它又不同于传统的微波雷达，它发射的不是微波束，而是激光束，使激光雷达具有不同于普通微波雷达的特点． 根据激光器的不同，激光雷达可工作在红外光谱、可见光谱和紫外光谱的波段上．相对于工作在米波至毫米波波段的微波雷达而言，激光雷达的工作波长短，是微波雷达的万分之一到千分之一，根据光学仪器的分辨率与波长成反比的原理，利用激光雷达可以获得极高的角分辨率和距离分辨率，通常角分辨率不低于0.1mrad ，距离分辨率可达0.1m , 利用多普勒效应可以获得10m / s 以内的速度分辨率．这些指标是一般微波雷达难以达到的，因此激光雷达可获得比微波雷达清晰得多的目标图像。 激光束的方向性好、能量集中，在20km 外，其光束也只有茶杯口大小，因而敌方难以截获，而且激光束的抗电磁干扰能力强，难以受到敌方有源干扰的影响． 由于各种地物回波影响，因而在低空存在微波雷达无法探测的盲区．而对于激光雷达，只有被激光照射的目标才能产生反射，不存在低空地物回波的影响，所以激光雷达的低空探测性能好．激光雷达体积小、重量轻，有的整套激光雷达系统的重量仅几十千克．例如为了适应海军陆战队的需要，美国桑迪亚国家实验室和伯恩斯公司都提出了手持激光雷达的设计方案．相对于重达数吨、乃至数十吨的微波雷达而言，激光雷达的机动性能显然要好得多． 任何事物都是一分为二的，激光雷达也有自身的缺陷．激光光束窄、方向性好，虽然表现出能量集中的优点，但不宜用作战场监视雷达搜索大空域．而且激光的传输受环境影响大，尤其是在雨、雪、雾的天气，激光在传输过程中的衰减更大．当然，激光在大气层外传输时不易衰减，有其得天独厚的优势．经过几十年的努力，科学家们趋利避害，已研制出多种类型的军用激光雷达．激光雷达在军事上可用于对各种飞行目标轨迹的测量。如对导弹对卫星的精密定轨等。激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火力控制系统对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。由于激光雷达可以获取目标的三维图像及速度信息，有利于识别隐身目标。激光雷达可以对大气进行监测，遥测大气中的污染和毒剂，还可测量大气的温度、湿度、风速、能见度及云层高度。用激激光器作为辐射源的雷达。 2. 用干战场侦察的激光雷达 众所周知，普通的成像技术（如电视摄像、航空摄影及红外成像等）获得的场景图像都是反映被摄区域辐射强度几何分布的图像，而激光雷达可以通过采集方位角一俯冲角一距离一速度一强度等三维数据，再将这些数据以图像的形式显示出来，从而可产生极高分辨率的辐射强度几何图像、距离图像、速度图像等，因而它提供了普通成像技术所不能提供的信息． 例如美国桑迪亚国家实验库研制的一种激光雷达，激光器功率为120MW ，显示屏幕的像素为64
深度剖析激光雷达核心技术
深度剖析激光雷达核心技术 从四个维度深度剖析激光雷达核心技术 激光雷达（LiDAR）的产业化热潮来源于自动驾驶汽车的强烈需求。在美国汽车工程师学会（SAE）定义的L3级及以上的自动驾驶汽车之中，作为3D视觉传感器的激光雷达彰显了其重要地位，为自动驾驶的安全性提供了有力保障。因此，激光雷达成为了产业界和资本界追逐的“宠儿”，投资和并购消息层出不穷。很多老牌整车厂和互联网巨头都展开了车载激光雷达的“军备竞赛”。近期，MEMS激光雷达技术发展最为活跃，并且吸引了大多数投资，同时宝马宣布将于2021年推出集成MEMS激光雷达的自动驾驶汽车。 不同自动驾驶等级对传感器的需求分析（数据来源：Yole） 伴随着自动驾驶热度上升，激光雷达相关新闻铺天盖地袭来。但是这项在自动驾驶领域尚不成熟的3D视觉技术，不仅公开技术资料稀缺，而且企业和媒体关于各种激光雷达的分类和称谓表达五花八门，例如：机械式、固态、全固态、混合固态；又如：MEMS（微机电系统）、OPA（光学相控阵）、Flash（闪光）；亦如：FMCW（调频连续波）、脉冲波；还如：飞行时间法、三角测距法等。这些称谓常常让圈内圈外的人士感到困惑。不用担心，麦姆斯咨询为您答疑解惑，本报告从“测距原理、光源、光束操纵、探测器”四个维度对激光雷达核心技术及分类进行了分析，力求让读者对激光雷达错综复杂的技术脉络有清晰的认知。 当我们在交流“直接/间接飞行时间法、三角测距法”等概念时，这实际上是激光雷达的“测距原理”维度；而谈及“机械式、MEMS、OPA、Flash”等关键词时，这属于激光雷达的“光束操纵”维度；无论是905nm还是1550nm的波长，还是边发射激光器（EEL）或垂直腔面发射激光器（VCESL），这是从激光雷达的“光源”维度交流问题；而涉及PIN、APD（雪崩光电二极管）/SPAD（单光子雪崩二极管）、SiPM（硅光电培增管），或是单点、线阵、面阵，则是从激光雷达的“探测器”维度分析技术。 掌握不同类型激光雷达技术路线及“硬核”
主动成像激光雷达
第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年9月 V ol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep. 2008 收稿日期：2008-09-22 作者简介：杨鹏（1981-），男，河南南阳人，博士研究生，主要从事光电位移测量光电研究。Email:rocyangpeng@https://www.360docs.net/doc/d111179719.html, 导师简介：艾华（1961-），男，吉林长春人，研究员，博导，主要从事光电位移测量、光电测控研究。Email:aih ◎https://www.360docs.net/doc/d111179719.html, 主动成像激光雷达 杨 鹏1,2，王宇志1,2，李 琳1,2，艾 华1 （1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033； 2.中国科学院研究生院， 北京 100039) 摘要：主动成像激光雷达由系统本身提供照明，不必再依赖太阳角，可全天候工作，具有远距离、高分辨率、三维成像能力。特别是具有目标探测、识别和辨识等方面的超强能力，战场上在预警、信息获取、目标监视和侦查方面有很重要的应用。介绍了两种不同体制主动成像激光雷达：一种是采用相干成像合成孔径红外激光雷达，另一种是采用孔径平面散斑强度信息成像激光雷达。阐述了两种不同体制主动成像激光雷达的原理、特点和研究现状，并对其关键技术和应用前景进行了简要的分析。 关键词：激光雷达； 合成孔径； 散斑成像； 相干探测 中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(激光探测)-0115-05 Active imaging ladar YANG Peng 1,2 ,WANG Yu-zhi 1,2, LI Lin 1,2 , AI Hua 1 （1. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of sciences, Changchun 130033, China ； （2. Graduate School of the Chinese Academy of sciences, Beijing 100039, China ） Abstract: Active imaging ladar, because they provide their own illumination, are capable of operating 24 hours a day and are not dependent upon the angle of the sun. They can provide ultra-high resolution and three-dimensional imaging at long range. These capabilities would be promising in target detection and remote sensing and mapping. These capabilities would improve Battlefield Awareness (BA) and provide persistent Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance (ISR) to perform target detection, recognition, and identification. This paper discusses two different approaches to active optical imaging. One is a coherent approach that uses synthetic aperture techniques with infrared laser radar, and another approach uses only the intensity of the speckle pattern in the aperture plane. Two different approaches to active optical imaging are introduced. The principle, advantage and progress of these two ladar systems are described. The key techniques and application prospect of them are also briefly discussed. Key words: Ladar; Synthetic aperture; Speckle imaging; Coherent detection 0 引 言 主动成像激光雷达工作在光学波段，其工作波长 远小于普通微波雷达，因此可以获得高分辨率的目标图像，这些图像看起来更自然、更容易理解，因此，其在军事侦察和遥感测绘等方面具有广阔的应用前景。主要介绍了两种不同体制的成像激光雷达，都具
激光雷达测量系统介绍
激光雷达测量系统介绍 数据事业部李谨Lidar (Light Detecting And Ranging)技术是一种利用光束来探测物体和测定距离的高科技集成系统，代表着当前数码测绘技术的前沿。机载GPS提供Lidar系统的空间位置，惯性测量系统提供Lidar激光的方向，激光系统提供激光脉冲，计算机系统提供高速、大规模数据存储空间与处理能力。近年来，国内外学者对于lidar的应用做了大量的研究。其主要研究集中在lidar数据的矫正和匹配问题、基于近距离小功率lidar测距器的目标的表面重建研究，以及基于正射影像或遥感影像的房屋建模研究等等。 一．Lidar技术产生背景 激光是60年代发展起来的一门崭新的学科。40年来，经过基础理论和应用技术研究，目前已经进入全面发展和应用阶段。激光技术的发展和应用不仅使古老的光学技术别开生面，而且广泛渗透到各个学科。它已成为科学技术领域中强有力的研究工具和行之有效的手段，带动和促进了科学技术的发展。 利用激光作为遥感设备，可追溯到30多年以前。从20世纪60年代到70年代这段时期,人们进行了多项试验,结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力,其中包括激光测月和卫星激光测距。美国早在20世纪70年代阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术。20世纪80年代末,以机载激光扫描测高技术为代表的空间，对地观测技术在多等级三维空间信息的实时获取方面产生了重大突破。随着相关技术的发展和社会需求的不断扩大,机载激光扫描测高技术的发展日新月异。机载激光扫描测高系统能够快速获取精确的高分辨率数字地面模型，以及地面物体的三维坐标，进而获取地表物体的垂直结构形态。同时，配合地物的视频或红外成像结果,增强了对地物的认识和识别能力,在摄影测量与遥感及测绘等领域具有广阔的发展前景和应用需求。机载激光扫描测高技术的发展，为获取高时空分辨率的地球空间信息，提供了一种全新的技术手段。使人们从传统的人工单点数据获取，变为连续自动数据获取,提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处理逐渐向智能化、自动化方向发展。二．Lidar技术的发展与现状 20世纪80年代,激光测量得到了迅速发展,包括当时美国NASA研制的大气海洋LIDAR系 统以及机载地形测量设备等机载系统。但机载、空载激光扫描测高技术直到最近十几年才取得重大进展,研制出精确可靠的激光测高传感器,包括航天飞机激光测高仪、火星观测激光测高仪，以及月球观测激光测高仪。利用它们可获取地球表面、火星表面及月球表面的高分辨
(完整版)关于车载激光雷达的知识清单
关于车载激光雷达的知识清单 ?2017年6月28日 ? ?国际电子商情 本篇知识清单分享给你，助你快速了解车载激光雷达产业。 在无人驾驶架构中，传感层被比作为汽车的“眼睛”，包括车载摄像头等视觉系传感器和车载毫米波雷达、车载激光雷达和车载超声波雷达等雷达系传感器。其中激光雷达已经被大部分人认为是实现自动驾驶的必要基础，毕竟传统雷达无法识别物体细节，而摄像头在暗光或逆光条件下识别效率明显降低。 也正得益于无人驾驶汽车市场规模的爆发，预计2030年全球激光雷达市场可达到360亿美元的规模，将成为新的蓝海。本篇知识清单分享给你，助你快速了解车载激光雷达产业。 内容导读： 1.车载激光雷达的技术原理 2.激光雷达在自动驾驶应用中有何优缺点？ 3.车载激光雷达有哪些应用？ 4.如何降低自激光雷达的成本? 5.国内外最全激光雷达企业介绍 一、车载激光雷达的技术原理 激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，最初是军事用途。其工作原理是向目标发射探测信号（激光束），然后将接收到的从目标反射回来的信号（目标回波）与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。 这里详细介绍一下车载激光雷达的工作原理及实现方式。第一种是较为传统的扫描式激光雷达，这种设备被架在汽车的车顶上，能够用多束激光脉冲绕轴旋转360°对周围环境进行距离检测，并结合软件绘制3D图，从而为自动驾驶汽车提供足够多的环境信息。 这种激光雷达最初是在11年前的Darpa无人车挑战赛上，由美国Velodyne公司开发并被参赛团队使用（当时采用的是64线的激光雷达方案）。由于那时的成本
激光雷达原理
激光雷达原理 -------读书笔记 99121-19 邓洪川 一.概念: “雷达”(Radio Detection and Range,Radar)是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备.电磁波其功能包括搜索目标和发现目标;测量其距离,速度,角位置等运动参数;测量目标反射率,散射截面和形状等特征参数。 传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波.可以用振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。 激光雷达利用激光光波来完成上述任务。可以采用非相干的能量接收方式，这主要是一脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采用相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现探测。激光雷达和微波雷达并无本质区别，在原理框图上也十分类似，见下图 微波雷达 激光雷达 激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。激光光速发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。天线和系统的尺寸可以作得很小。利用不同分子对特定波长得激光吸收、散射或荧光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。 目前，激光雷达的种类很多，但是按照现代的激光雷达的概念，常分为以下几种: (1)按激光波段分，有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。 (2)按激光介质分，有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵 浦固体激光雷达等。 (3)按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。
(4) 按显示方式分，有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。 (5) 按运载平台分，有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光 雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。 (6) 按功能分，有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像 雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。 (7) 按用途分，有激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多 功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气监测激光雷达等。 激光雷达的波长比微波断好几个数量级，又有更窄的波束。因此，于微波雷达相比，激光雷达具有如下优点： （1） 角分辨率高，速度分辨率高和距离分辨率高。采用距离-多普勒成像技术可 以得到运动目标的高分辨率的清晰图象。 （2） 抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿越等离子鞘，低 仰角工作时，对地面多路径效率不敏感。激光束很窄，只有在被照射的那一点，那瞬间，才能被接收，所以激光雷达发射的激光被截获的概率很低。 （3） 激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测。这是微波雷达无能为 力的。 （4） 在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。 当然，激光雷达也有如下缺点： （1） 激光受大气及气象影响大。大气衰减和恶劣天气使作用距离降低。此外， 大气湍流会降低激光雷达的测量精度。 （2） 激光束窄，难以搜索目标和捕获目标。一般先有其他设备实施大空域、 快速粗捕目标，然后交由激光雷达对目标进行精密跟踪测量。 二.激光雷达作用距离方程 激光和微波统属电磁波，激光雷达作用距离方程的推导与微波雷达的推导是相似的。从微波雷达作用距离方程可以导出激光雷达方程： Sys Atm T T R D R R G P P ηηππδπ???=4442 2 2 式中，P R 是接收激光功率（W ）；P T 发射激光功率（W ）；G T 是发射天线增益；σ是目标散 射截面；D 是接收孔径（m ）；R 是激光雷达达到目标的距离（m ）；ηAtm 是单程大气传输系数；ηSys 是激光雷达的光学系统的传输系数。定义A R =πD 2是有效接收面积（m 2）.式中还有： 24T T G θ π = 其中 D K a T λ θ= 两式中，θT 是发射激光的带宽；λ是发射激光的波长；K a 是孔径透光常数。 经过整理，式（1）变为
激光雷达行业研究报告
汽车产业链系列研究报告（一） ——激光雷达二零一八年四月 刘海涛
目录 一、行业概况 二、技术分析三、市场概况 四、企业概况
什么是智能设备 定义：具有感知、分析、推理、决策、控制功能的设备，是先进制造技术、信息技术和智能技术集成和深度融合。 环境感知系统计算处理系统控制执行系统
智能设备发展阶段 人的参与度有人→辅助→半自动→全自动环境复杂度封闭环境→结构化环境→非结构化环境任务复杂度单一简单任务→单一复杂任务→多任务数据处理 知识输入型专家系统→神经网络&机器学习 目前阶段 道路是结构化程度很高的非结构化环境
环境感知系统 环境感知系统智能传感器系统中唯一非人工输入视觉传感器位置传感器速度传感器 力觉传感器 触觉传感器 直观视觉：摄像头、高速相机 环境模式视觉（深度）：3D激光雷达、双目摄像头激光测距、2D激光雷达、毫米波、超声波、GPS 惯性导航、陀螺仪、GPS…… 压力传感器…… 光学、电容、电阻、划觉 ……激光雷达凭借其探测距离远、精确度高的特点成为自动驾驶环境感知系统是最不可或缺的一个，但又因为其环境适应能力差等缺点注定了不能是唯一的一个。
三种传感器性能对比 激光雷达毫米波雷达摄像头 探测距离10106 可靠度825 行人判别8210 夜间模式10101 恶劣天气5103 细节分辨6110 ●激光雷达是三种环境感知传感器中综合性能最好 的一种，这也就决定了它是自动驾驶汽车等机器 人环境感知系统中不可或缺的一部分。 ●激光雷达在天气适应性和细节分辨上有明显短板， 因此绝不会是环境感知系统中唯一的传感器。
激光雷达测距基本知识与其应用
目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract (1) Key words (1) 引言 (1) 1雷达与激光雷达系统 (2) 2激光雷达测距方程研究 (3) 2.1测距方程公式 (3) 2.2发射器特性 (4) 2.3大气传输 (5) 2.4激光目标截面 (5) 2.5接收器特性 (6) 2.6噪声中信号探测 (6) 3伪随机m序列在激光测距雷达中的应用 (7) 3.1测距原理 (7) 3.2 m序列相关积累增益 (8) 3.3 m序列测距精度 (8) 4脉冲激光测距机测距误差的理论分析 (9) 4.1脉冲激光测距机原理 (9) 4.2 测距误差简要分析 (10) 5激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用 (10) 6结束语 (11) 致谢 (12) 参考文献 (12) -
激光雷达测距原理与其应用 摘要:本文简单介绍激光雷达系统组成，激光雷达系统与普通雷达系统性能的对比，着重阐述激光雷达测距方程的研究。针对激光远程测距中的微弱信号检测，介绍一种基于m序列的激光测距方法，给出了基于高速数字信号处理器的激光测距雷达数字信号处理系统的实现方案，并理论分析了脉冲激光测距机的测距误差。了解并学习激光雷达在移动机器人等其它方面中的应用。 关键词：激光雷达；发射器和接收器特性; 伪随机序列; 脉冲激光；测距误差 Applications and Principles of laser radar ranging Student majoring in Optical Information Science and Technology Ren xiaonan Tutor Shang lianju Abstract:This paper briefly describes the composition of laser radar systems, laser radar system and radar system performance comparison of normal, focusing on the laser radar range equation. Laser Ranging for remote signal detection, presents a introduction of a sequence based on laser ranging method m, gives the high-speed digital signal processor-based laser ranging radar digital signal processing system implementations, and theoretical analysis of the pulse Laser rangefinder range error.We understand and learn application of Laser radar in the mobile robot and other aspects. Key words：Laser radar; Transmitter and receiver characteristics；Pseudo-random sequence；Pulsed laser；Ranging error. 引言：激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，激光具有亮度 高、单色性好、射束窄等优点,成为光雷达的理想光源,因而它是目前激光应用主要的研究领域之一。激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。利用激光作为遥感设备可追溯到30多年以前，从20世纪60年代到70年代，人们进行了多项试验，结果都显示了利用激光进行遥感的巨大潜力，其中包括激光测月和卫星激光测距。激光雷达测量技术是一门新兴技术，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用.LiDAR(LightLaser Detection and Ranging)是激光探测及测距系统的简称，通常指机载对地激光测距技术，对地激光测距的主要目标是获取地质、地形、地貌以及土地利用状况等地表信息。相对于其他遥感技术，LIDAR的相关研究是一个非常新的领域，不论是在提高LIDAR数据精度及质量方面还是在丰富LIDAR数据应用技术方面的研究都相当活跃。随着LIDAR传感器的不断进步，地表采点密度的逐步提高，单束激光可收回波数目的增多，LIDAR数据将提供更为丰富的地表和地物信息。激光测距可分为星载(卫星搭载)、机载(飞机搭载)、车载(汽车搭载)以及定位(定点测量)四大类，目前激光测距仪已投入使用,激光雷达正处在试验阶段,某些激光雷达已付诸实
激光雷达综述
激光雷达技术及其应用综述 一、激光雷达的概念 激光雷达（LIDAR-Light Detected And Ranging）是一套复杂的光机系统，它结合了光源、光电探测等技术，有时还包括计算机图象处理技术，能够同时获得方位、俯仰角度、距离、强度等信息，特别适合用于森林结构的估计、城市建设、工业、农业、航空航天等领域[1]。一个典型的激光雷达结构示意图，如图1所示。激光雷达是一种主动式遥感探测设备，从工作原理来说，它只是把传统微波雷达的光源变成了激光：向被测目标发射激光信号,然后接收反射回来的信号、并与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息。 激光雷达不同于机器视觉技术，使用的是更为精确的激光光源和光电传感器，而机器视觉多是使用普通相机摄像头探测和CCD或CMOS作为图像传感器。激光雷达可以实现较大测量范围内的3D立体探测，但易受环境天气因素影响；使用微波（毫米波）雷达的机器视觉探测技术，立体测量范围有限、精度不高，但抗干扰性强、测量距离远。 图 1 典型激光雷达系统结构 二、激光雷达的关键技术 2. 1 光源技术 激光雷达系统中使用的光源，目前主要是CO2激光器，半导体激光器(LD)和以Nd：YAG 为主的固体激光器。 较远测程(数百米以上)的二极管激光成像雷达对其辐射源的要求, 一是具有足够高的输出功率, 二是具有足够窄的发射波束。目前商品化的二极管激光器虽可分别达到10W 的平均功率和衍射极限的波束质量, 但同一器件却难以同时满足这两项要求。一种可能的途径是采用面发射分布反馈(SEDFB)的二极管激光器阵列和微光学(MOC)准直技术。一个40 阵列, 采用微透镜组1.3cm ×10cm 孔径, 得到0.5 ～0.75mrad 发散度的10W 连续输出功率。当然, 为了实现这样的准直效果, 必须对微光学系统进行精心设计加工, 使其达到1μm 的绝对准直精度, 采用激光辅助化学腐蚀工艺制造微光学系统, 可以满足这一要求。在具体设计时, 必须对孔径尺寸, 波束发散度和输出功率进行合理的折衷[2]。 2. 2 传感器的选择 如果说激光源是激光雷达的“发射机”，那么光电探测器就是“接收机”。类似雷达系统的接收机，光电探测器可选择如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、红外和可见光多元探测器件等[3]。 从激光源发射的脉冲只有小部分光子到达了光电探测器的有源探测区域[4]。若大气衰减不会随着脉冲路径发生变化，则激光的光束发散角可忽略不计，照明点小于目标，入射角度
激光雷达简介报告
激光雷达 一、简介 激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。 激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，陆续开发出不同用途的激光雷达，使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。 二、背景 激光雷达之所以受到关注，是因为其具有一系列独特的优点：具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。但是，激光雷达的技术难度很高，至今尚未成熟，而且在恶劣天气时性能下降，使其应用受到一定的限制。激光雷达类别可以从不同的角度来划分。若按用途和功能划分，则有精密跟踪激光雷达、制导激光雷达、火控激光雷达、气象激光雷达、水下激光雷达等；若按工作体制划分，则有单脉冲、连续波、调频脉冲压缩、调频连续波、调幅连续波、脉冲多普勒等体制的激光雷达。按不同的载体可分为星载、机载、车载及固定式激光雷达系统。其中星载激光雷达系统结合卫星定位、惯性导航、摄影及遥感技术，可进行大范围数字地表模型数据的获取；车载系统可用于道路，桥梁，隧道及大型建筑物表面三维数据的获取；固定式激光雷达系统常用于小范围区域精确扫描测量及三维模型数据的获取。总之，激光雷达技术的出现，为空间信息的获取提供了全新的技术手段，使得空间信息获取的自动化程度更高，效率更明显。这一技术的发展也给传统测量技术带来革命性的挑战。 国外激光雷达技术的研发起步较早，早在20世纪60年代，人们就开始进行激光测距试验；70年代美国的阿波罗登月计划中就应用了激光测高技术；80年
长波红外激光成像雷达技术的研究进展_王春晖
第31卷 第3期 激光与红外V o l.31,N o.3 2001年6月 L A SER & IN F RA RED J une,2001 文章编号:1001-5078(2001)03-0133-03 长波红外激光成像雷达技术的研究进展 王春晖,王 骐,尚铁梁 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:文中论述了长波红外激光成像雷达国内外最新研究进展。以CO2激光成像雷达为典 型代表,分析了长波红外激光成像雷达(与短波红外和中波红外相比)所拥有的技术优势。其中 CO2长波红外激光成像雷达已步入技术成熟阶段,现向高帧频、小型化、多用途波导CO2激光 成像雷达方向发展。随着近年来量子级联半导体激光器(QCL)迅猛发展,全固化QCL激光成 像雷达,将是未来长波红外激光成像雷达技术研究的热点之一。 关键词:激光雷达;波导CO2激光器;量子级联半导体激光器(QCL) 中图分类号:TN958.98 文献标识码:A State of the Art of Long Wave Infrared Laser Imaging Radar W ANG Chun-hui,W AN G Qi,SHAN G Tie-lia ng (Institute of o pto eletro nics,Harbin institute of T echnolog y,P.O.B309,Har bin150006,China) Abstract:In this paper,the latest r esea rch adv a nces o f lo ng wav e(LW)infr ared(IR)laser imag ing radar(L I R) a re ex pounded.The technolog ic adva nta ges o f LW I R L IR ov er sho rt-a nd mid-I R ones ar e analy zed.T he LW I R CO2LI R hav e matur ed,and is a dv ancing o n w aveg uide CO2L IR with high fra me f requency, miniaturiza tio n a nd multi-use.As recent qua ntum casca de la se r(Q CL)is dev eloping r apidly,a ll-sta te QCL L IR will be one o f th e best study task o n the LW IR LI R techno log y. Key words:laser imaging ra da r(L IR);wav eguide CO2laser;qua ntum cascade laser(Q CL). 1 引 言 激光成像雷达的研究始于七十年代“火池”(Firepond)激光雷达,它采用CO2激光外差探测体制,对GECO S-3卫星进行了跟踪演示试验[1]。激光主动成像雷达多以激光束快速扫描照射目标,落在目标各个部分的光斑其回波中即含有目标相应部分的反射强度信息,目标点至雷达的距离和速度信息(外差探测),经光电成像探测器接收,进行信息处理,即可在显示器上得到区别于背景的目标图像。利用反射强度得到目标强度像,利用目标距离信息得到距离像,如果将强度像和距离像的图像叠加,那就可以得到更精确反映目标外形特征的三维图像。另外,由于激光波束窄、工作频率非常高,角分辨率和速度分辨率极高,它的三维图像用于目标识别,与被动红外成像及合成孔径雷达相比,可大大提高目标识别精度,是目标自动识别和分类技术(ART)的一个重大进展[2]。例如,美国AGM-129A巡航导弹上加装CO2激光主动成像制导雷达以后,使它的目标精度由原来的40m提高到3m,提高了一个数量级[3]。 激光成像雷达按工作体制一般可分为两大类:直接探测和相干探测(包括零差、偏置外差和外差探测)激光成像雷达。按激光成像雷达的工作波长可分为:可见光及短波红外激光成像雷达(0.6328～3μm)、中波红外激光成像雷达(3～5μm)和长波红外激光成像雷达(8～12μm)。其中长波红外激光成 作者简介:王春晖(1965-),男,硕士,副研究员,1987年毕业于哈尔滨工业大学应用物理系,现在哈工大光电子技术研究所工作,主要从事长波红外相干激光探测技术研究。 收稿日期:2000-10-08