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

代，激光雷达技术得到了迅速发展，研制出了精度可靠的激光雷达测量传感器，利用它可获取星球表面高分辨率的地理信息。到了21世纪，针对激光雷达技术的研究及科研成果层出不穷，极大地推动了激光雷达技术的发展，随着扫描，摄影、卫星定位及惯性导航系统的集成，利用不同的载体及多传感器的融合，直接获取星球表面三维点云数据，从而获得数字表面模型DSM，数字高程模型DEM，数字正射影像DOM及数字线画图DLG等，实现了激光雷达三维影像数据获得技术的突破。使得雷达技术得到了空前发展。如今机光雷达技术已广泛应用于社会发展及科学研究的各个领域，成为社会发展服务中不可或缺的高技术手段。

研究和解决激光雷达的关键技术，建立起自己的星载激光雷达系统，将为我国的地形地貌测量、大气监测、海洋科学以及空间探测等科学研究提供必要的手段，具有重要的科学和应用价值，是提升我国空间科研水平和综合国力强有力的保证。

三、国内外发展现状

激光雷达在短短几十年中的迅猛发展，体现出这个新兴探测方式所具有的独特潜在力，激光雷达将越来越多地用于科学研究或军事战略等众多领域，作为获取三维高程和垂直结构信息非常有效且精确的手段，必将成为未来空间探测的发展趋势。

我国早在80年代就开始了对激光雷达的研究，也已经制定了激光雷达计划。2004年2月正式启动的月球探测计划"嫦娥"一号绕月卫星，计划搭载激光高度计用于月球表面的高度探测，探测数据与CCD光学相机的平面图像叠加处理后可以得到月球表面三维地形图形，为"落月"计划的实施提供基础数据。此外，为加快我国激光雷达技术的发展，国家科技部在863计划中也相继布置了有关星载激光雷达系统的预研课题。

国际空间大国激光雷达技术发展的历程表明，机载激光雷达系统的研制和应用是发展星载激光雷达的技术基础。在我国，中国测绘科学研究院、中国科学院武汉测量与地球物理研究所、武汉大学、中国科学院光电研究院等许多研究机构都已经开展了机载激光雷达技术的研究工作，并已取得了相当可喜的成绩，已经形成了研制机载激光雷达的能力，为发展星载设备奠定了坚实的基础。但是目前

我国在激光雷达理论研究、硬件设备以及数据应用方面与国际水平还存在较大的差距，星载激光雷达关键技术还有待进一步研究和论证。虽然星载激光雷达与机载激光雷达从工作原理上没有本质的区别，但天基系统对各组成单元的技术要求明显高于地面系统。由于特殊的空间运行环境，星载激光雷达对其各个分系统的设计也有特殊的要求，例如星载激光器对体积、重量、功耗、制冷方式、工作寿命及抗失调能力方面都有一系列特殊要求；光电探测器件的高灵敏度和低噪声要求，回波信号的高速采样和高速存储和传输，对整个测量过程的智能控制及卫星与地面的数据通信等；空间环境（如大气）引起的星载激光雷达数据噪声剔除和复原；星载激光雷达数据应用过程中的算法研究和产品提取技术等。只有实现对各单元技术的突破和系统整体的集成，才能使星载激光雷达研究真正走向实用。此外，数据应用技术如数据预处理加工、算法研究和产品提取等还不能满足真正的应用需求，这也将导致卫星的使用效益不能充分发挥。

四、应用领域

1、在军事上的应用

（a）激光武器

激光最吸引人的军事应用当属于激光武器。由于强激光束具有很强的烧蚀作用，因而可以破坏制导系统、引爆弹头和毁坏壳体、拦击制导炸弹、炮弹、导弹、卫星、飞机、巡航导弹和破坏雷达、通信系统等。激光摧毁卫星可由地面、空中和空间进行。激光武器的威力强大，命中率极高，是真正意义上的"杀手锏"。科幻电影中的激光武器反映了激光武器的远大前程。目前美国已研制出机载和车载激光武器。

当激光能量不高时，主要使敌方人员致盲和使某些光电测量仪器的光敏元件受到破坏甚至失效，或可用来在城市、森林大面积点火。著名的英－阿马岛战争中，英国就曾经使用了激光武器对付阿方飞机，导致飞行员失明而机毁人亡。在反坦克、反潜艇中，激光致盲武器也有很大发展潜力，对准潜望镜入口发射激光，就会把在用潜望镜观看外部情况的指挥员、驾驶员的眼睛损伤，坦克和潜艇也就失去作战能力。侦察卫星靠装在其中的各种光电传感器侦察地面目标，如果用激光束照射其中的光电传感器也会使侦察卫星变为"瞎子"。

(b) 激光制导

激光制导具有投掷精度高、捕获目标灵活，导引头成本低、抗干扰性能好、操作简单等优点。其主要制导方式有半主动制导、主动制导、波束制导。激光制导可同时攻击多个来袭目标，即把激光信号经过编码以数个指示器分别控制数枚导弹，打击来袭目标。为提高激光制导全天候作战能力，各国都在研制先进的激光目标指示器，以保证昼夜作战使用。目前激光制导技术的发展趋势：制导体制仍以半主动寻的制导和波束制导为主；发展高性能目标捕获跟踪和激光指示系统，提高武器系统的抗干扰能力和生存能力；开发小型化激光雷达导引头，以实现"打了不管"能力的激光自主制导；CO2激光频段的制导有取代YAG制导系统的趋势，特别是CO2雷达成像技术；发展双式多模制导系统等。各军事大国都已有大量激光制导武器装备部队，刚刚过去的海湾战争在一次让我们见识了激光制导的作用与威力。

(c) 激光测距与激光雷达

激光测距与普通测距相比，具有远、准、快、抗干扰、无盲区等优点。激光测距在常规兵器中已广泛应用，正在逐步取代普通光学测距手段。雷达分辨率与波长有关，波长越小，分辨率和精度越高。激光雷达在高精度和成像方面占有优势，其分辨率可达厘米甚至毫米级，比微波雷达高近100倍；测角速精度，理论上比微波雷达高一亿倍以上，现在已做到高1000~10000倍。军用激光雷达最成功的应用是辅助导航，特别是速度计。激光速度计可给机载导航计算机提供超精度测量，其测速误差可达0.5mm/s。激光雷达最适于远距离高分辨率成像。

(d) 激光侦察对抗

激光侦察在军事上占有十分重要的地位。利用激光技术进行多光谱摄影(全息摄影)，可以识别伪装目标。由于各种物体对各种光的吸收和反射能力不同，可以在底片上引起不同感光反应而实现对目标的侦察。海湾战争中，美国利用这一技术，发现了伊拉克严密伪装在树林里的坦克和导弹发射架。激光对抗可对激光测距进行欺骗，使其无法测定其真实距离或使导弹改变弹道。激光对抗还可对激光进行干扰。

2、激光雷达在大气中的应用

从60年代初期激光雷达问世以来，在短短30余年中，激光雷达技术得到了飞速的发展，其应用领域也越发广泛，涉及科学研究、军事工程和国民经济许多部分。特别是应用激光雷达技术在完全大气测量等项工作中显示出这一技术独有的特性和突出的发展前景。

激光雷达对大气的测量工作是通过射向大气中的激光与大气中的气溶胶及大气分子的作用而产生后向散射且被探测器接收而实现的。从激光雷达到被反射至接收器的信号携带着被测物质有关的信息(吸收、散射等)，通过对这些信息进行分析便可得到所需的物理量(温度、速度、密度等)。激光雷达对大气测量过程中根据激光与大气的作用方式的不同及测量目的的不同，演变出了多种不同类型的激光雷达。

(a) 用于气溶胶的测量----米氏散射激光雷达

米氏散射激光雷达是最简单却又是十分有效的一种激光雷达形式.米氏散射是指与波长同一数量级的球形位子的散射，其散射系数与波长的一次方成反比。在低空大气中存在着丰富的被称之为气溶胶的飘浮粒子，通过这些粒子的散射，可以得到较强的激光雷达信号，并完成与大气污染关系密切的气溶胶浓度与能见度的测定外，还可以将气溶胶分布作为示踪物对大气的构造及运动状况进行观测。与此同时还可对云、黄沙进行测量. 此外从散射光的偏振情况，还可推断气溶胶的性质。米氏散射激光雷达从烟尘的扩散到同温层的气溶胶，从局部现象到整个地球的规模现象均有广泛的应用。

(b) 用于气体成分的测定一一差分吸收激光雷达

差分吸收激光雷达是利用激光被气体分子的吸收及被气溶胶、大气分子的后向散射两方面的作用效果而设置的。它主要用于大气成分的测定，其中包括水蒸汽、臭氧及大气污染体的空间浓度分布等。差分吸收激光雷达的测量原理是使用激光雷达发出两种波长不等的光，其中一个波长调到待测物质的吸收线，而另一波长调到线上吸收系数较小的边翼，然后以高重复频率将这两种波长的光交替发射至大气中。此时由于激光雷达所测量到的这两种波长光信号衰减差是待测对象的吸收所致，因此通过数据分析，便可得到待测对象的浓度分布，从而达到测量之目的。差分吸收激光雷达光源的选择因为与被测气体的不同的吸收谱线有关，因此，通常采用YAG激光泵浦的波长可变的染料激光器。

(c) 用于气温的测定一一拉曼散射激光雷

这从经典电磁理论中可知: 分子中电子在光作用下发生极化，极化率大小又因分子热运动而发生改变，引起媒质折射率的涨落,使光学均匀性受到破坏，从而发生光的散射，即拉曼散射。拉曼散射光的频率是入射光频率和分子振动(转动)的固有频率的联合。由于拉曼散射与温度有关，因此可利用这一性质完成对气温的测量，拉曼散射激光雷达就是利用这一原理而制成的。利用拉曼散射激光雷达对温度进行测量，即可通过振动拉曼散射实现，也可通过转动拉曼散射来获得。其中后者更适合于低层大气中高精度气温的测定。在拉曼散射激光雷达中将微弱的拉曼散射光与米氏及瑞利散射光加以分离的分光系统的设计是至关重要的。拉曼散射激光霄达所采用的激光光源通常采用Q开关的YAG激光的二次谐波(523nm)作为光源。

(d) 用于风速的测量一一多普勒激光雷达

当目标与雷达之间存在相对速度时,接收的回波信号的载波频率就要相对原发射信号的载频产生一个频移,即多普勒频移,其表达式为: fd=2υ/λ多普勒激光雷达正是基于这一原理而完成测量风速工作的。在多普勒激光雷达测量风速过程中就其工作方式而言，分为相干方式及非相干方式。通常在对流层风速测定中采用相干方式，而对同温层及中间层风速测定中，通常采用非相干方式，由于激光雷达工作波长短(与微波雷达相比)，多普勒频率灵敏度高，故具有极高的速度分辨力，目前其测速范围已做到0.01~3000m/s。其光源大多采用CO气体激光器。

五、优点及不足

与普通微波雷达相比，激光雷达由于使用的是激光束，工作频率较微波高了许多，因此带来了很多特点，主要有：

（1）分辨率高

激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的)，并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离--多谱勒成像技术

来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点，其多数应用都是基于此。

（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强

激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小，可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低；另外，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。

（3）低空探测性能好

微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说，只有被照射的目标才会产生反射，完全不存在地物回波的影响，因此可以"零高度"工作，低空探测性能较微波雷达强了许多。

（4）体积小、质量轻

通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达就要轻便、灵巧得多，发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单，维修方便，操纵容易，价格也较低。

激光雷达的不足之处：

首先，工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。如工作波长为10.6μm的CO2激光，是所有激光中大气传输性能较好的，在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的CO2激光雷达的作用距离，晴天为10~20Km,而坏天气则降至1 Km以内。而且,大气环流还会使激光光束发生畸变、抖动，直接影响激光雷达的测量精度。

其次，由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率，只能在较小的范围内搜索、捕获目标，因而激光雷达较少单独直接应用于战场进行目标探测和搜索。

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