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1、1,第六章 激光雷达,2,战争需求促进科技发展,二次世界大战中雷达发挥了重要作用，成为战胜法西斯的法宝之一；军用需求促使雷达波长进一步缩短，分辨率进一步提高；从微波量子放大器maser到光学受激辐射放大器laser；激光雷达是微波雷达在光学波段的延伸。,3,1、激光雷达的基本概念,Radar:Radio Detecting and Ranging-无线电探测与定位；Ladar:Laser Detecting and Ranging-激光探测与定位；Lidar:Light Detecting and Ranging-光探测与定位；软目标与硬目标软目标：大气、云层、气溶胶、烟尘;硬目标：人员、车辆
2、、飞机、建筑物。,4,激光雷达的分类,按工作方式可分为：连续激光雷达与脉冲激光雷达，CW and Pulse Ladar脉冲激光雷达：可测距离、方向、高度；距离：根据电波由发射出去到接收回来所经历的时间测定；方向：根据收到反射波时天线所指的方向角确定；高度：根据距离和天线所指的仰角确定。连续激光雷达：采用调频波，根据发射波与反射波之间的频差测定距离，根据多普勒原理测运动物体的速度。采用调幅波，根据发射波与回波之间的相位差测距。,5,激光雷达的分类,按光束的单频性和接收方式可分为：相干与非相干激光雷达；Coherent and Non-coherent Ladar以工作原理可分为：测距机、差分吸
3、收与多普勒激光雷达 Range Finders,DIAL(Differential Absorption Lidar)，Doppler Lidar,6,激光雷达的分类,按运载平台分为 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。按功能分为 激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角和跟踪雷达、激光成像雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。,7,激光雷达的分类,按用途分为 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、制导激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达和大气激光雷达等。,8,激光雷达的基
4、本工作原理,（1）飞行时间：脉冲非相干激光雷达 Time-of-Flight:pulse non-coherent ladar；（2）多普勒效应：连续和脉冲相干外差激光雷达 Doppler Effect:Heterodyne CW and pulse coherent lidar（3）差分吸收:双波长脉冲非相干激光雷达 DIAL-Differential Absorption Lidar:two wavelengths pulse lidar,9,激光雷达的特点高空间分辨能力,空间分辨能力：分辨一定距离处两个相邻物体的能力；包括横向角分辨能力和纵向距离分辨能力。横向角分辨能力：以可分辨的两个物
5、体的横向间隔与距离之比-角度表示；纵向距离分辨能力：在距离方向可分辨两个物体的能力，以距离D表示；,10,激光雷达的特点高空间分辨能力,受衍射效应限制的角分辨极限：=/D，-工作波长，D-发射天线直径。激光雷达：31012-31015Hz，：100m-100nm；微波雷达：max：21011Hz，min；1.5mm;纵向分辨力：D=c/2B，B-调频带宽，c-光速。激光雷达：Bmax=1014Hz，Dmin=10-6m，B=109Hz，D=0.15m；微波雷达：Bmax=51010Hz，Dmin=0.006m,11,数字举例,12,激光雷达的特点,（1）高空间分辨率；（2）测速分辨能力高：1c
6、m/s；（3）可以获得目标的多种图像:目标反射激光的辐射几何分布图像、距离选通图像和速度图像等。（4）抗干扰能力强，不受外界电磁场干扰；波束窄，干扰光波不容易进入本信道；宽调谐，多光谱探测能力，对付隐形飞机；（5）可以用于水下探测和通信，已实现了卫星和深海潜艇的通讯;（6）体积小、重量轻、造价低。,13,激光雷达的缺点,（1）大气传输性能差，易受气象条件影响，一般只能短程应用（10-50km）；（2）波束窄，不容易实现大视场扫描搜索。,14,2、激光雷达的构成和工作原理,15,组成部分及其功能,本振：稳频小功率激光器，稳定度10-10以上，提供频率标准；发射：提供激光功率，E=L（零差），或E
7、-L=const；调制器：调制频率或强度，调制电源-本振-发射之间锁相；发射/接收：压缩发散角，包括二维扫描机械装置，单站/双站；光电探测：光电转换、滤波、检波；中频放大：窄带，带宽为（d）max，频响在2m附近；I/Q相敏检波：I-In Phase：同相位，Q-Quadrature：90相移；解出距离、速度及与目标亮度成正比的回波振幅；数据处理：给出距离D、方位角、仰角、速度v及目标上不同点的回波强度-图像。,16,多普勒测速原理,多普勒现象：由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率发生变化的现象。其中：fS-静止光频，fS-相对运动状态下观测的光频；c-真空中的光速；vS-
8、光源-探测器之间的相对运动速度，相向运动vS0，相背运动vS0,17,多普勒测速原理,如果为相对速度方向与光传播方向间的夹角，则，fd为多普勒频移。,光源和观察者相对静止，运动物体散射光的频移，为双重多普勒频移。,不共线情况,18,多普勒测速原理,导出：测出fd，即可计算出 vS，具体检测方法有零差法和外差法：本振频率=发射频率-零差；本振频率-发射频率=固定频差-外差；由相干探测的基本关系式可知，输出电流正比于cos（2（fs-fs）t+），零差法：vs=0时，fs-fs=0，输出电流为直流；vs0时，输出为交流，多普勒信号载在零频上，不能判别运动方向，有难以消除的直流噪声；外差法：vs=0
9、时，fs-fs0，有一固定频移，多普勒信号载在一个固定频差f上，可以判别物体运动方向，可以抑制噪声，提高信噪比。,19,脉冲测距原理,激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。,-钟频脉冲间隔；一般采用f=15MHz，l=10m，f=30MHz，l=5m，f=150MHz，l=1m；l=c/2f-一个钟频脉冲表示的距离增量，测距精度：取决于激光脉冲上升沿的时间。,20,脉冲测距基本框图,21,脉冲测距各级波形,22,脉冲激光测距的发展,红宝石激光：历史最早，可见光，单脉冲能量大，重复频率低，效率低；Nd：YAG激光：最成熟常用
10、，可以高重复频率使用，近百Hz；人眼安全激光：1.54m以上，发展方向，实现方案有铒玻璃、拉曼频移、OPO；CO2激光：大气层传输性能好；半导体激光：905nm，简单、价廉物美，适用于短距离使用。微型全固态高重频激光器：MHz，声光调Q。,23,相位测距原理,利用光波的调幅波测距，比脉冲测距精度高，但要求合作目标，适于民用测量，其构成为,24,相位测距原理,以调幅波作为“光尺”，光尺长度：=c/f，f为调制频率，不是光波频率，为光尺长度，不是光波长，距离 其中N为整数，n为分数。由于相位检测方法只能测出n，不能测出N，因此分为两种情况。单波长应用：N=0，如果相位计测相精度0.1,(2/360
11、0=0.00028),两倍精度值，则有D=0.0005,for=2m,D=1mm;for=2km,D=1m;在测相精度一定的条件下，为提高测距精度，必须缩短波长。,25,相位测距原理,多波长应用：两个以上波长应用，Dmax，选择相近波长1、2；使N相等，但n1n2，有 解出 为使两波长N相同，1、2应满足 1 2 N1/（N+1），2Dmax/N；或者：f1 f2(1+1/N)f1,f1 Nc/2Dmax 相位测距一般使用LD做光源。,26,线性调频测距、测速原理,（FM-CW：调频-连续波）对固定目标,f0-光频中心频率，df-调频带宽的半宽度，fm-扫频频率，1/fm-扫频周期，c/4fm
12、-1/4扫频周期对应的往返距离。,27,线性调频测距、测速原理,实际可测最大距离：dmax=c/8fm，单值范围；当dmaxc/8fm，出现多值。频差：fb=8dfmf/c,导出:d=cfb/8fmf，当fb=f，d=dmax，如果f为全调频带宽，则fb=4dfmf/c,d=cfb/4fmf。,28,线性调频测距测速对运动目标,29,目标靠近雷达，如果frfd，则有 如果frfd，则有目标远离雷达，如果frfd，则有 如果frfd，则有 fs-静止光频。,线性调频测距测速对运动目标,30,激光雷达作用距离方程,标准形式 式中，PR是接收激光功率（W）；PT是激光发射功率（W）;GT是发射天线增
13、益;是目标表面反射率；D是接收孔径（m）；R是激光雷达到目标的距离（m）；T是单程大气传输系数；Sys是激光雷达的光学系统的传输系数。,31,两个重要概念,发射天线增益：整个空间立体角与激光束实际 发射立体角的比值。衍射极限条件下：Ka激光输出孔径透射率目标散射截面：,32,激光雷达作用距离方程,在衍射极限条件下，发射接收共口径条件下,33,点目标条件下的激光雷达作用距离方程,朗伯散射体，法线方向上,34,扩展目标条件下的激光雷达作用距离方程,35,线目标条件下的激光雷达作用距离方程,36,激光雷达成像原理,采用单元探测器。激光器发出一个脉宽很窄的脉冲(一般为ns量级)，经过测量光波的往返时间
14、，确定目标的距离，回波强度反映目标的反射率特性。扫描器按照一定的扫描图样将光束指向目标上的不同位置，得到目标的角度角度强度图像和角度角度距离图像(AngleAngleRange，AAR)，又称三维图像。要求激光重复频率高、脉冲宽度窄，单脉冲能量大。采用面阵探测器。在成像分辨率要求很高的情况下，可采用这种技术。通过控制发射激光，使发射光能同时覆盖整个目标，然后用一个二维阵列探测器接收回波信号。这种方法一般需要对发射光进行调制，对接收信号进行解调，才能测量到距离信息。这种技术的优点是不需要扫描器，缺点是要求激光器发射功率要足够大。APD阵列,37,典型的激光雷达系统,制导激光雷达；测风激光雷达；靶
15、场测量激光雷达；障碍回避激光雷达；,38,激光制导,激光半主动制导 激光指示器与接收器分离，接收器位于炮弹（航空炸弹）头部。60年代首先在越南战场使用，灵巧炸弹。激光驾束制导 激光照射器与接收器分离，接收器位于导弹尾部。近程应用，通视距离使用，步兵反坦克导弹。激光雷达制导 激光照射器与接收器均位于导弹上，打了不用管。尚未有型号产品。,39,三种激光制导方式的比较,40,制导激光雷达,41,扫描式成像激光雷达,电光公司(SEO)研制了一个机载武器制导二极管成像激光雷达系统,该系统采用脉冲能量8J,重复频率64kHz 的GaAlAs 激光器,在2km 低能见度条件下,对2.5cm 直径的电力线成像
16、距离大于400m,图像更新时间0.75s,扫描方式为圆周频移扫描,视场为2550。此系统已于1993 年进行了装机试飞。,42,非扫描成像激光雷达,美国空军怀特实验室，调频连续波测距原理,通过线性频率调制的射频副载波对半导体激光器进行幅度调制,副载波频率调制范围几十兆赫兹几百兆赫兹,采用256 256 像素的CCD探测,解调采用离散傅立叶变换,同时提取距离和幅度。即可消除距离模糊,又避免对光频进行线性频率调制。距离5 km,空间分辨率256256 像素/帧,距离分辨率0.3 m。,43,非扫描成像激光雷达,美国Sandia国家实验室低成本半导体激光主动成像雷达导引头，采用20w的GaAlAs半
17、导体激光器并进行强度调制，通过负透镜扩束对整个目标泛光照射，反射激光信号相对发射激光信号存在相位延迟，相位延迟与距离成比例。通过反射信号与MCP的增益进行混频可以得到每个象素的强度和距离信息。成像帧频大于30Hz、作用距离超过1km。,44,测风激光雷达,地基测风激光雷达：机场涡旋探测、低空切变风探测、战场局部风向探测；机载测风激光雷达：晴空湍流、切变风、空投、投弹、火场探测；星载测风激光雷达：全球风场探测优化航路、中长期天气预报、厄尔尼诺。,45,Airborne wake vortex measurement,46,WindTracer MAG-1 System,47,Wake Vorti
18、ces Measurement at San Francisco International Airport,48,LD泵浦Tm:Ho:YAG激光相干雷达系统,49,机载、星载测风激光雷达,1994,LITE-Lidar In-Space Technology Experiment was successfully conducted aboard the space shuttle DiscoveryTwo identical flashlamp-pumped,Q-switched Nd:YAG lasers,1.06 um/30 ns/1.0 J/10Hz.0.46 J/532 nm;0.
19、20 J/355 nm.MACAWS：Multi-center Airborne Coherent Atmospheric Wind Sensor NASA DC-8 aircraftWindvan：frequency-stable,pulsed,TEA CO2 laser，0.6-1.0 J/pulse，9-11 microns，1-30 Hz，HgCdTe NASA Global Hydrology and Climate Center,JPL，MSFC,NOAA Environmental Technology Laboratory(ETL),50,航天飞机载测风激光雷达,SPACE R
20、eadiness Coherent Lidar ExperimentNASA Marshall Space Flight Center Pulsed,Eyesafe,Coherent Detection Doppler Wind Lidar 100 mJ,6 Hz.,0.25 ms,30 degree from nadir;300 km,51 degrees or greater orbit MSFC/LaRC/JPL/GSFC/UAH/CTI/SWA Collaboration,51,SPARCLE-Laser Transmitter,52,Firepond 单脉冲CO2相干激光多普勒雷达,
21、1975年美国MIT林肯实验室的路基“火池”（Firepond）单脉冲CO2相干激光多普勒雷达，发射峰值功率为15kW,平均功率为1.5kW，重复频率为10kHZ,激光中心频率为31013Hz,探测器为Ge掺Cu。对1100km远处的GED-III卫星进行了初始段的跟踪，得到了1urad的跟踪精度，跟踪系统带宽1Hz，上世纪90年代做了改进，实现距离多普勒成像。,53,Firepond,“火池”远程CO2成像激光雷达原理图,54,ORACLE:Ozone Research with Advanced Cooperative Lidar Experiments,NASA-Canadian Spa
22、ce Agency Ti:sapphire and Nd:YLF;480 mJ,efficiency 2%.,55,激光雷达国内外研究现状,Ti:sapphire laser,Nd:YAG pump,815nm,5 Hz on/off=0.07nm,LD injection seeding，,56,直升机防撞激光雷达国内研究情况,电子27所研制飞行安全保障能力90%；昼夜不良天气工作能力；障碍物可视提示；毋须专配操作员；激光束对人眼安全；告警距离400m；分辨15m；DPL-OPO,57,1999 Congressional ReportAppendix ADual Use Science a
23、nd Technology Projects from Fiscal Year 1998AIR FORCETitle:Multidiscriminant/Multifunctional Electro-Optical SensorsTotal Project Cost:$1,001,859;Non-Federal Contribution:$501,859;Date of Award:9/24/1998;Expected Completion Date:3/30/2001Non-Federal Participants:Coherent Technologies,Lafayette,COPro
24、ject Description:This project will fabricate test,and demonstrate an eyesafe,multi-function coherent laser radar(ladar).The transceiver will support long pulse operations for wind field estimation,short pulse operation for hard target precision range and Doppler,and short doublet-pulse(poly-pulse)op
25、eration for hard-target vibration measurements.,58,Expected Military Application(s):This is a multi-function technology with broad military application.Expected military applications include:wind profiling for precision air drop and bomb drop,ground based wake vortex detection for increased flight s
26、afety,precision target range,Doppler and micro-Doppler target vibration signature estimation for long range target identification and targeting,airborne wake vortex measurement for air safety and precision delivery,terrain profiling,and target designation potential.,59,Expected Commercial Applicatio
27、n(s):There are both commercial air and industrial/structural diagnostics applications.Expected commercial applications include:clear air turbulence detection for commercial flight safety,vertical wind profiling supporting flight safety and enhanced flight path fuel economy,ground-based wake vortex detection to assess runway hazards at high volume commercial airports,routine Pacific flight wind field estimation for CONUS weather prediction,helicopter landing area safety assessment,and remote vibration sensing for building/structural analysis.,
