哈工大激光雷達課件一-激光雷達基本知識

激光雷達技術（1）基本知識、應用前景、發(fā)展概況哈爾濱工業(yè)大學航天學院王春暉課

程

主

要

內(nèi)

容緒論基本知識、應用前景、發(fā)展概況激光雷達基本理論雷達方程、探測方式、傳輸特性、天線特性等激光成像雷達工作原理、設計方法、典型舉例激光測風雷達工作原理、設計方法、典型舉例激光差分吸收雷達工作原理、設計方法、典型舉例信號處理方法微弱信號檢測、數(shù)字化處理與算法數(shù)據(jù)處理方法數(shù)據(jù)反演、顯示學時安排：20，1~5周一、基本知識一

基

本

知

識激光雷達的概念及內(nèi)涵“雷達”(RADAR-RadioDetectionAndRanging)。傳統(tǒng)的雷達是以微波和毫米波作為載波的雷達，大約出現(xiàn)1935年左右。最早公開報道提出激光雷達的概念是:1967年美國國際電話和電報公司提出的，主要用于航天飛行器交會對接，并研制出原理樣機;1978年美國國家航天局馬歇爾航天中心研制成CO2相干激光雷達.激光雷達(LADAR-LaserDetectionAndRanging)是以激光作為載波的雷達，以光電探測器為接收器件，以光學望遠鏡為天線的雷達。一

基

本

知

識早期，人們還叫過光雷達(LIDAR-LightDetectionAndRanging)，這里所謂的光實際上是指激光?，F(xiàn)在，普遍采用LADAR這個術語，以區(qū)別于原始而低級的LIDAR。

以后世界上陸續(xù)提出并實現(xiàn)：激光多普勒雷達、激光測風雷達、激光成像雷達、激光差分吸收雷達、拉曼散射激光雷達、微脈沖激光雷達、激光合成孔徑雷達、激光相控陣雷達等。一

基

本

知

識激光雷達與微波雷達的異同激光雷達是以激光器為輻射源的雷達，它是在微波雷達技術基礎上發(fā)展起來的，兩者在工作原理和結構上有許多相似之處工作頻率由無線電頻段改變成了光頻段，雷達具體結構、目標和背景特性上發(fā)生了變化。微波天線由光學望遠鏡代替；接收通道中微波雷達可以直接用射頻器件對接收信號進行放大、混頻和檢波等處理，激光雷達則必須用光電探測器將光頻信號轉換成電信號后進行處理。信號處理，激光雷達基本上沿用了微波雷達中的成熟技術。雷達種類宏觀評價綜合性能微波雷達毫米波雷達激光雷達跟蹤測量精度下中上作用距離上中下目標搜索和捕獲能力上中下目標識別能力下中上全天候工作能力上中下抗電子干擾能力下中上抗反輻射導彈能力下中上抗隱身目標能力下中上低仰角跟蹤能力下中上低截獲概率能力下中上多目標探測和跟蹤能力上中下技術成熟程度上中下表1-1各種頻段雷達綜合性能的宏觀比較一

基

本

知

識一

基

本

知

識激光雷達的優(yōu)點工作頻率非常高，較微波高3~4個數(shù)量級。激光作為雷達輻射源探測運動目標時多普勒頻率非常高，因而速度分辨率極高。工作頻率處于電子干擾頻譜和微波隱身有效頻率之外，有利于對抗電子干擾和反隱身。有效的絕對帶寬很寬，能產(chǎn)生極窄的脈沖（納秒至飛秒量級），以實現(xiàn)高精度（可達厘米量級）測距。一

基

本

知

識能量高度集中。用很小的準直孔徑（10cm左右）即可獲得很高的天線增益和極窄的波束（1mrad左右），而且無旁瓣，因而可實現(xiàn)高精度測角（優(yōu)于0.1mrad）、單站定位、低仰角跟蹤和高分辨率三維成像，且不易被敵方截獲，自身隱蔽性強。單色性和相干性好。氣體激光器的譜線寬度可達10-3~10-4nm，而且頻率穩(wěn)定度能做得很高，可實現(xiàn)高靈敏度外差接收。

一

基

本

知

識激光雷達的基本構成激光器。激光器是激光雷達的核心器件。激光器種類很多，性能各異，究竟選擇哪種激光器作為雷達輻射源，往往要對各種因素加以綜合考慮，其中包括：波長、大氣傳輸特性、功率、信號形式、功率要求、平臺限制（體積、重量和功耗）、對人眼安全程度、可靠性、成本和技術成熟程度等。從目前實際應用來看，Nd:YAG固體激光器、CO2氣體激光器和GaAlAs半導體二極管激光器、光纖激光器等最具有代表性。

一

基

本

知

識光電探測器。適合于激光雷達用的光電探測器主要有PIN光電二極管、硅雪崩二極管(SiAPD)、光電導型碲鎘汞(HgCdTe)探測器和光伏型碲鎘汞探測器光學天線透射式望遠鏡（開普勒、伽利略）反射式望遠鏡（牛頓式、卡塞哥倫）收發(fā)合置光學天線收發(fā)分置光學天線自由空間光路全光纖光路波片（四分之一、二分之一）分束鏡、合束鏡、布魯斯特窗片一

基

本

知

識光學掃描器。多面體掃描器，利用多面體（6-12面）的轉動來掃描，優(yōu)點是掃描線性好、精度高，缺點是體積大、價格高；檢流計式振鏡掃描器，掃描角15；聲子偏轉器，利用聲光效應使入射光線產(chǎn)生偏轉而實現(xiàn)光掃描，聲光偏轉器的掃描角不大，一般在3左右壓電掃描器，利用逆壓電效應產(chǎn)生擺動的新型掃描器；全息光柵掃描器。光學相位掃描MEMS掃描器一

基

本

知

識激光雷達的基本體制同微波雷達一樣，可以依據(jù)信號形式、探測方式和測量原理等對激光雷達體制進行分類。按不同信號形式:

①脈沖

②連續(xù)波

③每一類中又有不同的信號波形。按不同探測方式:

①直接探測（能量探測）;

②相干探測（外差探測）一

基

本

知

識按不同功能:

①跟蹤雷達（測距和測角）;

②測速雷達（測量多普勒信息）;

③動目標指示雷達（目標的多普勒信息）;

④成像雷達（測量目標不同部位的反射強度和距離等信號）;

⑤差分吸收雷達（目標介質對特定頻率光的吸收強度）等。

用微波相控陣原理的激光相控陣雷達利用微波合成孔徑原理的激光合成孔徑雷達。一

基

本

知

識激光雷達的應用跟蹤成像制導三維視覺系統(tǒng)測風大氣環(huán)境監(jiān)測主動遙感一

基

本

知

識研究內(nèi)容及關鍵技術激光器技術探測器及探測技術大氣傳輸特性激光雷達理論信號處理技術數(shù)據(jù)處理技術控制技術光學系統(tǒng)設計與加工技術機械設計與加工技術二、應用前景二

應用前景偵察用成像激光雷達障礙回避激光雷達大氣監(jiān)測激光雷達制導激光雷達化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達水下探測激光雷達空間監(jiān)視激光雷達機器人三維視覺系統(tǒng)其他軍用激光雷達彈道導彈防御激光雷達靶場測量激光雷達振動遙測激光雷達多光譜激光雷達三、發(fā)展概況火

池

激

光

雷

達“火池”(Firepond)激光雷達，是由美國麻省理工學院林肯實驗室(MIT)于60年代末研制的。70年代初，林肯實驗室演示了火池雷達精確跟蹤衛(wèi)星的能力。80年代末的火池激光雷達，采用一臺高穩(wěn)定CO2激光器作為信號源，經(jīng)一臺窄帶CO2激光放大器放大，其頻率則由單邊帶調(diào)制器調(diào)制?？讖綖?.2m的望遠鏡發(fā)射接收。氬離子激光與上述雷達波束復合，用于對目標進行角度跟蹤，而雷達波束的功能則是收集距離――多普勒影像，實時處理并加以顯示。火

池

激

光

雷

達火

池

激

光

雷

達美國戰(zhàn)略防御局和麻省理工學院于1990年3月用上述裝置對一枚從弗吉尼亞大西洋海岸發(fā)射的探空火箭進行了跟蹤實驗。在二級點火后6分鐘，火箭進入亞軌道，即爬升階段，并拋出其有效負載，即一個形狀和大小均類似于彈道導彈再入飛行器的可充氣氣球。目標最初由L波段跟蹤雷達和X波段成像雷達進行跟蹤。并將這些雷達取得的數(shù)據(jù)交給火池激光雷達，后者成功地獲得了距離約800千米處目標的圖像。激

光

成

像

雷

達激光成像雷達

激光雷達分辨率高，可以采集三維數(shù)據(jù)，如方位角-俯仰角-距離、距離-速度-強度，并將數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示，獲得輻射幾何分布圖像、距離選通圖像、速度圖像等，有潛力成為重要的偵察手段。掃描激光成像雷達

非掃描激光成像雷達激

光

成

像

雷

達激光成像雷達的優(yōu)點:分辨率高，具有很高的角度、距離、速度和圖像分辨率，因而能探測飛行路徑中截面積小的障礙物如電線、電線桿等；能使巡航導彈具有地形跟隨和障礙物回避的能力，有利于低空入侵，特別是在夜晚和壞氣象的條件下。圖像穩(wěn)定。激光雷達圖像所記錄的是目標的三維本性，不受晝夜、季節(jié)、氣候、溫度、照度變化以及各種干擾的影響。根據(jù)穩(wěn)定的激光雷達三維圖像所預測的目標特征和所發(fā)展的目標識別算法軟件，真實、準確和可靠，使導引頭能以極低的虛警率可靠地自動識別目標。激

光

成

像

雷

達能提供目標的三維圖像，同時提供目標的距離和速度數(shù)據(jù)。這一特點能使導引頭全方位識別目標，特別是一些形狀大同小異的目標，還能在實戰(zhàn)中選擇最佳的角度接近目標。激光成像雷達的應用:巡航導彈、航空導彈、靈巧彈藥等精確制導。隱蔽物偵察移動機器人等三維視覺系統(tǒng)航路導引，精確末制導地形跟隨和障礙物回避目標自動識別和敵我識別目標上瞄準點的選擇

激

光

成

像

雷

達CMAG研究計劃1977年美國國防部高級研究計劃局和美國空軍航空系統(tǒng)部開展了“巡航導彈先進制導技術”（CMAG）的預研計劃。1990年研究多功能CO2成像激光雷達在戰(zhàn)略或戰(zhàn)術巡航導彈上應用的可行性，進一步發(fā)展了兩個CO2成像激光雷達導引頭。1988年在指定的巡航導彈彈體上進行主要制導功能的飛行試驗。1989年完成制導功能飛行試驗，至此低空巡航導彈用的巡航導彈先進制導技術（CMAG）預研計劃結束。CMAG計劃的預研成果已應用在空中發(fā)射的先進戰(zhàn)略巡航導彈AGM-129上，可使AGM-129導彈命中目標的徑向偏差概率提高到３米，比原來巡航導彈的30米提高了很多。AGM-129A實物照片激

光

成

像

雷

達ATLAS研究計劃在CMAG計劃基礎上，90年代初美國空軍和海軍制定了“先進技術激光雷達導引頭”（ATLAS）的研究計劃。計劃由美國空軍賴特實驗室主持，預計90年代末進入裝備應用。1991年11月，美國通用動力公司和休斯公司研制成ATLAS’CO2成像激光雷達制導系統(tǒng)。1992吊艙式結構的ATLAS’CO2成像激光雷達系統(tǒng)吊掛在試驗飛機上完成了第一階段的飛行試驗。激

光

成

像

雷

達1993年又吊掛在美國空軍的F-15飛機上進行了第二階段的高速飛行試驗,獲得高分辨率的彩色編碼三維距離圖像，很好地滿足了航路導引和末段制導的要求。激

光

成

像

雷

達F15E掛飛實驗照片激

光

成

像

雷

達美國海軍“輻射亡命徒”先期技術演示計劃1992年,用激光雷達遠距離非合作識別空中和地面目標。采用CO2激光成像雷達，由海軍空戰(zhàn)中心設計，組裝在PackTack吊艙中。CO2激光器輸出功率100W、光束發(fā)散度100mrad發(fā)射機和接收機共用一個孔徑和分辨率4mrad的靈活的光束控制反射鏡。在P-3C試驗機上進行了飛行試驗，可以利用目標表面的變化、距離剖面、高分辨率紅外成像和三維激光雷達圖像，識別目標。激

光

成

像

雷

達美國雷錫昂公司研制的ILR100激光雷達，激光器采用GaAs半導體激光器，成像方式為二維掃描安裝在高性能飛機和無人機上，在待偵察地區(qū)的上空以120～460m的高度飛行獲得的影像可實時顯示在飛機上的陰極射線管顯示器上，或通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至地面站。激

光

成

像

雷

達洛克希德·馬丁·沃爾特公司的低成本自主攻擊系統(tǒng)該系統(tǒng)是攻擊地面目標的小型有翼制導子導彈，是這種陸軍-空軍聯(lián)合發(fā)展的子導彈，慣性/GPS裝置和激光雷達尋的器為基礎的制導系統(tǒng)，可由AGM-130導彈、AGM-154導彈、多管火箭炮系統(tǒng)火箭彈、陸軍戰(zhàn)術導彈系統(tǒng)和SUU-64戰(zhàn)術彈藥撒布器投放。激光雷達尋的器搜索范圍370×900m，獲取目標三維影像，分辨率15cm，確保準確地識別目標。激

光

成

像

雷

達激

光

成

像

雷

達激

光

成

像

雷

達激

光

成

像

雷

達條紋管激光成像雷達2000年美國空軍實驗室和美國國家海洋管理(NOAA)提出條紋管成象激光雷達(StreakTubeImagingLIDAR,STIL)激

光

成

像

雷

達Jigsaw計劃2000~2003年美國國防部高級研究計劃署(DARPA)實施了高精度激光3D成像雷達研究計劃（即Jigsaw計劃）對地面?zhèn)窝b物下的目標進行探測：收集數(shù)據(jù)的空載平臺的飛行速度和高度要接近未來UAV的水平；要求在100米高空以上的數(shù)據(jù)采集和傳輸；對地面的探測范圍可以達到20平方米；飛機的速度是每秒25-35米，并全天工作。MIT林肯實驗室開發(fā)出一種3232Si-GM/APD焦平面探測器，且集成高速數(shù)字式CMOS計時電路，室溫下單光子探測效率大于20%。MIT林肯實驗室研制的Jigsaw非掃描焦平面激光成像光學頭2003年6月該Jigsaw系統(tǒng)裝在UH-1直升機上進行了飛行實驗隱蔽在樹林中帶偽裝網(wǎng)的坦克目標飛行實驗中獲取的坦克目標的偽彩色3D激光雷達圖像處理過程顯示激

光

成

像

雷

達直升機障礙回避激光成像雷達直升機激光雷達系統(tǒng)用于探測電話線、動力線之類的障礙Fibertek公司直升機激光雷達系統(tǒng)由傳感器吊艙和電子裝置組成使用二極管泵浦1.54m固體激光器器。吊艙中安裝激光發(fā)射機、接收機、掃描器和支持系統(tǒng)。電子裝置由計算機、數(shù)據(jù)和視頻記錄器、定時電子系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)器、制冷系統(tǒng)和控制面板組成。該激光雷達系統(tǒng)安裝在UH-1H直升機上。激

光

成

像

雷

達德國戴姆勒-奔馳宇航公司按照聯(lián)邦防衛(wèi)技術和采辦辦公室的合同，研制了Hellas障礙探測激光雷達。該激光雷達是1.54m成像激光雷達，視場為3232，能探測距離300～500m的、直徑1cm以上的電線和其他障礙物（取決于角度和能見度）。1999年1月德國聯(lián)邦邊防軍為新型EC-135和EC-155直升機訂購25部Hellas障礙探測激光雷達。激

光

成

像

雷

達激光成像雷達發(fā)展歷程及趨勢CO2氣體激光器YAG固體激光器半導體激光器光纖激光器

激光器

成像方式光電探測器掃描

閃爍式合成孔徑

相控陣

單元

線陣

焦平面條紋相機大

氣

監(jiān)

測

激

光

雷

達大氣監(jiān)測激光雷達

通過測量大氣中自然出現(xiàn)的少量顆粒的后向散射，可以檢測風速、探測紊流、實時測量風場等。在高空投擲炸彈和其它兵器時遇到的一個問題是，風干擾向下的彈道。美國空軍嘗試使用的主要辦法是，利用增加的尾部裝置進行慣性或GPS制導，修正飛行路線。但這增加了投擲的各種武器的成本。利用機載激光雷達實時提供投擲區(qū)風場的信息，以便通過調(diào)整投擲點，來補償風的影響。大

氣

監(jiān)

測

激

光

雷

達空軍賴特實驗室委托相干技術公司研制激光雷達。第一臺激光雷達采用閃光燈泵浦激光器，脈沖能量50mJ，脈沖重復頻率7Hz，安裝在C-141飛機上試驗。第二臺激光雷達采用二極管泵浦激光器，脈沖能量3.5mJ，脈沖重復頻率200Hz，重913kg，體積3.26m3。大

氣

監(jiān)

測

激

光

雷

達第三臺為人眼安全的Tm(YAG激光雷達。該激光雷達工作波長2021.84nm，激光脈沖能量12mJ，激光脈沖持續(xù)時間650ns，脈沖重復頻率100Hz，重272kg，體積1.27m3。激光雷達由發(fā)射接收機、信號處理裝置、環(huán)境控制裝置、光學掃描器、慣性導航裝置和電源組成，安裝在C-130飛機的改裝的油箱鼻錐內(nèi)的支架上。掃描器使激光束沿橢圓形路線（20o×30o）掃描。橢圓的中心的俯仰角可根據(jù)飛行條件控制在固定位置。該俯仰角的范圍為－3o～37o。激光雷達與飛機航空電子系統(tǒng)、顯示器、用戶界面接口。1995年開始使用C-141飛機進行第一臺激光雷達測風的飛行試驗，隨后C-130飛機上實驗飛行第二和第三臺激光雷達。據(jù)稱，作戰(zhàn)使用型激光雷達需要將硬件小型化，可使空投精度提高2倍以上。大

氣

監(jiān)

測

激

光

雷

達美國航天局的“先進的飛行中測量用機載相干激光雷達”，飛機后微爆風切變和尾流，給與其相遇的飛機造成危險。英國國防鑒定與研究局（DARA）的研究人員研制的激光雷達，能測量在飛機后微爆風切變和尾流速度。將這種激光雷達置于跑道上進行實時監(jiān)測，就可以提高安全性，增加飛機的通過量。B-2“幽靈”轟炸機攜帶的激光雷達的與眾不同的任務是，檢測飛機后的空氣，檢查有無暴露這種隱形轟炸機的凝結尾流。該激光雷達駕駛員報警系統(tǒng)使用Ophir公司的低截獲概率激光發(fā)射機和激光接收機，探測突然出現(xiàn)的凝結尾流，向乘員報警。大

氣

監(jiān)

測

激

光

雷

達1.06m(YAG)相干激光多普勒測風雷達1993年CLAWS(CoherentAtmosphericWindSounder)計劃，已裝備肯尼迪航天中心CLAWS相干激光多普勒測風雷達CLAWS相干激光多普勒測風雷達技術參數(shù)技術指標波長(m)1.06脈沖能量(mJ)1000脈沖寬度(ns)8脈沖重復頻率(Hz)10掃描器/望遠鏡(mm)200距離分辨率徑向速度精度(m/s)1最遠作用距離(km)27大

氣

監(jiān)

測

激

光

雷

達2m相干激光多普勒測風雷達1990年美國相干技術公司(CTI)研制出世界上第一臺2m相干激光多普勒測風雷達TODWL(TwinOtterDopplerWindLidar)GWOLF(GroundbasedwindObservingLidarFacility)VALIDAR(ValidationLIDAR)WinTraceJEM-CDL(JapaneseExperimentModule-ChherentDopplerLidar)TODWL相干激光多普勒測風雷達技術參數(shù)技術指標波長(m)2.05脈沖能量(mJ)2~3脈沖寬度(ns)500脈沖重復頻率(Hz)200掃描器/望遠鏡(mm)100距離分辨率(m)徑向速度精度(m/s)1GWOLF相干激光多普勒測風雷達技術參數(shù)技術指標波長（m）2.05（人眼安全）脈沖能量（mJ）2-3脈沖重復頻率（Hz）500掃描器/望遠鏡雙軸（±120；±30）/10cm孔徑距離分辨率（m）0.5視線測量精確性（m/s）0.05風速分量精確性（m/s）0.1,采用30度VAD和LADSA氣溶膠后向散射閾值靈敏度10km，~10-8m-1sr-1

通常不敏感距離（