光電子學與光電子技術-激光雷達-1

激光雷達技術（1）哈爾濱工業(yè)大學物理系趙遠一

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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。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。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.一

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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。現(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

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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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(zhuǎn)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。一

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識激光雷達的優(yōu)點速度分辨率極高工作頻率非常高，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。對抗電子干擾和反隱身工作頻率處于電子干擾頻譜和微波隱身有效頻率之外，。測距精度高能產(chǎn)生極窄的脈沖，有效的絕對帶寬很寬，（納秒至飛秒量級），以實現(xiàn)高精度（可達厘米量級）測距。一

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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。

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達激光成像雷達

激光雷達分辨率高，將數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示，獲得輻射幾何分布圖像（強度像)、距離圖像、速度圖像等，還可以采集三維數(shù)據(jù)，如方位角-俯仰角-距離、距離-速度-強度，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

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達3、激光成像雷達的優(yōu)點:

能提供目標的三維圖像，如可以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。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。

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達分辨率高，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。4、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，地形跟隨和障礙物回避。精確末制導，目標自動識別和敵我識別，目標上瞄準點的選擇

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

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識激光雷達基本組成激光雷達發(fā)射機激光雷達接收機激光發(fā)射器射向目標本振或距離基準光激光調(diào)制器發(fā)射電源發(fā)射天線（光學系統(tǒng)）光束整形抑制束散角擴束等激光束控制器：光束的空間位置與方向等激光雷達發(fā)射機一

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識A、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。

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識D、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

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識E、光學掃描器。多面體掃描器，利用多面體（6-12面）的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)器，利用聲光效應使入射光線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)而實現(xiàn)光掃描，聲光偏轉(zhuǎn)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掃描器接收天線（光學系統(tǒng)）收集目標返回光波陣面校正，光學濾波將信號光會聚到探測器（混頻器）光電探測器（混頻器）光電轉(zhuǎn)換信號光與本振光混頻前置放大器，中頻放大器信號處理提取信息抑制噪聲顯示送伺服控制器激光雷達接收機一

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識G、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

ICCD接收器一

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識2、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

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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(zhì)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。應用前景按應用分類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激

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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

焦平面條紋相機激光雷達常見的性能指標最大輻射功率

水平視場“

horizontalFieldofView(FOV)”

垂直視場“

verticalFOV”

光源波長“Wavelengthofopticalsource”

最遠測量距離“Maximumdistancetobemeasured”測量時間/幀頻“

Measurementtime/framerate”

縱向分辨率“depthresolution“

角分辨率“angularresolution”

測距精度“RangeMeasurementaccuracy”10、探測概率“DetectionProbability”11、虛警概率“FalseAlarmProbability”

分辨率（resolution）用物理學方法(如光學儀器)能分清兩個密切相鄰物體的程度。

距離分辨率同一個雷達探測方向上，雷達能分辨的兩個目標物之間最小距離。在雷達圖像中，當兩個目標位于同一方位角時，但與雷達的距離不同時，二者被雷達區(qū)分出來的最小距離成為距離分辨率。通常定義為：當較近目標回波脈沖的后沿（下降沿）與較遠目標回波的前沿（上升沿）剛好重合時，作為可分辨的極限。此時兩目標間的距離就是距離分辨率。雷達系統(tǒng)的距離分辨力主要取決于發(fā)射信號的帶寬。雷達發(fā)射信號的名義分辨率約等于信號的時寬對應的徑向距離（如果是單一載頻信號，則也是發(fā)射信號時寬；如果是脈內(nèi)調(diào)制信號，如線性調(diào)頻和相位編碼信號，則指脈沖壓縮后的信號時寬），即距離分辨率、測距精度和測量誤差脈沖雷達距離回波看作兩個目標集合平均值的時間卷積，脈沖寬度（或頻率與時間調(diào)制函數(shù)的關系，該函數(shù)與調(diào)頻/連續(xù)波雷達中的目標散射卷積）通過振幅峰值中的對比度來區(qū)別。

距離分辨率、測距精度和測量誤差雷達信號的模糊函數(shù)與雷達信號處理密切相關，它涉及雷達的分辨力與測距精度，更涉及雷達信號的處理方式，所以人們稱模糊函數(shù)是雷達設計的三要素（天線孔徑、模糊函數(shù)和方向性）之一。為了描述距離分辨力，將模糊函數(shù)在峰頂點(0,0)附近展開，就可以引出有效帶寬和均方根帶寬（有效持續(xù)時間的倒數(shù)）的概念，其中有效帶寬表征距離分辨率，而均方根帶寬則表征測距精度，將在下一節(jié)詳細討論。對于常用的雷達實信號s(t)來講，延時模糊函數(shù)就是接收信號的自相關函數(shù)，其定義為有效相關帶寬e是說明信號包絡s(t)自相關函數(shù)的頻譜與沖擊函數(shù)的頻譜的相似程度。由于沖擊頻譜是均勻譜，所以有效相關帶寬越寬，頻譜越相似，在時域里的自相關函數(shù)就越象沖擊函數(shù)的形狀，也就是具備的內(nèi)在距離分辨力越高,實際距離分辨力也越好。

有效相關帶寬由延時模糊函數(shù)定義為

距離分辨率、測距精度和測量誤差有效相關帶寬倒數(shù)常被定義為時間分辨力常數(shù)用時間分辨力常數(shù)Tr可以表示雷達的距離分辨力下面給出幾種常見脈沖調(diào)制波形（矩形脈沖、高斯脈沖和線性調(diào)頻脈沖）的有效相關帶寬、時間分辨力常數(shù)和距離分辨力數(shù)學表達式矩形脈沖：矩形脈沖的有效帶寬與tp成反比，時間分辨常數(shù)與tp成正比，脈沖越窄，分辨率越好，脈沖越寬，分辨力越差，與直觀概念是一致的。距離分辨率、測距精度和測量誤差高斯脈沖的均方根脈寬

高斯脈沖:線性調(diào)頻脈沖:tp線性調(diào)頻脈沖寬度

K線性調(diào)頻斜率；fm線性頻率的上升速率距離分辨率、測距精度和測量誤差角分辨率望遠鏡的分辨率，也可以說是光學透鏡的分辨率。光具有波動性和粒子性，所以通過透鏡匯聚的光線投射到感光元件上，如果兩個像點距離很小，就會發(fā)生干涉。角分辨率這個參數(shù)就是望遠鏡或者透鏡的理論分辨率，一般用弧度表示。這個數(shù)值越小，也就是可以分辨的物體越細小，那么透鏡的分辨率越高，理論計算可得最小分辨角與透鏡的口徑和所使用波長有關：r=1.22λ/D，其中λ為觀測波長，D為望遠鏡的口徑，二者取同一單位時r的單位為弧度。例：λ=550nm。對于人眼來講，平均瞳孔直徑7mm，有60角秒（17mrd)的分辨率，口徑D=116mm口徑的小型望遠鏡，具有1角秒(0.28mrd)的分辨率。這個數(shù)值是一個理論結(jié)果。實際上地面觀測，受到氣流，污染物，雜光等的影響也就達不到這個最好的效果，也就是分辨率要下降。若陣列探測器的像元數(shù)少，像元面積大于愛里斑，則由像元面積決定最小分辨角距離分辨率、測距精度和測量誤差參數(shù)驅(qū)動功能調(diào)制形式調(diào)制器/驅(qū)動器帶寬，腔型設計載波噪聲功率之比激光雷達作用距離方程信號振幅變化相干斑點的散斑效應中間頻率目標作用距離激光外差偏置目標仰角，目標距離脈沖信號處理技術系統(tǒng)/電子系統(tǒng)設計表-1影響距離精度的參數(shù)距離分辨率、測距精度和測量誤差

精度（Accuracy）觀測結(jié)果、計算值或估計值與真值（或被認為是真值）之間的接近程度。如果目標的距離為這時該目標的距離精度與參數(shù)a，b，c的精確度有關，于是該目標距離精度可以寫成其中a，b，c為系統(tǒng)參數(shù)，，，為這些參數(shù)測量時的不確定度測距精度

根據(jù)參數(shù)估計理論，距離等參數(shù)都是隨機變量，或隨機過程，應用經(jīng)典最大似然分析及加性噪聲。盡管這種估算是不精確，但它可以用來比較不同設計方案的相對性能，以及設計改進以后性能的提高。任何無偏估計的最小方差的下限滿足克拉美-羅不等式

E信號能量；N0噪聲功率譜密度；接收波形的均方根帶寬，與信號的頻譜(信號波形)有關

距離分辨率、測距精度和測量誤差欲提高測距精度必須提高信噪比。因為只有高的信噪比，回波前后沿的抖動才小。接收波形的均方根帶寬越寬，測距精度越高。（不正確）似乎接收機通帶B越寬測距精度越高，深入討論發(fā)現(xiàn)這個觀點并不確切。因為誤差不是直接反比于通帶，而功率信噪比SNR也是B的函數(shù)，當通帶已包含了信號的基本功率時，通帶再增加信號功率無顯著增長，而噪聲功率N0則按比例增加。只有雷達發(fā)射信號信號的頻譜越寬，則信號潛在的測距極限精度越高。接收機通帶也相應加寬，使接收波形有寬的均方根帶寬，在脈沖激光雷達中接收波形才有陡峭的沿，噪聲引起的沿的抖動越小，可能實現(xiàn)的測距精度越高。

距離分辨率、測距精度和測量誤差幾種常見的脈沖調(diào)制波形（矩形脈沖、高斯脈沖和線性調(diào)頻脈沖），給出其測距精度的數(shù)學表達式矩形脈沖的測距精度：

B接收帶寬；tp脈寬；SNR接收系統(tǒng)的信噪比高斯脈沖測距精度：

線性調(diào)頻脈沖測距精度

距離分辨率、測距精度和測量誤差距離分辨率、測距精度和測量誤差距離分辨率與距離精度的比較距離分辨率是只兩個或多個目標的分辨能力，和有效帶寬（和信號帶寬有區(qū)別）成反比，與信號形式有關。而距離精度是測量單個目標和雷達之間的距離的精確程度，和信號帶寬的波動及信噪比有關。距離分辨率與距離精度是雷達系統(tǒng)的兩個不同的參數(shù)，兩者之間沒有必然的聯(lián)系，比如一個雷達測距精度可以很高，但分辨率可能比較低（對于帶寬窄，信噪比高情況）。圖像分辨率指能區(qū)分圖像上兩個像元的最小距離。一臺數(shù)碼相機的最高分辨率就是其能夠拍攝最大圖片的面積。在技術上說，數(shù)碼相機能產(chǎn)生在每寸圖像內(nèi)，點數(shù)最多的圖片，通常以dpi為單位，英文為Dotperinch。分辨率越大，圖片的面積越大。像素越大，分辨率越高，照片越清晰，可輸出照片尺寸也可以越大探測概率、虛警概率探測概率實質(zhì)上是峰值信號加噪聲大于探測閾值的概率傳統(tǒng)的強度探測激光雷達單脈沖激光探測“當背景探測器和前置放大器噪聲源在探測過程中起主要作用時”噪聲分布可以合理地近似為高斯