《光电子信息系统》PPT课件.ppt

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、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：1cm/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-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-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，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, (2/3600=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-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，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 Vortices 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 Discovery Two identical flashlamp-pumped, Q-switched Nd:YAG lasers, 1.06 um/ 30 ns/ 1.0 J / 10Hz. 0.46 J / 532 nm; 0.20 J/ 355 nm. MACAWS：Multi-center Airborne Coherent Atmospheric Wind Sensor NASA DC-8 aircraft Windvan：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 Readiness Coherent Lidar Experiment NASA 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,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 Space 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 Report Appendix A Dual Use Science and Technology Projects from Fiscal Year 1998 AIR FORCE Title: Multidiscriminant/Multifunctional Electro-Optical Sensors Total Project Cost: $1,001,859; Non-Federal Contribution: $501,859; Date of Award: 9/24/1998; Expected Completion Date: 3/30/2001 Non-Federal Participants: Coherent Technologies, Lafayette, CO Project 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) operation 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 safe