《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 RadioDetectingandRanging 无线电探测与定位 Ladar LaserDetectingandRanging 激光探测与定位 Lidar LightDetectingandRanging 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 CWandPulseLadar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 CoherentandNon coherentLadar以工作原理可分为 测距机 差分吸收与多普勒激光雷达RangeFinders DIAL DifferentialAbsorptionLidar DopplerLidar 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 pulsenon coherentladar 2 多普勒效应 连续和脉冲相干外差激光雷达DopplerEffect HeterodyneCWandpulsecoherentlidar 3 差分吸收 双波长脉冲非相干激光雷达DIAL DifferentialAbsorptionLidar twowavelengthspulselidar 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 3 1012 3 1015Hz 100 m 100nm 微波雷达 max 2 1011Hz 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 5 1010Hz 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2 m附近 I Q相敏检波 I InPhase 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vS 0 相背运动vS 0 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 vs 0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 fs 0 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 54 m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n1 n2 有解出为使两波长N相同 1 2应满足 1 2 N 1 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dmax c 8fm 出现多值 频差 fb 8dfm f c 导出 d cfb 8fm f 当fb f d dmax 如果 f为全调频带宽 则fb 4dfm f c d cfb 4fm f 28 线性调频测距测速 对运动目标 29 目标靠近雷达 如果fr fd 则有如果fr fd 则有目标远离雷达 如果fr fd 则有如果fr fd 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 Angle Angle Range 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8 J 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25 50 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5km 空间分辨率256 256像素 帧 距离分辨率0 3m 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 Airbornewakevortexmeasurement 46 WindTracerMAG 1System 47 WakeVorticesMeasurementatSanFranciscoInternationalAirport 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 LidarIn SpaceTechnologyExperimentwassuccessfullyconductedaboardthespaceshuttleDiscoveryTwoidenticalflashlamp pumped Q switchedNd YAGlasers 1 06um 30ns 1 0J 10Hz 0 46J 532nm 0 20J 355nm MACAWS Multi centerAirborneCoherentAtmosphericWindSensor NASADC 8aircraftWindvan frequency stable pulsed TEACO2laser 0 6 1 0J pulse 9 11microns 1 30Hz HgCdTeNASAGlobalHydrologyandClimateCenter JPL MSFC NOAAEnvironmentalTechnologyLaboratory ETL 50 航天飞机载测风激光雷达 SPACEReadinessCoherentLidarExperimentNASAMarshallSpaceFlightCenterPulsed Eyesafe CoherentDetectionDopplerWindLidar100mJ 6Hz 0 25ms 30degreefromnadir 300km 51degreesorgreaterorbitMSFC LaRC JPL GSFC UAH CTI SWACollaboration 51 SPARCLE LaserTransmitter 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3 1013Hz 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 OzoneResearchwithAdvancedCooperativeLidarExperiments NASA CanadianSpaceAgencyTi sapphireandNd YLF 480mJ efficiency2 55 激光雷达国内外研究现状 Ti sapphirelaser Nd YAGpump 815nm 5Hzon off 0 07nm LDinjectionseeding 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 1999CongressionalReportAppendixADualUseScienceandTechnologyProjectsfromFiscalYear1998AIRFORCETitle Multidiscriminant MultifunctionalElectro OpticalSensorsTotalProjectCost 1 001 859 Non FederalContribution 501 859 DateofAward 9 24 1998 ExpectedCompletionDate 3 30 2001Non FederalParticipants CoherentTechnologies Lafayette COProjectDescription Thisprojectwillfabricatetest anddemonstrateaneyesafe multi functioncoherentlaserradar ladar Thetransceiverwillsupportlongpulseoperationsforwindfieldestimation shortpulseoperationforhardtargetprecisionrangeandDoppler andshortdoublet pulse poly pulse operationforhard targetvibrationmeasurements 58 ExpectedMilitaryApplication s Thisisamulti functiontechnologywithbroadmilitaryapplication Expectedmilitaryapplicationsinclude windprofilingforprecisionairdropandbombdrop ground