光电子学与光电子技术-激光雷达-1

激光雷达技术（1）哈尔滨工业大学物理系赵远一

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识激光雷达的概念及内涵“雷达”(RADAR-RadioDetectionAndRanging)。传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达，大约出现1935年左右。激光雷达(LADAR-LaserDetectionAndRanging)是以激光作为载波的雷达，以光电探测器为接收器件，以光学望远镜为天线的雷达。最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967年美国国际电话和电报公司提出的，主要用于航天飞行器交会对接，并研制出原理样机；1978年美国国家航天局马歇尔航天中心研制成CO2相干激光雷达.一

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识早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-LightDetectionAndRanging)，这里所谓的光实际上是指激光。现在，普遍采用LADAR这个术语，以区别于原始而低级的LIDAR。

以后世界上陆续提出并实现：激光多普勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。一

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识激光雷达与微波雷达的异同激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它是在微波雷达技术基础上发展起来的，两者在工作原理和结构上有许多相似之处工作频率由无线电频段改变成了光频段，雷达具体结构、目标和背景特性上发生了变化。微波天线由光学望远镜代替；接收通道中微波雷达可以直接用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处理，激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成电信号后进行处理。信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。一

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识激光雷达的优点速度分辨率极高工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒频率非常高。对抗电子干扰和反隐身工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外，。测距精度高能产生极窄的脉冲，有效的绝对带宽很宽，（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达厘米量级）测距。一

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识能量高度集中。用很小的准直孔径（10cm左右）即可获得很高的天线增益和极窄的波束（1mrad左右），而且无旁瓣，因而可实现高精度测角（优于0.1mrad）、单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像，且不易被敌方截获，自身隐蔽性强。单色性和相干性好。气体激光器的谱线宽度可达10-3~10-4nm，而且频率稳定度能做得很高，可实现高灵敏度外差接收。

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达激光成像雷达

激光雷达分辨率高，将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像（强度像)、距离图像、速度图像等，还可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，有潜力成为重要的侦察手段。扫描激光成像雷达

非扫描激光成像雷达激

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雷

达3、激光成像雷达的优点:

能提供目标的三维图像，如可以同时提供目标的距离和速度数据。这一特点能使导引头全方位识别目标，特别是一些形状大同小异的目标，还能在实战中选择最佳的角度接近目标。图像稳定。激光雷达图像所记录的是目标的三维本性，不受昼夜、季节、气候、温度、照度变化以及各种干扰的影响。根据稳定的激光雷达三维图像所预测的目标特征和所发展的目标识别算法软件，真实、准确和可靠，使导引头能以极低的虚警率可靠地自动识别目标。

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像

雷

达分辨率高，具有很高的角度、距离、速度和图像分辨率，因而能探测飞行路径中截面积小的障碍物如：电线、电线杆等；能使巡航导弹具有地形跟随和障碍物回避的能力，有利于低空入侵，特别是在夜晚和坏气象的条件下。4、激光成像雷达的应用:巡航导弹、航空导弹、灵巧弹药等精确制导。隐蔽物侦察移动机器人等三维视觉系统航路导引，地形跟随和障碍物回避。精确末制导，目标自动识别和敌我识别，目标上瞄准点的选择

雷达种类宏观评价综合性能微波雷达毫米波雷达激光雷达跟踪测量精度下中上作用距离上中下目标搜索和捕获能力上中下目标识别能力下中上全天候工作能力上中下抗电子干扰能力下中上抗反辐射导弹能力下中上抗隐身目标能力下中上低仰角跟踪能力下中上低截获概率能力下中上多目标探测和跟踪能力上中下技术成熟程度上中下表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较一

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识激光雷达基本组成激光雷达发射机激光雷达接收机激光发射器射向目标本振或距离基准光激光调制器发射电源发射天线（光学系统）光束整形抑制束散角扩束等激光束控制器：光束的空间位置与方向等激光雷达发射机一

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识A、激光器。激光器是激光雷达的核心器件。激光器种类很多，性能各异，究竟选择哪种激光器作为雷达辐射源，往往要对各种因素加以综合考虑，其中包括：波长、大气传输特性、功率、信号形式、功率要求、平台限制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等。从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。

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识D、光学天线透射式望远镜（开普勒、伽利略）反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）收发合置光学天线收发分置光学天线自由空间光路全光纤光路波片（四分之一、二分之一）分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片一

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识E、光学扫描器。多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的转动来扫描，优点是扫描线性好、精度高，缺点是体积大、价格高；检流计式振镜扫描器，扫描角15；声子偏转器，利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描角不大，一般在3左右压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器；全息光栅扫描器。光学相位扫描MEMS扫描器接收天线（光学系统）收集目标返回光波阵面校正，光学滤波将信号光会聚到探测器（混频器）光电探测器（混频器）光电转换信号光与本振光混频前置放大器，中频放大器信号处理提取信息抑制噪声显示送伺服控制器激光雷达接收机一

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识G、光电探测器。适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器

ICCD接收器一

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识2、激光雷达的基本体制同微波雷达一样，可以依据信号形式、探测方式和测量原理等对激光雷达体制进行分类。按不同信号形式:

①脉冲

②连续波

③每一类中又有不同的信号波形。按不同探测方式:

①直接探测（能量探测）;

②相干探测（外差探测）一

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识按不同功能:

①跟踪雷达（测距和测角）;

②测速雷达（测量多普勒信息）;

③动目标指示雷达（目标的多普勒信息）;

④成像雷达（测量目标不同部位的反射强度和距离等信号）;

⑤差分吸收雷达（目标介质对特定频率光的吸收强度）等。

用微波相控阵原理的激光相控阵雷达利用微波合成孔径原理的激光合成孔径雷达。应用前景按应用分类侦察用成像激光雷达障碍回避激光雷达大气监测激光雷达制导激光雷达化学/生物战剂探测激光雷达水下探测激光雷达空间监视激光雷达机器人三维视觉系统其他军用激光雷达弹道导弹防御激光雷达靶场测量激光雷达振动遥测激光雷达多光谱激光雷达激

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达激光成像雷达发展历程及趋势CO2气体激光器YAG固体激光器半导体激光器光纤激光器

激光器

成像方式光电探测器扫描

闪烁式合成孔径

相控阵

单元

线阵

焦平面条纹相机激光雷达常见的性能指标最大辐射功率

水平视场“

horizontalFieldofView(FOV)”

垂直视场“

verticalFOV”

光源波长“Wavelengthofopticalsource”

最远测量距离“Maximumdistancetobemeasured”测量时间/帧频“

Measurementtime/framerate”

纵向分辨率“depthresolution“

角分辨率“angularresolution”

测距精度“RangeMeasurementaccuracy”10、探测概率“DetectionProbability”11、虚警概率“FalseAlarmProbability”

分辨率（resolution）用物理学方法(如光学仪器)能分清两个密切相邻物体的程度。

距离分辨率同一个雷达探测方向上，雷达能分辨的两个目标物之间最小距离。在雷达图像中，当两个目标位于同一方位角时，但与雷达的距离不同时，二者被雷达区分出来的最小距离成为距离分辨率。通常定义为：当较近目标回波脉冲的后沿（下降沿）与较远目标回波的前沿（上升沿）刚好重合时，作为可分辨的极限。此时两目标间的距离就是距离分辨率。雷达系统的距离分辨力主要取决于发射信号的带宽。雷达发射信号的名义分辨率约等于信号的时宽对应的径向距离（如果是单一载频信号，则也是发射信号时宽；如果是脉内调制信号，如线性调频和相位编码信号，则指脉冲压缩后的信号时宽），即距离分辨率、测距精度和测量误差脉冲雷达距离回波看作两个目标集合平均值的时间卷积，脉冲宽度（或频率与时间调制函数的关系，该函数与调频/连续波雷达中的目标散射卷积）通过振幅峰值中的对比度来区别。

距离分辨率、测距精度和测量误差雷达信号的模糊函数与雷达信号处理密切相关，它涉及雷达的分辨力与测距精度，更涉及雷达信号的处理方式，所以人们称模糊函数是雷达设计的三要素（天线孔径、模糊函数和方向性）之一。为了描述距离分辨力，将模糊函数在峰顶点(0,0)附近展开，就可以引出有效带宽和均方根带宽（有效持续时间的倒数）的概念，其中有效带宽表征距离分辨率，而均方根带宽则表征测距精度，将在下一节详细讨论。对于常用的雷达实信号s(t)来讲，延时模糊函数就是接收信号的自相关函数，其定义为有效相关带宽e是说明信号包络s(t)自相关函数的频谱与冲击函数的频谱的相似程度。由于冲击频谱是均匀谱，所以有效相关带宽越宽，频谱越相似，在时域里的自相关函数就越象冲击函数的形状，也就是具备的内在距离分辨力越高,实际距离分辨力也越好。

有效相关带宽由延时模糊函数定义为

距离分辨率、测距精度和测量误差有效相关带宽倒数常被定义为时间分辨力常数用时间分辨力常数Tr可以表示雷达的距离分辨力下面给出几种常见脉冲调制波形（矩形脉冲、高斯脉冲和线性调频脉冲）的有效相关带宽、时间分辨力常数和距离分辨力数学表达式矩形脉冲：矩形脉冲的有效带宽与tp成反比，时间分辨常数与tp成正比，脉冲越窄，分辨率越好，脉冲越宽，分辨力越差，与直观概念是一致的。距离分辨率、测距精度和测量误差高斯脉冲的均方根脉宽

高斯脉冲:线性调频脉冲:tp线性调频脉冲宽度

K线性调频斜率；fm线性频率的上升速率距离分辨率、测距精度和测量误差角分辨率望远镜的分辨率，也可以说是光学透镜的分辨率。光具有波动性和粒子性，所以通过透镜汇聚的光线投射到感光元件上，如果两个像点距离很小，就会发生干涉。角分辨率这个参数就是望远镜或者透镜的理论分辨率，一般用弧度表示。这个数值越小，也就是可以分辨的物体越细小，那么透镜的分辨率越高，理论计算可得最小分辨角与透镜的口径和所使用波长有关：r=1.22λ/D，其中λ为观测波长，D为望远镜的口径，二者取同一单位时r的单位为弧度。例：λ=550nm。对于人眼来讲，平均瞳孔直径7mm，有60角秒（17mrd)的分辨率，口径D=116mm口径的小型望远镜，具有1角秒(0.28mrd)的分辨率。这个数值是一个理论结果。实际上地面观测，受到气流，污染物，杂光等的影响也就达不到这个最好的效果，也就是分辨率要下降。若阵列探测器的像元数少，像元面积大于爱里斑，则由像元面积决定最小分辨角距离分辨率、测距精度和测量误差参数驱动功能调制形式调制器/驱动器带宽，腔型设计载波噪声功率之比激光雷达作用距离方程信号振幅变化相干斑点的散斑效应中间频率目标作用距离激光外差偏置目标仰角，目标距离脉冲信号处理技术系统/电子系统设计表-1影响距离精度的参数距离分辨率、测距精度和测量误差

精度（Accuracy）观测结果、计算值或估计值与真值（或被认为是真值）之间的接近程度。如果目标的距离为这时该目标的距离精度与参数a，b，c的精确度有关，于是该目标距离精度可以写成其中a，b，c为系统参数，，，为这些参数测量时的不确定度测距精度

根据参数估计理论，距离等参数都是随机变量，或随机过程，应用经典最大似然分析及加性噪声。尽管这种估算是不精确，但它可以用来比较不同设计方案的相对性能，以及设计改进以后性能的提高。任何无偏估计的最小方差的下限满足克拉美-罗不等式

E信号能量；N0噪声功率谱密度；接收波形的均方根带宽，与信号的频谱(信号波形)有关

距离分辨率、测距精度和测量误差欲提高测距精度必须提高信噪比。因为只有高的信噪比，回波前后沿的抖动才小。接收波形的均方根带宽越宽，测距精度越高。（不正确）似乎接收机通带B越宽测距精度越高，深入讨论发现这个观点并不确切。因为误差不是直接反比于通带，而功率信噪比SNR也是B的函数，当通带已包含了信号的基本功率时，通带再增加信号功率无显著增长，而噪声功率N0则按比例增加。只有雷达发射信号信号的频谱越宽，则信号潜在的测距极限精度越高。接收机通带也相应加宽，使接收波形有宽的均方根带宽，在脉冲激光雷达中接收波形才有陡峭的沿，噪声引起的沿的抖动越小，可能实现的测距精度越高。

距离分辨率、测距精度和测量误差几种常见的脉冲调制波形（矩形脉冲、高斯脉冲和线性调频脉冲），给出其测距精度的数学表达式矩形脉冲的测距精度：

B接收带宽；tp脉宽；SNR接收系统的信噪比高斯脉冲测距精度：

线性调频脉冲测距精度

距离分辨率、测距精度和测量误差距离分辨率、测距精度和测量误差距离分辨率与距离精度的比较距离分辨率是只两个或多个目标的分辨能力，和有效带宽（和信号带宽有区别）成反比，与信号形式有关。而距离精度是测量单个目标和雷达之间的距离的精确程度，和信号带宽的波动及信噪比有关。距离分辨率与距离精度是雷达系统的两个不同的参数，两者之间没有必然的联系，比如一个雷达测距精度可以很高，但分辨率可能比较低（对于带宽窄，信噪比高情况）。图像分辨率指能区分图像上两个像元的最小距离。一台数码相机的最高分辨率就是其能够拍摄最大图片的面积。在技术上说，数码相机能产生在每寸图像内，点数最多的图片，通常以dpi为单位，英文为Dotperinch。分辨率越大，图片的面积越大。像素越大，分辨率越高，照片越清晰，可输出照片尺寸也可以越大探测概率、虚警概率探测概率实质上是峰值信号加噪声大于探测阈值的概率传统的强度探测激光雷达单脉冲激光探测“当背景探测器和前置放大器噪声源在探测过程中起主要作用时”噪声分布可以合理地近似为高斯