哈工大激光雷达课件一-激光雷达基本知识

1.

绪论基本知识、应用前景、发展概况2.

激光雷达基本理论雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等课程主要内容3.

激光成像雷达工作原理、设计方法、典型举例4.

激光测风雷达工作原理、设计方法、典型举例5.

激光差分吸收雷达工作原理、设计方法、典型举例6.

信号处理方法1.

学时安排：20，1~5周一、基本知识1.

激光雷达的概念及内涵n

“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。n

最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967一基本知识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.n

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。n

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。一基本知识n

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。2.

激光雷达与微波雷达的异同n

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n

工作频率由无线电频段改变成了光频段，n

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。一基本知识n

信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较微波雷达毫米波雷达激光雷达宏雷达观种评跟踪测量精度下上上下上下下下下下上上中中中中中中中中中中中中上下下上下上上上上上下下类综价一基本知识性合能作用距离目标搜索和捕获能力目标识别能力全天候工作能力抗电子干扰能力抗反辐射导弹能力抗隐身目标能力低仰角跟踪能力低截获概率能力多目标探测和跟踪能力技术成熟程度3.

激光雷达的优点n

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，因而速度分辨率极高。n

工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。n

有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达厘米量级）测距。一基本知识n

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）、一基本知识单站定位、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。n

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。4.

激光雷达的基本构成①

激光器。n

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。n

从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光器、一基本知识CO

气体激光器和GaAlAs半导体二极管激2光器、光纤激光器等最具有代表性。②

光电探测器。n

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③

光学天线一基本知识n

透射式望远镜（开普勒、伽利略）n

反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）n收发合置光学天线n

收发分置光学天线n

自由空间光路n

波片（四分之一、二分之一）n

分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片④

光学扫描器。n

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；一基本知识n

检流计式振镜扫描器，扫描角15；n

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n

压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器；n

MEMS扫描器5.

激光雷达的基本体制n

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。一基本知识n

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:n①直接探测（能量探测）;②相干探测（外差探测）n

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）一基本知识;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。n

用微波相控阵原理的激光相控阵雷达n

利用微波合成孔径原理的激光合成孔径雷达。6.

激光雷达的应用①

跟踪②

成像制导③

三维视觉系统④

测风一基本知识⑤

大气环境监测⑥

主动遥感7.

研究内容及关键技术①

激光器技术②

探测器及探测技术③

大气传输特性一基本知识④

激光雷达理论⑤

信号处理技术⑥

数据处理技术⑦

控制技术⑧

光学系统设计与加工技术⑨

机械设计与加工技术二、应用前景1.

侦察用成像激光雷达2.

障碍回避激光雷达3.

大气监测激光雷达4.

制导激光雷达二应用前景5.

化学/生物战剂探测激光雷达6.

水下探测激光雷达7.

空间监视激光雷达8.

机器人三维视觉系统9.

其他军用激光雷达①

弹道导弹防御激光雷达②

靶场测量激光雷达③

振动遥测激光雷达④

多光谱激光雷达三、发展概况n

“火池”(Firepond)激光雷达，是由美国麻省理工学院林肯实验室(MIT)于60年代末研制的。70年代初，林肯实验室演示了火池雷达精确跟踪卫星的能力。火池激光雷达n

80年代末的火池激光雷达，采用一台高稳定CO2激光器作为信号源，经一台窄带CO2激光放大器放大，其频率则由单边带调制器调制。孔径为1.2m的望远镜n

氩离子激光与上述雷达波束复合，用于对目标进行角度跟踪，而雷达波束的功能则是收集距离――多普勒影像，实时处理并加以显示。火池激光雷达n

美国战略防御局和麻省理工学院于1990年3月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西洋海岸发射的探空火箭进行了跟踪实验。n

在二级点火后6分钟，火箭进入亚轨道，即爬升阶段，并抛出其有效负载，即一个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞行器的可充气气球。目标最初由L波段跟踪雷达和X波段成像雷达进行跟踪。并将这些雷达取得的数据交给火池激光雷达，后者成功地获得了距离约800千米处目标的图像。火池激光雷达1.

激光成像雷达激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。2.

扫描激光成像雷达激光成像雷达非扫描激光成像雷达1.

激光成像雷达的优点:n

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。激光成像雷达n

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。n

能提供目标的三维图像，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。2.

激光成像雷达的应用:激光成像雷达n

巡航导弹、航空导弹、灵巧弹药等精确制导。n

隐蔽物侦察n

移动机器人等三维视觉系统n

航路导引，n

地形跟随和障碍物回避n

目标自动识别和敌我识别n

目标上瞄准点的选择①

CMAG研究计划n

1977年美国国防部高级研究计划局和美国空军航空系统部开展了“巡航导弹先进制导技术”（CMAG）的预研计划。激光成像雷达n

1990年研究多功能CO2成像激光雷达在战略或战术巡航导弹上应用的可行性，进一步发展了两个CO2成像激光雷达导引头。n

1988年在指定的巡航导弹弹体上进行主要制导功能的飞行试验。n

1989年完成制导功能飞行试验，至此低空巡航导弹用的巡航导弹先进制导技术（CMAG）预研计划结束。n

CMAG计划的预研成果已应用在空中发射的先进战略巡航导弹AGM-129上，可使AGM-129导弹命中目标的径向偏差概率提高到３米，比原来巡航导弹的30米提高了很多。②ATLAS研究计划n

在CMAG计划基础上，90年代初美国空军和海军制定了“先进技术激光雷达导引头”（ATLAS）的研究计划。激光成像雷达n

计划由美国空军赖特实验室主持，预计90年代末进入装备应用。n

1991年11月，美国通用动力公司和休斯公司研制成ATLAS’CO2成像激光雷达制导系统。n

1992吊舱式结构的ATLAS’CO2成像激光雷达系统吊挂在试验飞机上完成了第一阶段的飞行试验。n1993年又吊挂在美国空军的F-15飞机上进行了第二阶段的高速飞行试验,获得高分辨率的彩色编码三维距离图像，很好地满足了航路导引和末段制导的要求。激光成像雷达激光成像雷达F15E挂飞实验照片③

美国海军“辐射亡命徒”先期技术演示计划n

1992年,用激光雷达远距离非合作识别空中和地面目标。激光成像雷达n

采用CO2激光成像雷达，由海军空战中心设计，组装在PackTack吊舱中。n

CO2激光器输出功率100W、光束发散度100mradn

发射机和接收机共用一个孔径和分辨率4mrad的灵活的光束控制反射镜。n

在P-3C试验机上进行了飞行试验，可以利用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红外成像和三维激光雷达图像，识别目标。④美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达，n

激光器采用GaAs半导体激光器，成像方式激光成像雷达为二维扫描n

安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地区的上空以120～460m的高度飞行n

获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。⑤洛克希德·马丁·沃尔特公司的低成本自主攻击系统n

该系统是攻击地面目标的小型有翼制导子导弹，是这种陆军-空军联合发展的子导弹，n

惯性/GPS装置和激光雷达寻的器为基础的制导系统，激光成像雷达n

可由AGM-130导弹、AGM-154导弹、多管火箭炮系统火箭弹、陆军战术导弹系统和SUU-64战术弹药撒布器投放。n

激光雷达寻的器搜索范围370×900m，获取目标三维影像，分辨率15cm，确保准确地识别目标。激光成像雷达激光成像雷达激光成像雷达条纹管激光成像雷达2000年美国空军实验室和美国国家海洋管理(NOAA)提出条纹管成象激光雷达(StreakTubeImagingLIDAR,STIL)激光成像雷达6.

Jigsaw计划n

2000~2003年美国国防部高级研究计划署(DARPA)实施了高精度激光3D成像雷达研究计划（即Jigsaw计划）激光成像雷达n

对地面伪装物下的目标进行探测：收集数据的空载平台的飞行速度和高度要接近未来UAV的水平；要求在100米高空以上的数据采集和传输；对地面的探测范围可以达到20平方米；飞机的速度是每秒25-35米，并全n

MIT林肯实验室开发出一种3232Si-GM/APD焦平面探测器，且集成高速数字式CMOS计时电路，室温下单光子探测效率大于20%。MIT林肯实验室研制的Jigsaw非扫描焦平面激光成像光学头2003年6月该Jigsaw系统装在UH-1直升机上进行了飞行实验隐蔽在树林中带伪装网的坦克目标飞行实验中获取的坦克目标的伪彩色3D激光雷达图像处理过程显示6.直升机障碍回避激光成像雷达n

直升机激光雷达系统用于探测电话线、动力线之类的障碍激光成像雷达n

Fibertek公司直升机激光雷达系统由传感器吊舱和电子装置组成n

使用二极管泵浦1.54m固体激光器器。吊舱中安装激光发射机、接收机、扫描器和支持系统。n

电子装置由计算机、数据和视频记录器、定时电子系统、功率调节器、制冷系统和控制面板组成。n

该激光雷达系统安装在UH-1H直升机上。7.德国戴姆勒-奔驰宇航公司按照联邦防卫技术和采办办公室的合同，研制了Hellas障碍探测激光雷达。激光成像雷达n

该激光雷达是1.54m成像激光雷达，n

视场为3232，n

能探测距离300～500m的、直径1cm以上的电线和其他障碍物（取决于角度和能见度）。n

1999年1月德国联邦边防军为新型EC-135和EC-155直升机订购25部Hellas障碍探测激光雷达。激光成像雷达发展历程及趋势激光成像雷达激

光

器CO2气体激光器YAG固体激光器半

导

体

激

光

器光

纤

激

光

器成像方式光电探测器扫描单线元闪

烁

式合

成

孔

径相

控

阵阵条

纹

相

机焦

平

面1.

大气监测激光雷达通过测量大气中自然出现的少量颗粒的大气监测激光雷达后向散射，可以检测风速、探测紊流、实时测量风场等。在高空投掷炸弹和其它兵器时遇到的一个问题是，风干扰向下的弹道。美国空军尝试使用的主要办法是，利用增加的尾部装置进行惯性或GPS制导，修正飞的信息，以便通过调整投掷点，来补偿风的影响。2.

空军赖特实验室委托相干技术公司研制激光雷达。大气监测激光雷达第一台激光雷达采用闪光灯泵浦激光器，脉冲能量50mJ，脉冲重复频率7Hz，安装在C-141飞机上试验。第二台激光雷达采用二极管泵浦激光器，脉冲能量3.5mJ，脉冲重复频率200Hz，重913kg，体积3.26m3。1.

第三台为人眼安全的Tm(YAG激光雷达。2.

该激光雷达工作波长2021.84nm，激光脉冲能量12mJ，激光脉冲持续时间650ns，脉冲重复频率100Hz，重272kg，体积1.27m3。激光雷达由发射接收机、信号处理装置、环境控制装置、光学扫描器、惯性导航装置和电源组成，安装在C-130飞机的改装的油箱鼻锥内的支架上。扫描器使激光束沿椭圆形路线（20o×30o）扫描。椭圆的中心的俯仰角可根据飞行条件控制在固定位置。该俯仰角的范围为－3o～37o。激光雷达与飞机航空电子系统、显示器、用户界面接口。1995年开始使用C-141飞机进行第一台激光雷达测风的飞行试验，随后C-130飞机上实验飞行第二和第三大气监测激光雷达台激光雷达。据称，作战使用型激光雷达需要将1.

美国航天局的“先进的飞行中测量用机载相干激光雷达”，大气监测激光雷达2.

飞机后微爆风切变和尾流，给与其相遇的飞机造成危险。英国国防鉴定与研究局（DARA）的研究人员研制的激光雷达，能测量在飞机后微爆风切变和尾流速度。将这种激光雷达置于跑道上进行实时监测，就可以提高安全性，增加飞机的通过量。3.

B-2“幽灵”轰炸机携带的激光雷达的与众不同的任务是，检测飞机后的空气，检查有无暴露这种隐形轰炸机的凝结尾流。该激光雷达驾驶员报警系统使用Ophir公司的低截获概率激光发射机和激光接收机，探测突然出现的凝结尾流，向乘员报警。1.

1.06m(YAG)相干激光多普勒测风雷大气监测激光雷达达①1993年CLAWS(CoherentAtmosphericWindSounder)计划，已装备肯尼迪航天中心CLAWS相干激光多普勒测风雷达CLAWS技术参数技术指标波长(m)1.06脉冲能量(mJ)脉冲宽度(ns)10008相干激光多普勒测风雷达脉冲重复频率(Hz)

10扫描器/望远镜200(mm)距离分辨率1.

2m相干激光多普勒测风雷达①

1990年美国相干技术公司(CTI)研制出世界上第一台2m相干激光多普勒测风雷达大气监测激光雷达②

TODWL(TwinOtterDopplerWindLidar)③

GWOLF(GroundbasedwindObservingLidarFacility)④

VALIDAR(ValidationLIDAR)⑤

WinTrace⑥

JEM