激光雷达技术(1)哈尔滨工业大学物理系严 赵远激光雷达的概念及内涵基本知识“雷达” (RADAR-Radio Detection AndRanging） o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-Laser Detection AndRanging）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CO?相干激光雷达.早期，人们还叫过光雷达（LIDAR-LightDetection And Ranging),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基本知识LIDARO■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基本知识2・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3. 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（lmrad左 右），而且无旁瓣，因而可实现高精度测角（优于O.lmrad） ＞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103-104nm,而且频率稳定度能做得很高，可实现高灵 敏度外差接收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 上瞄准点的选择表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较一基本知识宏 雷观 、\达微波雷达毫米波雷达激光雷达下中上作用距离' 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1上中下激光雷达基本组成激光雷达发射机A.激光发射器a）射向目标b）本振或距离基准光B.激光调制器C. 发射电源D. 发射天线（光学系统）光束整形抑制束散角扩束等E.激光束控制器：光束的空间位置与方向等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SI■ 从目前实际应用来看，Nd: YAG固体激光器、 CO?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扫描器激光雷达接收机F. 接收天线（光学系统）一G. 光电探测器（混频器1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）光电转换信号光与本振光混频H.前置放大器，中频放大器提取信息 抑制噪声I. 信号处理显示送伺服控制器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)、一基本知识光电导型确镉汞(HgCdTe)探测器和光 伏型确镉汞探测器ICCD接收器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）■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■囲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5678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①②③④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 多光谱激光雷达激光成像雷达发展历程及趋势CO2气体激光器CO2气体激光器光电探测器aI条纹相机I焦平面I1. 最大辐射功率2. 水平视场"horizontal Field of View (FOV)"3. 垂直视场 “vertical FOV”4. 光源波长"Wavelength of optical source^5. 最远测量距离"Maximum distance to bemeasured^6.测量时间 / 帧频 “ Measurement time / frame rate"7.纵向分辨率"depth resolution 448. 角分辨率 aangular resolution^9. 测距精度"Rjinge Measurement accuracy"10. 探测概率"Detection Probability"11 > 虚警概率"False Alarm Probability^■分辨率(resolution)■分辨率(resolution)距离分辨率、测距精度和测量误差用物理学方法（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 宽九雷达发射信号的名义分辨率dz约等于信 号的时宽T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）,dz - C--2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帶宽（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。