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1、激光雷达原理读书笔记99121-19 邓洪川一. 概念:“雷达(Radio Detection and Range,Radar)是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备电 磁波其功能包括搜索目标和发现目标;测量其距离,速度,角位置等运动参数;测量目标反射率, 散射截面和形状等特征参数。传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波.可 以用振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。激光雷达利用激光光波来完成上述任务。可以采用非相干的能量接收方式，这主要是 一脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采用相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现 探测。激光雷达和微波雷达并无
2、本质区别，在原理框图上也十分类似，见下图 微波雷达显示信号/ 混A收发/控制处理A频控制=激光雷达显示控制信号处理收发控制A天线激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。激光 光速发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。多普勒频移大，可以探测从低速到高速 的目标。天线和系统的尺寸可以作得很小。利用不同分子对特定波长得激光吸收、散射或荧 光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。目前，激光雷达的种类很多，但是按照现代的激光雷达的概念，常分为以下几种:(1) 按激光波段分，有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。(2) 按激光介质分，有气体激光雷达
3、、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵 浦固体激光雷达等。(3) 按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。（4）按显示方式分，有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。（5）按运载平台分，有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。（6）按功能分，有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像 雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。（7）按用途分，有激光测距仪、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、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气
4、监 测激光雷达等。激光雷达的波长比微波断好几个数量级，又有更窄的波束。因此，于微波雷达相比，激 光雷达具有如下优点：（1）角分辨率高，速度分辨率高和距离分辨率高。采用距离-多普勒成像技术可 以得到运动目标的高分辨率的清晰图象。（2）抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿越等离子鞘，低 仰角工作时，对地面多路径效率不敏感。激光束很窄，只有在被照射的那 一点，那瞬间，才能被接收，所以激光雷达发射的激光被截获的概率很低。（3）激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测。这是微波雷达无能为 力的。（4）在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。 当然，激光雷达也有如下缺点：（1） 激
5、光受大气及气象影响大。大气衰减和恶劣天气使作用距离降低。此外， 大气湍流会降低激光雷达的测量精度。（2） 激光束窄，难以搜索目标和捕获目标。一般先有其他设备实施大空域、快速粗捕目标，然后交由激光雷达对目标进行精密跟踪测量。二. 激光雷达作用距离方程激光和微波统属电磁波，激光雷达作用距离方程的推导与微波雷达的推导是相似的。从 微波雷达作用距离方程可以导出激光雷达方程：PG5兀D2P = T T XX乂耳 耳R4 兀R 24 兀R 24 Atm Sys式中，PR是接收激光功率（W）； PT发射激光功率（W）； gt是发射天线增益；O是目标散RTT射截面；D是接收孔径（m）； R是激光雷达达到目标的
6、距离（m）； n At是单程大气传输 Atm系数；n 是激光雷达的光学系统的传输系数。定义A=n D2是有效接收面积（in?） 式中还SysR有：其中两式中，e是发射激光的带宽；入是发射激光的波长；k是孔径透光常数。Ta 经过整理，式（ 1）变为P oD 4P = T耳 耳RI6X2 K 2 Ra目标的散射截面为4兀八o = p dA Q T式中，Q是目标的散射立体角；dA是目标的面积；p 丁是目标平面反光系数。激光雷达作用距离可以看成发射一定功率激光后的激光大气传输、目标特性、光学系统 传输特性和接收机四项因子的乘积形式。但是，对于不同的目标，雷达作用距离方程有不同得意义和形式：1点目标如果
7、激光雷达探测到的能量包含从目标上被照亮的光斑点反射回的所有能量，那么在作 用距离方程计算中，要用目标上整个被照亮的区域来计算。计算时要用到激光雷达照射目标 时的散射截面。对于一个朗伯散射的点目标。被照射的面积元dA,该截面O pT简化为o 二 4 p dAPTPT式中，P pT是点目标的平均反射系数。代入作用距离方程标准形式中，便得出点目标反 回来的接收信号功率为P p D 4 dAP =耳 耳R4 R 4 K 2 X 2Atm Sysa方程中，均假设发射和接受的光波有相同的波长。2.扩张目标如果接收到目标的全部回波光束，就可认为是一个与目标大小有关的扩展目标，并且光斑 附近的目标的所有辐射都
8、能反射。在近程探测时，一般看成扩张目标。当圆光斑照射时，照射的面积为,兀R 40 2dA = T4式中，e T是发射激光的衍射极限角。对扩展目标的朗伯散射目标有o =兀卩 R20 2ExtExt T于是有兀P P D2P = T E*t耳耳R(4Rj2AtmSys式中，p Ext是扩展目标的平均反射系数。注意，在近程作用下，大气影响可近似考虑为单 程传输影响。3.线形目标如一般电线，她的长度大于一个被照亮区域的长度，而宽度却小于被照区域宽度。考 虑到一个漫射的线性目标，线径为d和长度为R0 t，一个与距离疋成反比的关系就可以推 出来。0 t仍是发射激光极限角。目标在激光光斑中截面可以近视表示为
9、Q 二 4 p R0dWW于是有P p dD 3P = T W 耳 耳R 4 R 3 K X Atm Sysa式中，p是线形目标的平均反射系数。W三. 激光雷达作用距离方程的能量形式将激光雷达作用距离方程中的接收和传输功率变成能量，于是得到激光雷达作用距离方 程的能量形式。基本关系下图RR式中，E是接收机收到的目标返回的能量；E是发射机的激光能量；R是发射机到目标的距RT离；R是接收机到目标的距离；p是目标达平均反射率；n为包括大气影响的发射光束的 RT单程传输系数；n R为包括大气影响的接受光束的单程传输系数；Q T为发射光束的发散角； RTQ为返回光束的发散角，其中Q取立体角：RQ =面积
10、/距离2=A/R2A 是目标截面：T兀A =_ R 2 Q 2T 4 TA是接收机的接收孔径面积:CA 放大器T波器PSPL00_J I_任激光器发射F背景噪声（1）非相干接收机除了信号光功率Ps以外，还有附加项，即背景光功率P。它BK 是由太阳光和物体的自身辐射，物体对辐射的反射、漫反射和闪烁等引起的 不必要的噪声信号在接收机非线性光探测器中变为电信号和被放大，经过匹 配滤波器和其他抑制噪声的措施后，产生一个视频带宽的有效信号。（2）相干接收机中，除了激光器所发出的频率为f的信号光外还有经过光束分束 器的本振光。信号光的回波和本振光一同耦合到光探测。除了接收到光信号 光功率 P ，外本地震荡
11、光功率 P ，它们一同与背景噪声项 P 相竞争，结果SLoBK就压抑了噪声。3）背景噪声有:物体的黑体辐射：wo T4AXQ AP TR R耳 耳Bb兀Atm Sys阳光的后向散射：P = kS 沁 PH ASb 1 IRR R Sys R阳光的大气散射：P = kS 沁 I h ANs 1 IRR R S Sys R上式中，是目标的辐射系数;p是目标的反射系数;T是目标的温度(K);入是光波长 范围m);AR是接收机探测器敏感面面积(m2 );kl是太阳光通过大气的透过系数;Srr是太阳 的辐射度(W m2 卩m-i );Is是大气的散射系数;n Sys是系统的光学效率;Q R是辐射体辐射
12、的能量的立体角;o T是斯特藩-玻耳兹曼常数.信噪比的表达i2SNR =匚i 2 + i 2 + i 2 + i 2 + i 2SN TH BK DK Lo式中,i2是信号电流的均方值；i2是散弹噪声电流的均方值；i2是热噪声电流的均方值;STHBKi2 是背景噪声电流的均方值; i2 是暗电流的均方值;是本振电流的均方值.DK Lo将以上电流代入信噪比SNR方程可以得到非相干和相干激光雷达信噪比方程:非相干激光雷达的信噪比SNR方程可以表示为：SNR=hvl2B(PSH P 23 s+KP + KPBk 1 Dk 2 THSNR=相干激光雷达的信噪比SNR方程表示为hvB(P + P + P
13、 )+KP + KPS BkL03 Dk 4 TH式中,SNR是激光雷达系统的功率信噪比；H D是探测器的量子效率;h是普朗克常量；v是激 光频率;B是电子带宽;Ps是接收信号光功率;PBk背景光功率；P是探测器暗电流功率；P .SBkDkTH是等效热噪声功率; PL0 是本振光功率.五. 激光的大气传输特性激光的的大气传输和目标的特性有密切关系.大气传输的影响主要表现在以下几个方面:（1） 大气层某些气体分子对激光的选择性吸收引起的衰减 .比如:对于入射功率为P（入）的激光光束通过x的路程后，激光功率将由大气组分的吸收衰减为P（人 x）二 P（人O）exp|-k（九）x式中,k（入）为吸收系数;P（入，x）是经过x路程后透射出的激光功率.（2）大气中悬浮微粒对激光的散射引起的衰减.对波长为入的单色激光光束，在不均匀的介质中传播距离x后，由于纯散射作用，将使激光光束延x方向的衰减为P （x） = P （0）ex） -y （九）x九九上式中，勺（x）,勺（0）分别是在散射前和经过x距离散射后的单色激光光功率；y （九）是散射系数,它可以表示为y（九）=y （九）+ y （九）may （九）和y （九）分别表示分子散射系数和悬浮微粒的散射系数.ma（3）大气物理性质的剧烈变化,导致闪烁引起的照度的变化和调制.（4）大气分子和悬浮微
