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工作在紅外和可見光波段的雷達稱為激光雷達。它由激光發射機、光學接收機、轉檯和信息處理系統等組成,激光器將電脈衝變成光脈衝發射出去,光接收機再把從目標反射回來的光脈衝還原成電脈衝,送到顯示器。

1激光雷達

激光雷達是以發射激光束探測目標的位置、速度等特徵量的雷達系統。從工作原理上講,與微波雷達沒有根本的區別:向目標發射探測信號(激光束),然後將接收到的從目標反射回來的信號(目標回波)與發射信號進行比較,作適當處理后,就可獲得目標的有關信息,如目標距離、方位、高度、速度、姿態、甚至形狀等參數,從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別。
激光雷達

  激光雷達

LiDAR(Light Detection and Ranging),是激光探測及測距系統的簡稱,另外也稱Laser Radar或LADAR(Laser Detection and Ranging)
用激光器作為發射光源,採用光電探測技術手段的主動遙感設備。激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。由發射系統、接收系統 、信息處理等部分組成。發射系統是各種形式的激光器,如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調諧的固體激光器以及光學擴束單元等組成;接收系統採用望遠鏡和各種形式的光電探測器,如光電倍增管、半導體光電二極體、雪崩光電二極體、紅外和可見光多元探測器件等組合。激光雷達採用脈衝或連續波2種工作方式,探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達。
發展
隨著科學技術的發展和計算機及高新技術的廣泛應用,數字立體攝影測量也逐漸發展和成熟起來,並且相應的軟體和數字立體攝影測量工作站已在生產部門普及。但是攝影測量的工作流程基本上沒有太大的變化,如航空攝影-攝影處理-地面測量(空中三角測量)-立體測量-製圖(DLG、DTM、GIS及其他)的模式基本沒有大的變化。這種生產模式的周期太長,以致於不適應當前信息社會的需要,也不能滿足「數字地球」對測繪的要求。
LIDAR測繪技術空載激光掃瞄技術的發展,源自1970年,美國航天局(NASA)的研發。因全球定位系統(Global Positioning System、GPS)及慣性導航系統(Inertial Navigation System、INS)的發展,使精確的即時定位及姿態確定成為可能。德國Stuttgart大學於1988到1993年間將激光掃描技術與即時定位定姿系統結合,形成空載激光掃描儀(Ackermann-19)。之後,空載激光掃瞄器隨即發展相當快速,約從1995年開始商業化,目前已有10多家廠商生產空載激光掃瞄器,可選擇的型號超過30種(Baltsavias-1999)。研發空載激光掃瞄器的原始目的是觀測多重反射(multiple echoes)的觀測值,測出地表及樹頂的高度模型。由於其高度自動化及精確的觀測成果用空載激光掃瞄器為主要的DTM生產工具。
LiDAR的基本原理
LIDAR是一種集激光,全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)三種技術與一身的系統,用於獲得數據並生成精確的DEM。這三種技術的結合,可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用於獲得地面數字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統和已經成熟應用的用於獲得水下DEM的水文LIDAR系統,這兩種系統的共同特點都是利用激光進行探測和測量,這也正是LIDAR一詞的英文原譯,即:LIght Detection And Ranging - LIDAR。
激光本身具有非常精確的測距能力,其測距精度可達幾個厘米,而LIDAR系統的精確度除了激光本身因素,還取決於激光、GPS及慣性測量單元(IMU)三者同步等內在因素。隨著商用GPS及IMU的發展,通過LIDAR從移動平台上(如在飛機上)獲得高精度的數據已經成為可能並被廣泛應用。
LIDAR系統包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統。激光器產生併發射一束光脈衝,打在物體上並反射回來,最終被接收器所接收。接收器準確地測量光脈衝從發射到被反射回的傳播時間。因為光脈衝以光速傳播,所以接收器總會在下一個脈衝發出之前收到前一個被反射回的脈衝。鑒於光速是已知的,傳播時間即可被轉換為對距離的測量。結合激光器的高度,激光掃描角度,從GPS得到的激光器的位置和從INS得到的激光發射方向,就可以準確地計算出每一個地面光斑的坐標X,Y,Z。激光束髮射的頻率可以從每秒幾個脈衝到每秒幾萬個脈衝。舉例而言,一個頻率為每秒一萬次脈衝的系統,接收器將會在一分鐘內記錄六十萬個點。一般而言,LIDAR系統的地面光斑間距在2-4m不等。
激光雷達的特點   
與普通微波雷達相比,激光雷達由於使用的是激光束,工作頻率較微波高了許多,因此帶來了很多特點,主要有:
(1)解析度高
激光雷達可以獲得極高的角度、距離和速度解析度。通常角解析度不低於0.1mard也就是說可以分辨3km距離上相距0.3m的兩個目標(這是微波雷達無論如何也辦不到的),並可同時跟蹤多個目標;距離解析度可達0.lm;速度解析度能達到10m/s以內。距離和速度解析度高,意味著可以利用距離——多譜勒成像技術來獲得目標的清晰圖像。解析度高,是激光雷達的最顯著的優點,其多數應用都是基於此。
(2)隱蔽性好、抗有源干擾能力強
激光直線傳播、方向性好、光束非常窄,只有在其傳播路徑上才能接收到,因此敵方截獲非常困難,且激光雷達的發射系統(發射望遠鏡)口徑很小,可接收區域窄,有意發射的激光干擾信號進入接收機的概率極低;另外,與微波雷達易受自然界廣泛存在的電磁波影響的情況不同,自然界中能對激光雷達起干擾作用的信號源不多,因此激光雷達抗有源干擾的能力很強,適於工作在日益複雜和激烈的信息戰環境中。
(3)低空探測性能好
微波雷達由於存在各種地物回波的影響,低空存在有一定區域的盲區(無法探測的區域)。而對於激光雷達來說,只有被照射的目標才會產生反射,完全不存在地物回波的影響,因此可以"零高度"工作,低空探測性能較微波雷達強了許多。
(4)體積小、質量輕
通常普通微波雷達的體積龐大,整套系統質量數以噸記,光天線口徑就達幾米甚至幾十米。而激光雷達就要輕便、靈巧得多,發射望遠鏡的口徑一般只有厘米級,整套系統的質量最小的只有幾十公斤,架設、拆收都很簡便。而且激光雷達的結構相對簡單,維修方便,操縱容易,價格也較低。
激光雷達的缺點  
首先,工作時受天氣和大氣影響大。激光一般在晴朗的天氣里衰減較小,傳播距離較遠。而在大雨、濃煙、濃霧等壞天氣里,衰減急劇加大,傳播距離大受影響。如工作波長為10.6μm的co2激光,是所有激光中大氣傳輸性能較好的,在壞天氣的衰減是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷達的作用距離,晴天為10—20km,而壞天氣則降至1 km以內。而且,大氣環流還會使激光光束髮生畸變、抖動,直接影響激光雷達的測量精度。
其次,由於激光雷達的波束極窄,在空間搜索目標非常困難,直接影響對非合作目標的截獲概率和探測效率,只能在較小的範圍內搜索、捕獲目標,因而激光雷達較少單獨直接應用於戰場進行目標探測和搜索。
直升機障礙物規避激光雷達
目前,激光雷達在低空飛行直升機障礙物規避、化學/生物戰劑探測和水下目標探測等方面已進入實用階段,其它軍事應用研究亦日趨成熟。
直升機在進行低空巡邏飛行時,極易與地面小山或建築物相撞。為此,研製能規避地面障礙物的直升機機載雷達是人們夢寐以求的願望。目前,這種雷達已在美國、德國和法國獲得了成功。
美國研製的直升機超低空飛行障礙規避系統,使用固體激光二極體發射機和旋轉全息掃描器可檢測直升機前很寬的空域,地面障礙物信息實時顯示在機載平視顯示器或頭盔顯示器上,為安全飛行起了很大的保障作用。
德國戴姆勒。賓士宇航公司研製成功的Hel??las障礙探測激光雷達更高一籌,它是一種固體1.54微米成像激光雷達,視場為32度×32度,能探測300―500米距離內直徑1厘米粗的電線,將裝在新型EC―135和EC―155直升機上。
法國達索電子公司和英國馬可尼公司聯合研製的吊艙載CLARA激光雷達具有多種功能,採用CO2激光器。不但能探測標杆和電纜之類的障礙,還具有地形跟蹤、目標測距和指示、活動目標指示等功能,適用于飛機和直升機。
機載海洋激光雷達
傳統的水中目標探測裝置是聲納。根據聲波的發射和接收方式,聲納可分為主動式和被動式,可對水中目標進行警戒、搜索、定性和跟蹤。但它體積很大,重量一般在600公斤以上,有的甚至達幾十噸重。而激光雷達是利用機載藍綠激光器發射和接收設備,通過發射大功率窄脈衝激光,探測海面下目標並進行分類,既簡便,精度又高。
迄今,機載海洋激光雷達已發展了三代產品。20世紀90年代研製成功的第三代系統以第二代系統為基礎,增加了GPS定位和定高功能,系統與自動導航儀介面,實現了航線和高度的自動控制。
基本信息
圖書名稱:《激光雷達》
圖書照片

  圖書照片

作者:熊輝豐 主編
出版社:中國宇航出版社
出版時間:2007年1月
出版信息
ISBN:7-80034-617-X
定價:¥60
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