固体激光雷达

DPL 激光器具有对人眼安全、大气消光比低、光学系统便宜以及可采用光纤光路和集成光学技术和结构小型化等优点。它克服了Nd :YAG 激光器只能测距和测角, 不能测速和成像困难, 大气传输性能较差, 对人眼不安全等缺点。其相干性好,体积小, 质量轻, 寿命长, 可靠性优于CO2 激光器,因此90 年代得到迅速发展。目前, 已经实验用于相干多普勒激光雷达、距离成像、障碍物回避等方面, 在机载、弹载和星载平台中具有较大的竞争力。商品化进程也十分迅速,从第一台DPL 激光器研制成功, 到商品化激光雷达仅用了4 年, 且价格迅速降低 。

90 年代初, 短脉冲相干的多普勒Nd :YAG 激光探测系统的距离分辨率为1m , 用于1km/s 的高速目标的多普勒测量。其波形为1.06μm 的8μs 短脉冲采用相干接收方式。用波长为2.1μm 及2.09μm 的Tm , Ho :YAG 激光器制成的全固态激光雷达系统脉冲能量约为22mJ , 脉冲重复频率为3 .2Hz , 脉宽约为220ns 。已演示不同的距离分辨对大气风速和远距离硬目标测量.1.32μm 的半导体二极管泵浦Nd :YLF 激光成像雷达系统包括二极管泵浦、Q 开关Nd :YLF 激光发射机、激光接收机、距离计数器, 测量2km 距离的目标陆续试验成功。迅速开发了商品化的激光雷达。微型脉冲激光雷达系统是美国国家航天局(NASA)哥达德航天中心研制的一台科学仪器的初样样机。通过技术转让实现了商品化。微型脉冲激光雷达是一种对人眼安全、结构紧凑和自动操作的激光雷达, 可用于大气中云的轮廓和气溶胶浓度的探测。对科研或全天候无人值守的云和气溶胶的高度和结构的测量等环境监测是一件理想的工具, 与传统的激光雷达相比性能和效率均有创新。微型脉冲激光雷达系统是至今唯一的一种低成本和使用方便的小型系统。空气动力学、天气研究和环境监测的应用仅是该系统可能的利用领域。系统的模块设计有多种修改, 以满足不同应用的需要。系统可以在距离分辨率和其它性能方面升级,或提高可靠性以满足航天需要。

工作原理微型脉冲激光雷达系统的基本结构如图所示。微型脉冲激光雷达从发射机发出高功率的激光脉冲直接在大气中传输, 并与气溶胶和大气分子发生相互作用。它们引起的后向散射能量由系统的接收器接收。回波信号提供了许多大气组分和动力学的信息。距离分辨率由激光脉冲从发射机到返回接收机的时间来决定。系统的发射部分是二极管泵浦Nd :YLF 激光器, 发射的激光脉冲波长为523nm , 脉宽为10ns , 重复频率为2500Hz , 能量为10μJ 。通过施密特-卡塞格轮望远镜天线同轴地将脉冲发射出去, 并接收目标的反射信号, 将之转变为电信号, 随后输入到数字处理器中。数据由安装在系统架子上的IBM/PC 兼容机采集、存储和分析。性能特点对人眼安全:微型脉冲激光雷达在任何距离对人眼都安全, 符合ANSI Z136-1986 激光安全防护标准允许的最大能量(MPE), 并且符合美国国家航空局(FAA)的传输辐射安全标准。它是通过适当的扩束和重复频率达到的。

信号探测灵敏度和系统作用距离:在低压电源下,MPL 可以提供高速的信号探测性能, 并具有低系统噪声和高量子效率(40 %)。通过窄的接收视场和窄带干涉滤光片使背景噪声降低, 因而白天也可测量从对流层到同温层(接近25km)之间云和气溶胶的散射。

物理尺寸:系统的体积小, 质量轻, 在外场可以按一定方式排列布置, 并可在较大的空间范围内进行观测, 不需要笨重的稳定平台和架子。

高功率高波束质量的辐射源

较远测程(数百米以上)的二极管激光成像雷达对其辐射源的要求, 一是具有足够高的输出功率, 二是具有足够窄的发射波束。目前商品化的二极管激光器虽可分别达到10W 的平均功率和衍射极限的波束质量, 但同一器件却难以同时满足这两项要求。一种可能的途径是采用面发射分布反馈(SEDFB)的二极管激光器阵列和微光学(MOC)准直技术。一个40 阵列, 采用微透镜组1.3cm ×10cm 孔径, 得到0.5 ～ 0.75mrad 发散度的10W 连续输出功率。当然, 为了实现这样的准直效果, 必须对微光学系统进行精心设计加工, 使其达到1μm 的绝对准直精度, 采用激光辅助化学腐蚀工艺制造微光学系统, 可以满足这一要求。在具体设计时, 必须对孔径尺寸, 波束发散度和输出功率进行合理的折衷。

高灵敏度接收技术

在电路和光学系统一定的条件下, 接收机的灵敏度通常用信噪比带宽积来衡量, 主要取决于探测器的灵敏度和探测方式。从理论上讲, 外差接收可以有效地抑制接收机电路的噪声, 使接收机的灵敏度接近量子极限, 因而比直接探测更优越。然而对于实际的工程设计, 还必须考虑应用背景、技术难度、复杂性、体积、质量和成本等因素, 以实现系统综合性能的优化。综合考虑信噪比, 准直精度要求, 战场环境适应性、复杂性、可靠性以及成本因素, 在中等接收信号功率条件下, 应优选APD 直接探测体制。采用总带宽大, 每一通道带宽窄的匹配滤波器的设计和接收信噪比控制技术, 使APD 处于最佳工作状态等对提高灵敏度也很重要的。

高性能二维扫描技术

激光成像防撞雷达通常要求具有大的扫描覆盖范围(36°×60°), 成像速率高(1 帧/s 以上), 图像失真小(扫描线性范围大), 而且对扫描机构的体积和质量均有严格的限制, 必须研制高速率、大范围、高精度和线性好的高性能小型化的扫描器。通常采用多面体转鼓和振镜体制, 但其在线性范围、体积和质量方面均存在一定的问题。

图像处理和目标识别算法

激光成像技术的主要功能是通过成像发现和跟踪目标, 识别其特征, 判别其种类, 甚至还具有选择攻击点, 评估攻击效果等功能。在气象预报的测量和环境监测中对污染物的测量位置波动变化状况都表明, 实时高分辨成像和特征识别是项关键技术。

高速单板机、单片机和算法的发展, 使这一问题得以解决, 并已有多种图像处理和目标识别的算法, 如目标轮廓算法和三维目标算法。前者包括以中值滤波为主的处理算法和基于判断规则的分类算法, 后者主要有中值滤波、滚动修正、标高变换等构成的处理器算法。近来, 目标标高和局部标高的算法在数字地图、云高及污染物团高度的假彩色编码图中有重要地位。分类算法包括表面积计算、转动计算和瞄准点计算等算法。这些算法比较简单,可以满足一般目标识别和分类的要求, 用笔记本式多媒体计算机即可操作。另外一种适用的算法是知识源基础算法。一些新的更复杂的算法也在研究之中, 例如以匹配滤波技术为基础的相关算法,以多维滤波器组为基础的实现多频率数据关联和相关的自适应多维处理算法, 以及基于工程的模型算法和基于函数基集的子波结构等, 尤其是人工神经网络技术的引入, 将大大提高复杂背景中自动分离、分类和识别目标的能力。

固体激光雷达半导体二极管激光成像雷达

半导体二极管激光器以其体积小, 质量轻, 坚固可靠, 高效率(可达30 %), 高重复频率和潜在的低成本, 以及可采用非制冷高灵敏度APD 探测器的特点, 成为小型激光雷达的优选光源。80 年代中期以后, 随着二极管激光器在提高输出功率, 改进光束质量和方向性以及降低探测器阈值等方面取得的重大进展, 国际上开始发展二极管激光雷达。其应用背景主要是巡航导弹下视雷达和武装直升机前视电线防撞, 近距战术武器精确制导等。

1985 年年底, 美国空军怀特(Wright)实验室开始了一项研究计划, 以确定二极管激光雷达作为制导传感器的可行性。Schw artz 光电公司研制了独有的目标识别和分类算法的实时二极管成像激光雷达系统。1989 年在塔上试验获得成功。1990 年作飞行试验, 试验中激光发射器采用二极管阵列, 其发射功率为120W , 作用距离为500m , 视场为4°×10°, 图像帧频30Hz , 试验结果实时显示一个三维距离彩色图像和一个灰度级反射率图像, 显示中还包括目标瞄准点的位置, 目标分类和目标距离。机载二极管激光成像避障雷达的研制也取得了很大进展。法国Thomson-TRT 公司研制了HOWARD 激光雷达系统, 用于直升机障碍物告警。采用二极管激光器作发射源, 发射脉冲峰值功率为100W , 重复频率为20kHz , 采用双光楔玫瑰线扫描, 扫描视场为30°×30°, 探测距离为200 ～400m 。美国Northrop 公司研制的直升机防撞告警系统(OASYS)二极管激光成像雷达系统 , 采用圆周平移扫描, 发射脉冲能量为8μJ , 重复频率为64kHz , 视场为25°×50°, 对2 .5cm 电力线的成像距离大于400m 。

80 年代, 半导体激光雷达原理实用化研究取得较大进展。1990 年美国公布了巡航导弹的调幅连续波相位测距红外激光测高仪的专利(465.764),以下视测高为主, 可兼前视测距。1987年德国专利(3606337)和1989 年德国专利(3901040)都介绍了连续波激光测高仪。1991 年和1992 年美国国防部明确提出了近程(3～10km)半导体相干激光成像雷达的发展计划。1991 年进行了前视和下视的挂飞试验, 验证了直升机测障回避, 1994 年和1995 年验证了机载下视测高。目前, 美国林肯实验室、休斯公司等机构也都在发展二极管激光主动成像雷达。二极管激光成像雷达的最大缺点是输出功率低(约几百瓦量级), 作用距离近, 束散宽,故要求用大尺寸光学系统来减小束散。这对要求远距离成像的战术应用带来困难, 因此, 在一个时期内还需作许多工作才能满足要求。

固体激光雷达二极管泵浦固体激光成像雷达

80 年代后期, 随着二极管泵浦固体激光器(DPL)的发展, 固体激光器大大提高了效率和重复频率, 克服了热效应等缺点, 实现单模稳定运转, 高稳频, 高功率, 高效率和高光束质量, 并使器件向小型化发展。正是由于固体激光器本身的优点和近几年来固体激光技术的重大突破, 固体激光雷达在成像, 远程目标跟踪和识别等领域呈现出巨大的发展潜力。美国率先进行了二极管泵浦固体激光制导技术的研究。90 年代初期, 美国Hercules 防御中心成功研制一台用于战场监视的1.32μm 固体激光成像雷达, 采用光栅扫描成距离像。该发射系统采用了连续波激光二极管泵浦Q 开关Nd :YLF激光器, 输出峰值功率为2kW , 发散角为0 .5mrad ,光束直径为5mm 。接收机天线直径为48mm ,焦距为2 .5mm ,光斑尺寸为0 .25mrad 。激光雷达使用InGaAs 雪崩二极管探测器, 噪声等效功率NEP =0 .8 ×10-8W , 最小可探测信号功率MDP =1 .5 ×10-7W , 完成了距离成像的实验, 距离分辨率为0 .25m , 最大距离为2km 。与此同时, 美国Fibertek公司研制用于直升机防撞的样机, 激光波长为1.54μm , 脉冲重复频率为15kHz , 脉冲能量为100μJ , 脉冲宽度为5ns , 扫描方式采用圆周平移扫描, 已在直升机上进行了两次试验。对要求中等以上功率的应用而言, 二极管激光泵浦固体激光主动成像雷达有很大的应用前景 。这种固体激光主动成像雷达有输出功率高、脉冲重复频率高、体积小、质量轻、可靠性高等优点。另外应用可调谐固体激光器和倍频固体激光的波长可调, 又开辟了许多新的应用领域。虽然DPL 激光成像雷达的发展历史还很短, 但其发展潜力是不容置疑的.

半导体二极管激光器以其体积小、质量轻、坚固可靠、高效率(可达30 %以上)和潜在的低成本,在激光成像技术应用方面具有很大的潜力。半导体激光器的典型器件为GaAs 和GaAlAs 激光器, 波长为0.85μm 和0.94μm 。长期以来, 因为其输出功率较低而仅限于空间飞行器的交会制导。然而,随着金属有机化学汽相沉淀工艺和量子阱器件结构的问世, 以及高功率、高效率激光二极管, 特别是二极管阵列器件的发展, 为半导体激光雷达的应用带来了生机。目前单个100μm 条宽的半导体激光二极管最大输出功率已达3.7W , 200μm 条宽的器件在7W 输出功率下, 工作寿命可达10000h , 并已商品化。1cm 长的线阵器件和连续输出功率可大于13W , 二维阵列堆的功率密度已达3kW/cm2 , 预计2000 年前可推出100W 或更大连续波相干输出的可调谐二极管激光阵列。

目前, 半导体二极管激光器成像检测系统已研制出几种试验样机, 主要用于武装直升机障碍回避和地物探测。预计, 随着高重复频率高功率半导体二极管阵列激光器的实用化, 半导体激光成像雷达将会广泛用于各种平台。尽管目前仍采用直接接收方式, 但采用相干接收方式也有巨大潜力。激光成像系统是一种高灵敏度的探测技术, 无论采用何种激光器和探测体

制, 其关键技术之一都是图像处理。因此, 研究图像处理算法并研制性能优越的图像处理硬件对于激光成像雷达至关重要。

Schwartz 公司系统是一个单通道成像系统[ ,它的主要技术分为两个部分:单通道激光直接接收测距机和目标轮廓算法。图给出单通道激光成像系统硬件组成框图, 其中发射机部分采用单元半导体二极管, 其输出脉冲功率为60W 、脉宽为6ns 、重复频率为9kHz 。接收机是直接接收方式。发射机和接收机之间用光纤传送启动脉冲。扫描系统是两块镀银的平面反射镜, 由计算机控制的步进电机驱动, 栅式步进扫描, 视场为4°×8°, 便携式计算机除控制扫描反射镜外, 还能够利用其所配备的数字信号处理插件来处理距离和反射率数据, 形成彩色距离图像, 并执行目标分类算法。对地面坦克进行静态成像试验, 获得了坦克三维伪彩色图像和反射强度图像, 借助这些图像可清晰地辨认出坦克的轮廓。这一结果证明所设计的硬件和软件是有效的。存在问题是抗地杂波背景干扰能力尚需进一步改善。在此基础上, 又研制了24 通道实时成像二极管阵列激光成像。对目标的最大测程为500m , 帧频为3Hz , 视场为4°×10°, 适于机载试验的结构, 具有伪彩色和灰度反射强度图像的实时显示以及实时目标分类和瞄准点确定等功能。