激光雷达技术的应用现状及应用前景(1)

2018-01-02 18:16

摘要:激光雷达无论在军用领域还是民用领域日益得到广泛的应用。介绍了激光雷达的工作原理、工作特点及分类,介绍了它们的研究进展和发展现状,以及应用现状和发展前景。

引言

激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的T作原理相似,它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号,然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较,从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息,实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪和识别。

激光雷达可以按照不同的方法分类。如按照发射波形和数据处理方式,可分为脉冲激光雷达、连续波激光雷达、脉冲压缩激光雷达、动目标显示激光雷达、脉冲多普勒激光雷达和成像激光雷达等:根据安装平台划分,可分为地面激光雷达、机载激光雷达、舰载激光雷达和航天激光雷达;根据完成任务的不同,可分为火控激光雷达、靶场测量激光雷达、导弹制导激光雷达、障碍物回避激光雷达以及飞机着舰引导激光雷达等。

在具体应用时,激光雷达既可单独使用,也能够同微波雷达,可见光电视、红外电视或微光电视等成像设备组合使用,使得系统既能搜索到远距离目标,又能实现对目标的精密跟踪,是目前较为先进的战术应用方式。

一、激光雷达技术发展状况

1.1关键技术分析

1.1.1空间扫描技术

激光雷达的空间扫描方法可分为非扫描体制和扫描体制,其中扫描体制可以选择机械扫描、电学扫描和二元光学扫描等方式。非扫描成像体制采用多元探测器,作用距离较远,探测体制上同扫描成像的单元探测有所不同,能够减小设备的体积、重量,但在我国多元传感器,尤其是面阵探测器很难获得,因此国内激光雷达多采用扫描工作体制。

机械扫描能够进行大视场扫描,也可以达到很高的扫描速率,不同的机械结构能够获得不同的扫描图样,是目前应用较多的一种扫描方式。声光扫描器采用声光晶体对入射光的偏转实现扫描,扫描速度可以很高,扫描偏转精度能达到微弧度量级。但声光扫描器的扫描角度很小,光束质量较差,耗电量大,声光晶体必须采用冷却处理,实际工程应用中将增加设备量。

二元光学是光学技术中的一个新兴的重要分支,它是建立在衍射理论、计算机辅助设计和细微加工技术基础上的光学领域的前沿学科之一。利用二元光学可制造出微透镜阵列灵巧扫描器。一般这种扫描器由一对间距只有几微米的微透镜阵列组成,一组为正透镜,另一组为负透镜,准直光经过正透镜后开始聚焦,然后通过负透镜后变为准直光。当正负透镜阵列横向相对运动时,准直光方向就会发生偏转。这种透镜阵列只需要很小的相对移动输出光束就会产生很大的偏转,透镜阵列越小,达到相同的偏转所需的相对移动就越小。因此,这种扫描器的扫描速率能达到很高。二元光学扫描器的缺点是扫描角度较小(几度),透过率低,目前工程应用中还不够成熟。

1.1.2激光发射机技术

目前,激光雷达发射机光源的选择土要有半导体激光器、半导体泵浦的固体激光器和气体激光器等。

半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的Pn结或Pin结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器工作物质有几十种,目前已制成激光器的半导体材料有砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)、锑化钢(InSb)、硫化镉(Cds)、碲化镉(cdTe)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)等。半导体激光器的激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式。绝大多数半导体激光器的激励方式是电注入,即给Pn结加正向电压,以使在结平面区域产生受激发射,也就是说是个正向偏置的二极管,因此半导体激光器又称为半导体激光器_极管。自世界上第一只半导体激光器在1962年问世以来,经过几十年来的研究,半导体激光器得到了惊人的发展,它的波长从红外到蓝绿光,覆盖范围逐渐扩大,各项性能参数不断提高,输出功率由几毫瓦提高到千瓦级(阵列器件)。在某些重要的应用领域,过去常用的其他激光器已逐渐为半导体激光器所取代。

半导体泵浦固体激光器综合了半导体激光器与固体激光器的优点,具有体积小、重量轻、量子效率高的特点。通过泵浦激光T作物质,输出光束质量好、时间相干性和空间相干性好的泵浦光,摒弃了半导体激光器光束质量差、模式特性荠的缺点,与氙灯泵浦同体激光器相比具有泵浦效率高、T作寿命长、稳定可靠的优点。激光工作物质可以选择钕(Nd)、铥(Tm)、钬(Ho)、铒(Er)、镱(Yb)、锂(Li)、铬(Cr)等,获得从1.047~2.8μm的多种波。目前,半导体泵浦固体激光器的许多工程应用问题已经得到解决,是应用前景最好、发展最快的一种激光器。

气体激光器是目前种类较多、输出激光波长最丰富、应用最广的一种激光器。其特点是激光输出波长范围较宽;气体的光学均匀性较好,因此输出的光束质量好,其单色性、相干性和光束稳定性好。

1.1.3高灵敏度接收机设计技术

激光雷达的接收单元由接收光学系统、光电探测器和回波检测处理电路等组成,其功能是完成信号能量汇聚、滤波、光电转变、放大和检测等功能。对激光雷达接收单元设计的基本要求是:高接收灵敏度、高回波探测概率和低的虚警率。在工程应用中,为提高激光测距机的性能而采用提高接收机灵敏度的技术途径,要比采用提高发射机输出功率的技术途径更为合理、有效。提高激光回波接收灵敏度的方法主要是接收机选用适当的探测方式和光电探测器。

探测器足激光接收机的核心部件,也是决定接收机性能的关键因素,因此,探测器的选择和合理使用是激光接收机设计中的重要环节。目前,用于激光探测的探测器可分为基于外光电效应的光电倍增管和基于内光电效应的光电二极管及雪崩光电二极管等,由于雪崩光电二极管具有高的内部增益、体积小、可靠性好等优点,往往是工程应用中的首选探测器件。

激光雷达的回波信号电路主要包括放大电路和阈值检测电路。放大电路的设计要与回波信号的波形相匹配,对于不同的回波信号(如脉冲信号、连续波信号、准连续信号或调频信号等),接收机要有与之相匹配的带宽和增益。如对于脉冲工作体制的激光雷达,放大电路要有较宽的带宽,同时还要采用时问增益控制技术,其放大器增益不是固定的,而是按激光雷达方程变化曲线设计的控制曲线,以抑制近距离后向散射,降低虚警,并使放大器丰要工作于线性放大区域。

阈值检测电路是一个脉冲峰值比较器,确定回波到达的判据是回波脉冲幅值超过阈值。这种方法的优点是简单,但存在两个主要缺点。首先,只要有一个脉冲幅值首先超越阂值,检测电路就会将其确定为回波,而不管它是同波脉冲还是杂波干扰脉冲,从而导致虚警;其次是回波脉冲幅度的变化会引起到达时间的误差,从而导致测距误差。在高精度激光测距机中,通常采用峰值采样保持电路和恒比定时电路来减小测时误差。

1.1.4终端信息处理技术

激光雷达终端信息处理系统的任务是既要完成对各传动机构、激光器、扫描机构及各信号处理电路的同步协调与控制,又要对接收机送出的信号进行处理,获取目标的距离信息,对于成像激光雷达来说还要完成系统三维图像数据的录取、产生、处理、重构等任务。

目前激光雷达的终端信息处理系统设计采用主要采用大规模集成电路和计算机完成。其中测距单元可利用FPGA技术实现,在高精度激光雷达中还需采用精密测时技术。对于成像激光雷达来说,系统还需要解决图像行的非线性扫描修正、幅度/距离图像显示等技术。回波信号的幅度量化采用模拟延时线和高速运算放大器组成峰值保持器,采用高速A/D完成幅度量化。图像数据采集由高速DSP完成,图像处理及三维显示可由工业控制计算机完成。

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