激光雷达的特点、分类及其发展 - 地理学 -

 

激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。目前激光雷达中使用的激 光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移Nd：YAG激光器、 GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2微 米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。      根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。其中直接 探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（AM），且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可 用外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率 调制（FM）或混合调制。按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，运动目标指示雷达， 流速测量雷达，风剪切探测雷达，目标识别雷达，成像雷达及振动传感雷达。     激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号 ，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目 标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算 其变化率而求得速度，这是、也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，直接 探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。     相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共同 在所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收（T/R）开头隔 离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进 入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入 光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，并 由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最后高 频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含两套望 远镜和光学扫描部件， T/R开关自然不再需要，其余部分与单稳系统的相同。     美国国防部最初对激光雷达的兴趣与对微波雷达的相似，即侧重于对目标的监视、捕 获、跟踪、毁伤评（SATKA）和导航。然而，由于微波雷达足以完成大部分毁伤评估和导 航任务，因而导致军用激光雷达计划集中于前者不能很好完成的少量任务上，例如高精度 毁伤评估，极精确的导航修正及高分辨率成像。较早出现的一种激光雷达称为“火池”， 它是由美国麻省理工学院的林肯实验室投资，于60年代末研制的。70年代初，林肯实验室 演示了火池雷达精确跟踪卫星，获得多普勒影像的能力。80年代进行的实验证明，这种 CO2激光雷达可以穿透某些烟雾，识破伪装，远距离捕获空中目标和探测化学战剂。发展 到80年代末的火池激光雷达，采用一台高稳定CO2激光振荡器作为信号源，经一台窄带CO2 激光放大器放大，其频率则由单边带调制器调制。另有工作于蓝-绿波段的中功率氩离子 激光与上述雷达波束复合，用于对目标进行角度跟踪，而雷达波束的功能则是收集距离― ―多普勒影像，实时处理并加以显示。两束波均由一个孔径为1.2M的望远镜发射并接收。 据报道，美国战略防御局和麻省理工学院的研究人员于1990年3月用上述装置对一枚从弗 吉尼亚大西洋海岸发射的探空火箭进行了跟踪实验。在二级点火后6分钟，火箭进入亚轨 道，即爬升阶段，并抛出其有效负载，即一个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞行器的 可充气气球。该气球有气体推进器以提供与再入飞行器和诱饵的物理结构相一致的动力学 特性。目标最初由L波段跟踪雷达和X波段成像雷达进行跟踪。并将这些雷达传感器取得的 数据交给火池激光雷达，后者成功地获得了距离约800千米处目标的像。     据1991年5月的《防卫电子学》报导，美国空军和海军当时正在研制“先进技术激光 雷达系统（ATLAS）”。该系统拟装在巡航导弹上，用CO2激光和新型红外雷达将巡航导弹 引向目标。此项计划由设在佛罗里达州伊格林空军基地的莱特研究所先进制导部主管，主 承包商麦道公司和通用动力公司康威尔分部各自按照 1500万美元的合同研制AGM-130或巡 航导弹型武器。海军发言人雷上尉当时称计划在1992年财政年度对ATLAS以吊舱结构进行 飞行试验； 1992年，位于加利福尼亚州的休斯公司光电与数据系统研究组已研制成功一 种先进的CO2激光雷达，并将其作为ATLAS计划的一部分，交付主承包商通用动力公司康威 尔分部。1992年6月的《光子学》和7月的《防卫电子学》对此相继作了报导。为了演示激 光雷达的功能，康威尔分部将其与有关的信号处理电子设备以及制导系统的其他部件。即 处理机，导航传感器和测试仪器等一起装入吊舱，吊挂在康威尔分部的试验喷气飞机上， 在伊格林试验场针对目标进行飞行，激光雷达提供了目标区域的高分辨率三维图像。此后 ，又进行了多种空对地武器的导航，末端瞄准和精密寻的导引试验，充分显示出该激光雷 达用于导弹制导的很多独特的优点。