激光雷达原理

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本质区别，在原理框图上也十分类似，见下图
微波雷达
天线
激光雷达
天线
光混频激光雷达由发射，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、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。

显示控制
信号处理
本振辐射
收发控制
主频振荡
混频
显示控制
信号处理
收发控制
主频振荡
本振辐射
(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：
Sys
Atm
T T R
D
R
R
G P P 4
442
2
2
式中，P R 是接收激光功率（W ）；P T 发射激光功率（W ）；G T 是发射天线增益；σ是目标散
射截面；D 是接收孔径（m ）；R 是激光雷达达到目标的距离（m ）；ηAtm 是单程大气传输
系数；ηSys 是激光雷达的光学系统的传输系数。

定义A R =πD 2是有效接收面积（m 2）.式中还
有：
2
4
T
T
G 其中
D
K a
T
两式中，θT 是发射激光的带宽；
λ是发射激光的波长；
K a 是孔径透光常数。

经过整理，式（1）变为
Sys
Atm
a
T R
R
K D P P 4
22
416
目标的散射截面为
dA
T
4
式中，Ω是目标的散射立体角；dA 是目标的面积；ρT 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σPT 简化为
dA
PT
PT
4
式中，ρPT 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
Sys
Atm
a
T T
R
K
R dA
D P P 2
24
4
4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
4
24
T
R
dA
式中，θT 是发射激光的衍射极限角。

对扩展目标的朗伯散射目标有
22
T
Ext Ext
R
于是有
S y s
A t m E x t T
R
R
D
P P 2
2
4式中，ρExt 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R θT ，一个与距离R 3成反比的关系就可以推
出来。

θT 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
d
R W
W
4
于是有
Sys
Atm
a
W T
R
K R dD
P P 3
3
4式中，ρW 是线形目标的平均反射系数。

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
距离R
(E T )发射能量
ΩT
ΩR
(E R )接受能量
方程式可以改成如下：
R
T
R
C R
T
T
T R
R
A A R
E E 22
式中，E R 是接收机收到的目标返回的能量；E T 是发射机的激光能量；R 是发射机到目标的距
离；R R 是接收机到目标的距离；ρ是目标达平均反射率；ηT 为包括大气影响的发射光束的
单程传输系数；ηR 为包括大气影响的接受光束的单程传输系数；
ΩT 为发射光束的发散角；
ΩR 为返回光束的发散角，其中
Ω取立体角：
Ω＝面积/距离2＝A/R2
A T 是目标截面：
22
4
T
T
R
A 点目标
A c 是接收机的接收孔径面积：
A c
R
R
2
在许多情况下，还需要确定在特定的接收功率下（或系统的最小可探测公率）的最大作
用距离.对这种反问题的求解时，
由于激光雷达作用距离方程的非线性，代数求解是困难的。

通过牛顿迭代法等可以求反问题的解，得到作用距离方程：
4
/12
2
4
4Sys
Atm
a
R T
T
K
P dAD
P R
四.激光雷达探测原理
激光雷达最重要的性能参数是系统信噪比（SNR ）。

图（三）给出了激光雷达的非相干和
相干接收机方框图。

非相干
接收
P Bk
B 1
相干
接收 P S P
L0
发射天线 B
2
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 BK 。

它
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 0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 S ，外本地震荡光功率P Lo ，它们一同与背景噪声项
P BK 相竞争，结果
就压抑了噪声。

（3）
背景噪声有：
物体的黑体辐射：
Sys
Atm R
R
T
Bb
A T
P 4
光学滤波
光电探测器
接收机放大器电子滤波器
光电探测器接收机放大器电子滤波器
激光器
f 0
阳光的后向散射：
R
Sys R IRR Sb
A
S k P 1阳光的大气散射：
R
Sys S R IRR Ns
A
I S k P 1上式中，ε是目标的辐射系数;ρ是目标的反射系数
;T 是目标的温度(K);Δλ是光波长
范围(μm);A R 是接收机探测器敏感面面积(m2);k 1是太阳光通过大气的透过系数
;S IRR 是太阳
的辐射度(1
2
m m
W
);I S 是大气的散射系数;ηSys 是系统的光学效率;ΩR 是辐射体辐射
的能量的立体角;σT 是斯特藩-玻耳兹曼常数.
信噪比的表达
222222Lo
DK
BK
TH
SN
S i
i
i
i
i
i
SNR
式中,2
S i 是信号电流的均方值
; 2TH
i 是散弹噪声电流的均方值;
2BK
i
是热噪声电流的均方值
;
2DK
i
是背景噪声电流的均方值;
2Lo
i
是暗电流的均方值;是本振电流的均方值
.
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:
TH
Dk Bk S S
D P K P K P P B h P
SNR
212)(2相干激光雷达的信噪比SNR 方程表示为
TH
4Dk 300
D )][(P K P K P P P B h P
P SNR
L Bk S L S 式中,SNR 是激光雷达系统的功率信噪比
;
D
是探测器的量子效率;h 是普朗克常量;
是激
光频率;B 是电子带宽;P S 是接收信号光功率;P Bk 背景光功率;
Dk P 是探测器暗电流功率;
TH
P 是等效热噪声功率
;
0L P 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(λ)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
]
)(exp[)0,(),(x k P x P 式中,k(λ)为吸收系数;P(λ,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λ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
]
)(exp[)0()
(x P x P 上式中,
)(x P , )0(P 分别是在散射前和经过
x 距离散射后的单色激光光功率
;
)(是散射系数,它可以表示为
)(=
)(m
+
)
(a
)(m
和
)(a
分别表示分子散射系数和悬浮微粒的散射系数
.
(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)大气分子和悬浮微粒本身的物理性质的变化引起的激光光束性质的变化
.
(5)
大气湍流使光学折射率发生随机变化开机光束经过时,引起的波前畸变,
改变激光的强度和相干性
.大气湍流是大气中大气分子团相对于大气整体平均
运动的一种不规则的运动,对激光传输的影响是大气分子团的折射率的随机变化所
致的闪烁效应引起的.它导致了光束强度起伏、
相位起伏、光束扩展、光束漂移和相
点抖动等现象.
.
六.激光雷达的发射机和接收机
激光发射机以一定的波长和波形,通过光学天线发射一定功率的激光
.激光接收机通过光
学天线收集目标的回波信号,进过光电探测转换成电信号
,再经过放大和信号处理获得距离、
方位、速度和图象信息,完成一定的判断功能
,输送到显示和控制系统
.
激光接收机由激光器、调制器、冷却系统、发射天线和激光电源组成
.相干激光雷达的发射机还有激光稳频系统
,频率控制系统和偏振控制系统
.
接收机有非相干接收技术和相干接收技术两大类.非相干接收技术是接收能量的直接形
式.它的优点是技术简单和成熟
,相干接收技术,有外差接收、自差接收和零差接收等方式
.它的
接受灵敏度,速度分辨率高,但是,需要接收机的频带特别宽,对激光发射的频率稳定度的要求
也高,对光学天线系统和机内光路的校准的要求更严格
,信息处理单元更复杂
,所以,应该根据
具体的使用要求确定采用那种接收方式.
七.激光雷达的机制
激光雷达系统的收发体制的核心问题是激光的发射波形.激光的发射波形可以有调幅
连续波、调频连续波和窄脉冲.目前比较流行的论点是激光发射波形采用三角形或者线性调
频连续波,后置信号处理采用脉冲压缩技术.进来由于可调谐激光技术和高度重复频率的窄脉
冲技术的发展,显示了许多优点,引起人们的重视.
在选定激光波长和所需的功率后,调制形式是激光雷达设计中,最有挑战性的任务.下表给出了窄脉冲和调频连续脉冲的发射波形的性能比较.因此,兼顾作用距离和分辨率两方面的
要求,应采用大的时宽与带宽之积信号.
窄脉冲和调频连续波的发射波形的性能比较
波形相干探测(相同测距分辨
率和一定功率限制条件
下) 测距分
辨率
测速分辨
率
成像速率
窄脉冲难高低高
调频连续波
(时域脉冲)
易中较高较高
调频连续波
(频域脉冲)
难中高高
八.激光雷达系统.
现代的激光雷达系统是一个多功能的复杂混合体.下图是一个典型的相干激光雷达的框图:
激光
辐射
激光调制激光接收
信号处理
显示系统
目标数据数据
处理
扫描
控制
激光
扫描
光学
系统
激光
干涉
系统中,激光被调制后作为信号光发射出去.它通过分束片和偏振片组成的光学系统和
扫描系统来照明扫描区域.接受的激光回波信号,通过光学系统和激光干涉计等耦合到激光接
收机的探测器.在探测器中,本振激光与目标的激光回波信号混频,探测器的输出信号,由信号处理器进行处理.他提取有关信息,并进行数据处理,然后提供目标位置、距离、速度和轮廓图象.。