激光雷达应用

光电传感技术与应用

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课程论文题目激光雷达技术

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激光雷达

林无穷

江南大学理学院光电信息科学与工程系江苏无锡 214122

摘要：本文介绍了激光雷达技术的原理、发展与历程，还有它在当今时代的多方面应用。我们把工作在红外和可见光波段的，以激光为工作光束的雷达称为激光雷达，它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成。它在地形检测，导航，测距，追踪以及军事方面有着显著作用。

关键词：激光，雷达，环境检测

引言

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。

原理

激光雷达探测大气的基本原理即是上述几种激光与大气相互作用的机制。激光器产生的激光束经光束准直（有的情况下需要扩束）后发射到大气中，激光在大气中传输遇到空气分子、气溶胶等成分便会发生散射、吸收等作用。散射中的小部分能量——后向散射光落入接收望远镜视场被接收。被接收到的后向散射光传输到光电探测器（通常为PMT）被转换成电信号（一般为电流信号），实现光-

电转换，再经一系列的运算放大，最终被显示、记录。对于不同高度的信号，利用激光信号传输时间间隔来记录，光速c已知，于是，就能够得到由飞机上的的激光雷达到地面上的目标物的距离R为: R = CT/2。这里C代表光速，是一个常数，即C=300,000公里/秒。

激光雷达每一个脉冲激光的最大距离分辨率（maximum range resolution）也可由以下公式给出：

⊿R = C/2·(t

L +t

N

+t

W

) 这里，t

L

代表激光脉冲的长度，t

N

代表接收器电子器件的

时间常数，t

W

代表激光与目标物体的碰撞时间常数。对于一个Q-开关的N d:YAG

激光器，它的脉冲常数是10纳秒，接收器电子器件的时间常数st

N

一般是50纳

秒到200纳秒，激光与目标物体的碰撞时间常数t

W

较小，一般忽略不计。因此，距离分辨率⊿R一般在7.5米到30米。

历史与发展

1839年，Daguerre和Niepce拍摄第一张像片，利用像片制作像片平面图(X、Y)技术。

1901年，荷兰人Fourcade发明了摄影测量的立体观测技术，使得从二维像片可以获取地面三维数据(X、Y、Z)成为可能

上世纪70年代，美国的航天航空总署NASA研究出了一种非常笨重的基于激光测量的设备

1989年，德国的Peter Frieβ和Joachim Lindenberger与Fritz Ackermann 教授一起在Univ. of Stuttgart (斯图加特大学遥感学院)进行了首次相关的试验飞行。测试结果令人信服地显示出激光雷达用于地形地貌测量和制图方面的巨大的潜力和发展远景。

1992年开始，那两人商业化机载激光雷达的尝试

1995年，由Optech公司与TopScan共同推出了ALTM1020激光雷达，并在1997年对其性能进行了全面的提高，激光发生的频率由200赫兹提高到5000赫兹，飞行高度也达到了1000米

Optech公司又在2004年和2006年又分别推出了能够发射在1000米的高度发射100,000赫兹的ALTM3100 和具备在接近2000米的高度时发射100,000赫兹的ALTMGemini。

之后又有多家公司涉及这方面的研究，推陈出新了一台又一台性能更加优异的激光雷达。激光雷达的发展一直处于兴盛状态，相信在不久的将来会普及到平民之中来。

优缺点

先来谈谈激光雷达的优点吧，与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有：

（1）分辨率高

激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。

（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强

激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低

（3）低空探测性能好

微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响，因此可以"零高度"工作，低空探测性能较微

波雷达强了许多。

（4）体积小、质量轻

激光雷达相比普通雷达轻便、灵巧得多,发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单，维修方便，操纵容易，价格也较低。

谈完了激光雷达的优点，作为一样事物必然也有他的缺点，首先，工

作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里衰减较小，传播距离

较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受

影响。如工作波长为10.6μm的co2激光，是所有激光中大气传输性能较

好的,在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷达的作用距离,晴天为10—20km,而坏天气则降至1 km以内。而且,大气环流还会

使激光光束发生畸变、抖动，直接影响激光雷达的测量精度。

其次，由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率,只能在较小的范围内搜索、捕获目标，因而激光雷达较少单独直接应用于战场进行目标探测和搜索。

用途

作为一样技术研究产物，最重要的不免就是它在当今社会中的作用了。我可