半导体激光主动成像雷达扫描成像实验

噪 声 和 热 噪 声 ， 则 信 噪 比 可 表 示 为 ： Ｓ Ｎ Ｒ ＝ Ｐ （ ／ ｈ ｕ ） ／ １ ２ Ｐ △ ， ［ ＋ Ｉ ｄ ］ ｝ （ ３ ）
式 中， ｒ ／ 为量子效 率 ； ｈ为 普 朗 克 常 数 ； 是入射 光 频率 ； Ａ ｆ 为 电路 带 宽 ； ｄ为 光 电倍 增 管 打 拿 极 的 二 次 发 射 系数 ， 一 般取值 为 ３ ～６ ； ｅ为 电子 电荷 ； ｒ 为 光 电 倍 增 管 的 暗 电 流 ， 我 们 所 用 的
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第 ２ ５卷
第 ６期
激
光
技
术
Ｖ ｏ１ ． ２５．Ｎｏ． ６ Ｄｅ ｃ ｅ ｍ ｂｅ ｒ ． ２ ００ｌ
２ ０ ０ １年 １ ２月
ＬＡＳ ＥＲ ＴＥＣＨＮ ＯＬｏＧＹ
半 导 体激 光 主动 成 像 雷 达 扫描 成 像 实 验
些 成 型 的 产 品投 放 市 场 ， 甚 至 装 备 部 队 － ｜ ］ ， 而 国 内 还 只做 了 一 些 概 念 性 研 究 。 我 们 对 激 光 主 动 成 像 雷 达做 了 一 些 初 步 的 理 论 与 实 验 研 究 ， 建立 了一个激 光扫描成 像演示 系 统， 并在 实 验 室 做 了成 像 实 验 。 该 演 示 系统 采 用 收 发 分 置 、 激光脉 冲发射 、 二维 扫描 、 能量接 收 、 电 脑 实 时 显 示 的工作方 式。光源 是 中心波 长为 ６ ５ ０ ｎ ｍ 的 可 见光 半 导 体 激 光器 ， 扫 描 器 是 检 流 计 式 扫 描 振 镜， 采用 光电倍增管接 收 ， 接 收 天 线 采 用 伽 利 略 望 远 镜 。 我 们 研 制 的半 导 体 激 光 扫 描 成 像 雷 达 演示 装置， 结构紧 凑 、 操 作方便 、 耗 资低廉 ， 实现 了 １ Ｏ帧 ／ ｓ 、 每帧 ３ ２行 的 快 速 扫 描 成 像 ， 并 且 成 像质 量较好 ， 具 有 广 阔 的应 用 前 景 ， 例 如 可 用 于 低 空 飞 行 器 下 视 地 形 匹配 。
２ ． １ 激 光 雷 达 距 离 方 程 一 般 表 达 式 当发 射、 接 收 同在一处 时． 激 光雷达距 离方程 的一般表 达式 可写成 【 ｌ Ｊ］ ：
Ｐ ： Ｐ ｔ Ｔｌ Ｔ ２ｏｌ ； － Ａ ／ Ｒ
，
（ １ ）
式 中， Ｐ 为 接 收 功率 ； Ｐ 为发 射功 率 ； Ｔ 是 光 学 系 统 透 过 率 ； Ｔ２ 是 单程 大 气透 过 率 ； ｐ 是 目 标 反射率 的定 向分布函数 ． 如 果 目标 上 各 点 的 特 性 一 致 ， 可取 平均 值 ； Ａ 是 有 效 接 收 面 积 ； Ｒ
成向阳 李 宁 王海虹 尚铁粱 王 蒜
（ 哈 尔滨 工 业大 学 光 电子 技 术研 究所 ， 哈 尔滨 ， １ ５ ０ ０ ０ １ １ 摘要 ：对 激光 主 动 成像 雷 达做 了一些 初 步 的理 论 与 实验 研 究 ， 建 立 了一 个 半 导 体 激 光 扫 描 戚
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激
光
技
术
３ 成 像 试 验 研 究
作 用 距 离 和 成 像 质 量 是 评 价 激 光 成 像 雷 达 性 能 的 两 个 重 要 指 标 。 我 们 目前 尚未 做 外 场 实 验。 现 有实验 全部 在室 内完成， １ ０ ｍ 远 的 实验 距 离 尚未 达 到 计 算 得 出 的 最 大 作 用 距 离 。 本 雷 达 系统 的光源脉 冲平均 功率虽 然仅 为 １ ０ ｍＷ ， 但 结 构 简单 ， 光 路元件较 少 ， 损 耗 较 少 另外 ， 本 系 统 中 光 束 经 扫 描 后 形 成 的准 均 匀 点 阵 直 接 照 射 目标 ， 减 少 了 成 像 过 程 中 引起 图像 失 真 的 因 素 。 本 系统 实验 中， 行扫 描器 由 １ ６ ０ Ｈｚ 简谐波 控制 做简谐扫描 ， 帧扫 描器 做 ５ Ｈｚ三 角 波 扫 描 ， 激 光 器 发 射 时 间 不均 匀 脉 冲 ， 以保 证 扫 描 点 阵 的 空 间 均 匀 性 ， 脉冲 发 射时 间经 过 计算 得 出 ， 关 于 计 算 方 法 我 们 有 文 献 报道 。
（ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｏ ｐ ｔ ｃ － Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ，Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ［ ｏ ｇ ｙ ， Ｈａ ｒ ｂ ｉ ｎ ， １ ５ ０ ０ ０ １ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｅ ｏｒ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｂ ｅ ｅ ｎ ｄ ｏ ｎ ｅ Ｏ ｌ ｌ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ． Ａ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｗａ ｎ ｎ ｉ ｎ ｇ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｍｏ ｓｔ ｎ ｔ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｅ ￣ ｓ ｔ ａ ｈ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ． Ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｄ ｓｔ ｉ ａ ｎ ｃ ｅ
２． ５ 。 。接 收天线采 用伽利 略 望远 镜 ， 物镜直径 １ ５ ０ ｍｍ， 焦距 ２ ０ ０ ｍｍ， 目镜 直 径 ４ ０ ｍｍ， 焦 距
４０ｍ ｍ 。
上 述 雷 达 系统 结 构 紧凑 、 操 作方 便 、 耗 资低廉 ， 应 用前 景 广 大 。
２ 最大 作 用 距 离 的计 算
是 Ｇ ＤＢ ２ ４ ， 暗 电流为 １ ０ ｎ Ａ。根 据 （ ３ ） 式， 由需 要 的 最 小 信 噪 比可 求 出最 小 可 探 测 功 率 ， 再 根据
（ ２ ） 式可求 出最大作 用距离 。
２ ． ３ 计 算 结 果
本 系统 中发 射功率 Ｐ 为１ ０ ｍ Ｗ； 光 路元件 少且 距 离较 短 ， 了 ＇ ． 了 ＇ ；Hale Waihona Puke Baidu取为 ０ ． ３ ； 反 射 系数 平均
１ 系 统 装 置
图 １是 我 们建 立 的 半 导 体 激 光成 像 雷
达 系统结构 示 意 图， 这 是一 个 收 发 分置 激
光雷 达 演 示 系 统 ． 采用脉冲发射、 二 维 扫 描、 直接 接 收 、 计 算 机 实 时 显 示 的 工 作 方 Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｏ ｐ ｔ ｉ ￣ 把 ｒ 址 。 ｆ Ｌ Ｄ ｌ ｓ ｓ ｅ ｒ 印Ｉ ｄ ｒ ａ ｄ ａ ｒ ｓ ｙ ｓ ｔ ￣ ｌ 式 。 半 导 体 激 光 器发 出 的光 脉 冲 经过 二 维 扫 描 器 直 接 照 射 目标 ， 经 目标 反 射 的 回 渡 信 号 由 天 线接 收 ， 经 过 干 涉 滤 光 片 到 达 光 电倍 增 管 探 测 器 ， 探 测 器 输 出 的 电 信 号 经 过 整 形 与 放 大 电 路 被
ｅ ｑ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． ｍａ ｘ ｉ ｍｕ ｍ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｉ ｓ ｃ ｌ ａ ｃ ｕ ｔ ａ ｔ ｅ ｄ Ｏｎ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｅ ｔ ｕ ｐ ． ａ Ｉ ￣ｕ ｒ ｅ ｐ ｉ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗｉ ｔ ｈ １ ０
Ａ ｂ ， 即ｒ ＝ｌ ， 这时． 方程（ １ ） 可写为：
２ ． ２ 本 系 统 最大 作 用 距 离 的 估算
Ｐ ＝ Ｐ Ｔ 【 了 ＇ ； Ｐ ｌ Ａ／Ｒ
（ ２ ）
为 求 本 雷 达 演 示 系 统 的最 大 作 用距 离 ， 须 求 出 系 统 的 最 小 接 收功 率 。 本 系 统 采 用 的 是 光 电倍 增 管 接 收 ， 属 于能 量检测 ， 为 了计算简便 ， 只考虑 信 号散 粒 噪声 和 暗 电流 噪声 而 忽略背 景
ｆ ｒ ａ ｍｅ ｓ ｐ ｅ ｒ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ． ３ ２ ｒ Ｏ ＷＳ ｅｒ ｐ ｆ ｒ ａ ｍｅ ｉ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ． Ｔｈ ｅ ｑ ｕ ａ ［ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｉ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｙ ｈ ｉ ｇ ｈ
值取 ０ ． ０ ６ ； Ａ ＝Ｃ Ｄ ／ ４ ， Ｄ 是接 收物镜 的直径 ， 为 １ ５ ０ ｍｍ； 考 虑 到 发 射 波 长 并 非 处 于 光 电 倍 增 管的峰值波 长， 量子 效率 取 为 ０ ． ３ ； 最 小 信 噪 比取 为 ９ ； 电路 带 宽 Ａ ｆ＝１ ／ ２ ７ ｒ Ｒｌ Ｊ ｃ， 大 约 为 １ ． ７ ５×１ ０ Ｈｚ ， 其 中， ＲＬ为 等 效 负 载 约 ９ １ ｋ Ｄ ， ， Ｃ 为 探 测 器 结 电容 、 分 布 电容 和 前 置 放 大 器 输 入 电容 之 和 ， 大约 １ ０ ０ ｐ Ｆ 。 最 后 计 算 得 出在 以上 条 件 下 ， 最大作用 距离为 １ ５ ｍ左右 。
是 目标 与 发 射 器 或 接 收 器 的 距 离 ； ＝Ａ。 ／ Ａｂ ， Ａ。 是 垂直 于 光束 的 目标被 照面 积 ， Ａｈ 是 目标 处
的光 束截面积 。 在不 同的激光雷达 应用 中． 目标 被 发 射 在 目标 处 的 光 斑 照 射 的关 系 不 同， 激 光 雷 达 的 作 用 距 离 表 达 式 也 不 同 。 当 目标 较 小 ， 可以看成 “ 点 目标 ” 时， 目标 全 部 被 照 射 ， 方程（ １ ） 中 接 收 到 的 功 率 与 距 离 ４次方 （ Ｒ ） 成反比； 当 目标 大 小 与 发射 在 目标 处 的 光 斑 相 当 时 ， Ｐ 与 Ｒ 成 反 比 ； 我 们所 建 立 的 雷 达 演 示 系 统 中 ． 垂 直 光 束 的 目标截 面 始 终 大 于 目标 处 的 光 束 截 面 ， 则有： Ａ ＝
像 演 示 系统 ． 利 用雷 达 距离 方 程 计 算 丁系 统 的 最 大 作 用 距 离 ， 井 在 实 验 室 做 了 成 像 实 验 。 在 实 验 室 内 获得 了 １ Ｏ帧 每 帧 ３ ２行 的 轮 廓 像 ． 月戚 像 质 量 较 高
关键 词 ：【 Ｄ雷 达
扫 描成 像
主动戍像
哈 尔 演工 业大 学枝 基盘 赞所项 日。
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第 ２ ５卷
第 ５期
成 向 阳 半 导 体激 光 主 动成 像 雷 达扫 描 成 像 实验
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进 至计算 机 。 我 们 为 本 雷 达 演 示 系 统 专 门研 制 了 可 见 光 半 导 体 激 光 器 及 控 制 电源 ， 中心波长 为 ６ ５ ０ ｎ ｍ， 运 行 机制 为 连 续 脉 冲 均 可 ， 脉 冲平均功率 约 １ ０ ｍＷ ， 重复 频 率在 ０ ～１ ０ ０ ｋ Ｈｚ范 围 内 可 调 ， 且 可 以 不 均 匀 发 射脉 冲 ， 脉 冲 发 射 时 间 及 脉 宽 均 可 由外 部 输 入 的 １ ｖ ｒ Ｌ 电信 号 控 制 。扫 描 器是 检 流 计 式二维 振镜扫 描器 ， 由 外 部 输 入 的 电信 号 控 制 其 扫 描 波 形 、 频 率和 范 围 ， 扫 描 视 场 为 ±５ ×
作 用 臣离
Ｓｃ ａ ｎｎｉ ｎｇ ｉ ｍａ ｇｉ ｎｇ ｂｙ ＬＤ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ａ ｄ ａｒ
Ｃｈ ｅ ｎ ｇ Ｘｉ ａｎ ｇ ｙ ａ ｎ ｇ， Ｌｉ Ｎｉ ｎ ｇ， Ｗａｎ ｇ Ｈａｉ ｈ ｏ ｎ ｇ， Ｓｈ ａｎ ｇ Ｔｉ ｅ ｌ ｉ ａ ｎ ｇ， Ｗａ ｎ ｇ Ｑｉ
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄｓ： Ｉ ｄ） ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｓ ｃ ａｎｎｉ ｎ ｇ ｉ ｍａ ｇｉ ｎ ｇ ａ ｃｔ ｉ ｖ ｅ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｏ ｅ ｒ ｐ ａｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｓ ｔ ａｎ ｃｅ
引
言
主 动 成 像 已成 为 现 在 及 今 后 一 段 时 期 ， 激 光 雷 达 的 主 要 研 究方 向 ＿ ｌ ・ 。 国 外 已经 有 了 一