激光雷达基本知识(1)..

和地面目标。
激
采用CO2激光成像雷达，由海军空战中心设
光
计，组装在Pack Tack吊舱中。
成
CO2激光器输出功率100W、光束发散度
像
100mrad
雷
发射机和接收机共用一个孔径和分辨率
达
4mrad的灵活的光束控制反射镜。
在P-3C试验机上进行了飞行试验，可以利
用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红
本
变化。微波天线由光学望远镜代替；接收
知
通道中微波雷达可以直接用射频器件对接
识
收信号进行放大、混频和检波等处理，激
光雷达则必须用光电探测器将光频信号转
换成电信号后进行处理。
信号处理，激光雷达基本上沿用了微波雷
达中的成熟技术。
一 基 本 知 识
表1-1各种频段雷达综合性能的宏观比较
宏
观
跟踪测量精度 评
3. 激光雷达的优点
工作频率非常高，较微波高3~4个数量级。
激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒
一
频率非常高，因而速度分辨率极高。
基
工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效 频率之外，有利于对抗电子干扰和反隐身。
本
有效的绝对带宽很宽，能产生极窄的脉冲
知
（纳秒至飞秒量级），以实现高精度（可达
年3月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西
火
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，
池
即爬升阶段，并抛出其有效负载，即一
激
个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞
光
行器的可充气气球。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
雷
这些雷达取得的数据交给火池激光雷达，
达
⑤ 洛克希德·马丁·沃尔特公司的低成本自主攻
击系统
该系统是攻击地面目标的小型有翼制导子
激
导弹，是这种陆军-空军联合发展的子导弹，
光
惯性/GPS装置和激光雷达寻的器为基础的
成
制导系统，
可由AGM-130导弹、AGM-154导弹、多
像
管火箭炮系统火箭弹、陆军战术导弹系统
雷
和SUU-64战术弹药撒布器投放。
综
合
性
作用距离
雷
达
种
类 价 能
目标搜索和捕获能力
目标识别能力
全天候工作能力
抗电子干扰能力
抗反辐射导弹能力
抗隐身目标能力
低仰角跟踪能力
低截获概率能力
多目标探测和跟踪能力
技术成熟程度
微波雷达
下 上 上 下 上 下 下 下 下 下 上 上
毫米波雷达
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
激光雷达
上 下 下 上 下 上 上 上 上 上 下 下
基
③ 光学天线 透射式望远镜（开普勒、伽利略）
本
反射式望远镜（牛顿式、卡塞哥伦）
知
收发合置光学天线
识
收发分置光学天线 自由空间光路
全光纤光路
波片（四分之一、二分之一）
分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片
④ 光学扫描器。
多面体扫描器，利用多面体（6-12面）的
转动来扫描，优点是扫描线性好、精度高，
飞行试验。
1993年又吊挂在美国空军的F-15飞机上进行
了第二阶段的高速飞行试验,获得高分辨率的
激
彩色编码三维距离图像，很好地满足了航路导
光
引和末段制导的要求。
成
像
雷
达
激 光 成 像 雷 达
F15E挂飞实验照片
③ 美国海军“辐射亡命徒”先期技术演示计划
1992年,用激光雷达远距离非合作识别空中
激光雷达技术（1）
基本知识、应用前景、发展概况
哈尔滨工业大学航天学院 王春晖
课 程 主 要 内 容
1. 绪论 基本知识、应用前景、发展概况
2. 激光雷达基本理论 雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等
3. 激光成像雷达 工作原理、设计方法、典型举例
4. 激光测风雷达 工作原理、设计方法、典型举例
统部开展了“巡航导弹先进制导技术”（CMAG）的
激
预研计划。
1990年研究多功能CO2成像激光雷达在战略或战术巡
光
航导弹上应用的可行性，进一步发展了两个CO2成像
成
激光雷达导引头。
像
1988年在指定的巡航导弹弹体上进行主要制导功能的 飞行试验。
雷
1989年完成制导功能飞行试验，至此低空巡航导弹用
③动目标指示雷达（目标的多普勒信息）;
基
④成像雷达（测量目标不同部位的反射强 度和距离等信号）;
本
⑤差分吸收雷达（目标介质对特定频率光
知
的吸收强度）等。
识
用微波相控阵原理的激光相控阵雷达
利用微波合成孔径原理的激光合成孔径
雷达。
6. 激光雷达的应用
① 跟踪
② 成像制导
一
③ 三维视觉系统
基
④ 测风
激
海军制定了“先进技术激光雷达导引头”
光
（ATLASห้องสมุดไป่ตู้的研究计划。
成
计划由美国空军赖特实验室主持，预计90年 代末进入装备应用。
像
1991年11月，美国通用动力公司和休斯公司
雷
研制成ATLAS’CO2成像激光雷达制导系统。
达
1992吊舱式结构的ATLAS’CO2成像激光雷
达系统吊挂在试验飞机上完成了第一阶段的
外成像和三维激光雷达图像，识别目标。
④ 美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达，
激光器采用GaAs半导体激光器，成像方式
激
为二维扫描
光
安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地
成
区的上空以120～460m的高度飞行
像
获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线
雷
管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。
① 弹道导弹防御激光雷达 ② 靶场测量激光雷达 ③ 振动遥测激光雷达 ④ 多光谱激光雷达
三、发展概况
“火池”(Firepond)激光雷达，是由美国
麻省理工学院林肯实验室(MIT)于60年代
火
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的能力。
池
80年代末的火池激光雷达，采用一台高
识
度、可靠性、成本和技术成熟程度等。
从目前实际应用来看，Nd:YAG固体激光
器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二 极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。
② 光电探测器。
适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电
二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉
一
汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器
Ranging)是以激光作为载波的雷达，以
光电探测器为接收器件，以光学望远镜为
早期，人们还叫过光雷达(LIDAR-Light
Detection And Ranging)，这里所谓
的光实际上是指激光。现在，普遍采用
一
LADAR这个术语，以区别于原始而低级
基
的LIDAR。 以后世界上陆续提出并实现：激光多普
达
激光雷达寻的器搜索范围370×900m，获
取目标三维影像，分辨率15cm，确保准确
地识别目标。
激 光 成 像 雷 达
激 光 成 像 雷 达
激 光 成 像 雷 达
条纹管激光成像雷达
2000年美国空军实验室和美国国家海洋管理
激
(NOAA) 提出条纹管成象激光雷达(Streak Tube
光
Imaging LIDAR,STIL)
达
后者成功地获得了距离约800千米处目标
的图像。
1. 激光成像雷达
激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，
激
如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强 度，并将数据以图像的形式显示，获得
光
辐射几何分布图像、距离选通图像、速
成
度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。
像
2. 扫描激光成像雷达
非扫描激光成像雷达
雷
达
识
厘米量级）测距。
能量高度集中。
用很小的准直孔径（10cm左右）即可获得很高的
天线增益和极窄的波束（1mrad左右），而且无
旁瓣，因而可实现高精度测角（优于0.1mrad）、
一
单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像，且
基
不易被敌方截获，自身隐蔽性强。 单色性和相干性好。
本
气体激光器的谱线宽度可达10-3~10-4nm，而且频率
达
的巡航导弹先进制导技术（CMAG）预研计划结束。 CMAG计划的预研成果已应用在空中发射的先进战略
巡航导弹AGM-129上，可使AGM-129导弹命中目标的
径向偏差概率提高到３米，比原来巡航导弹的30米提
高了很多。
AGM-129A实物照片
② ATLAS研究计划
在CMAG计划基础上，90年代初美国空军和
激
稳定CO2激光器作为信号源，经一台窄
光
带CO2激光放大器放大，其频率则由单
边带调制器调制。孔径为1.2m的望远镜
雷
发射接收。
达
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。
火 池 激 光 雷 达
美国战略防御局和麻省理工学院于1990
同微波雷达一样，可以依据信号形式、
探测方式和测量原理等对激光雷达体制
一
进行分类。
基
按不同信号形式:
本
①脉冲 ②连续波
知
③每一类中又有不同的信号波形。
识
按不同探测方式:
①直接探测（能量探测）;
②相干探测（外差探测）
按不同功能:
①跟踪雷达（测距和测角）;
②测速雷达（测量多普勒信息）;
一
光
2. 激光成像雷达的应用:
成
巡航导弹、航空导弹、灵巧弹药等精确制导。
像
隐蔽物侦察 移动机器人等三维视觉系统
雷
航路导引，
达
精确末制导
地形跟随和障碍物回避
目标自动识别和敌我识别
目标上瞄准点的选择
① CMAG研究计划
1977年美国国防部高级研究计划局和美国空军航空系
1. 激光成像雷达的优点:
分辨率高，具有很高的角度、距离、速度和图
像分辨率，因而能探测飞行路径中截面积小的
激
障碍物如电线、电线杆等；能使巡航导弹具有
光
地形跟随和障碍物回避的能力，有利于低空入
成
侵，特别是在夜晚和坏气象的条件下。
像
图像稳定。激光雷达图像所记录的是目标的三 维本性，不受昼夜、季节、气候、温度、照度
本
勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、
知
激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、
识
微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、
激光相控阵雷达等。
2. 激光雷达与微波雷达的异同
激光雷达是以激光器为辐射源的雷达，它
是在微波雷达技术基础上发展起来的，两
一
者在工作原理和结构上有许多相似之处
基
工作频率由无线电频段改变成了光频段， 雷达具体结构、目标和背景特性上发生了
本
⑤ 大气环境监测
知
⑥ 主动遥感
识
7. 研究内容及关键技术
① 激光器技术
② 探测器及探测技术
一
③ 大气传输特性
基
④ 激光雷达理论
本
⑤ 信号处理技术
知
⑥ 数据处理技术
识
⑦ 控制技术
⑧ 光学系统设计与加工技术
⑨ 机械设计与加工技术
二、应用前景
二
应 用 前 景
1. 侦察用成像激光雷达 2. 障碍回避激光雷达 3. 大气监测激光雷达 4. 制导激光雷达 5. 化学/生物战剂探测激光雷达 6. 水下探测激光雷达 7. 空间监视激光雷达 8. 机器人三维视觉系统 9. 其他军用激光雷达
一
毫米波作为载波的雷达，大约出现1935年
基
左右。 最早公开报道提出激光雷达的概念是:
本
1967年美国国际电话和电报公司提出的，
知
主要用于航天飞行器交会对接，并研制出
识
原理样机;1978年美国国家航天局马歇尔航
天中心研制成CO2相干激光雷达.
激光雷达(LADAR-Laser Detection And
5. 激光差分吸收雷达 工作原理、设计方法、典型举例
6. 信号处理方法 微弱信号检测、数字化处理与算法
7. 数据处理方法 数据反演、显示
1. 学时安排：20，1~5周
一、基本知识
1. 激光雷达的概念及内涵
“雷达”(RADAR-Radio Detection
And Ranging)。传统的雷达是以微波和
知
稳定度能做得很高，可实现高灵敏度外差接收。
识
4. 激光雷达的基本构成
① 激光器。
激光器是激光雷达的核心器件。激光器种
一
类很多，性能各异，究竟选择哪种激光器
基
作为雷达辐射源，往往要对各种因素加以 综合考虑，其中包括：波长、大气传输特
本
性、功率、信号形式、功率要求、平台限
知
制（体积、重量和功耗）、对人眼安全程
一
缺点是体积大、价格高； 检流计式振镜扫描器，扫描角15；
基
声子偏转器，利用声光效应使入射光线产
本
生偏转而实现光扫描，声光偏转器的扫描
知
角不大，一般在3左右
压电扫描器，利用逆压电效应产生摆动的
识
新型扫描器；
全息光栅扫描器。
光学相位扫描
MEMS扫描器
5. 激光雷达的基本体制
成
像
雷
达
6. Jigsaw计划
2000~2003年美国国防部高级研究计划署
雷
变化以及各种干扰的影响。根据稳定的激光雷
达
达三维图像所预测的目标特征和所发展的目标
识别算法软件，真实、准确和可靠，使导引头
能以极低的虚警率可靠地自动识别目标。
能提供目标的三维图像，同时提供目标的距离
和速度数据。这一特点能使导引头全方位识别
目标，特别是一些形状大同小异的目标，还能
激
在实战中选择最佳的角度接近目标。