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

激光雷达

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。

(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 ηηππδπ⨯⨯⨯=4442

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

4T T G θπ

=

其中

D

K a T λ

θ=

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 ηηλσ4

224

16= 目标的散射截面为 dA T ρπ

σΩ

=

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 ρσ4=

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 ηηλ

ρ2

2444= 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

2

4T R dA θπ=

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

2

2T Ext Ext R θπρσ=

于是有

()

Sys Atm Ext T R R D P P ηηρπ22

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