1激光雷達(dá)（英文：Laser Radar）

是以發(fā)射激光束探測(cè)目標(biāo)的位置、速度等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。其工作原理是向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào)（激光束）,然后將接收到的從目標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)（目標(biāo)回波）與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,作適當(dāng)處理后,就可獲得目標(biāo)的有關(guān)信息,如目標(biāo)距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和識(shí)別。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

2激光雷達(dá)特點(diǎn)

1：激光雷達(dá)是由微波雷達(dá)發(fā)展而來(lái)

2：激光雷達(dá)可以呈現(xiàn)更多細(xì)節(jié)

表1是激光雷達(dá)、微波雷達(dá)與攝像頭的對(duì)比。

激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)非常相近，以激光作為信號(hào)源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹(shù)木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會(huì)反射到激光雷達(dá)的接收器上，根據(jù)激光測(cè)距原理計(jì)算，就得到從激光雷達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的距離，脈沖激光不斷地掃描目標(biāo)物，就可以得到目標(biāo)物上全部目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。

圖1 激光雷達(dá)點(diǎn)陣圖

2激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

1）更高的分辨率

假設(shè)接收天線入瞳大小為10mm，905nm激光對(duì)應(yīng)角分辨率為0.22mrad，30GHz微波對(duì)應(yīng)角分辨率為2.44rad。

2）更小的光束發(fā)散角

3）更大的多普勒頻移

相干探測(cè)的速度分辨率高。

3三維實(shí)現(xiàn)方式：?jiǎn)吸c(diǎn)掃描

4三維實(shí)現(xiàn)方式：面陣探測(cè)+覆蓋照明

代表：Jigsaw計(jì)劃

1） 2000~2003年美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)實(shí)施了高精度激光3D成像雷達(dá)研究計(jì)劃（即Jigsaw計(jì)劃）

2） 對(duì)地面?zhèn)窝b物下的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)：要求在100米高空以上的數(shù)據(jù)采集和傳輸；對(duì)地面的探測(cè)范圍可以達(dá)到20平方米；飛機(jī)的速度是每秒25-35米，并全天工作。

3) MIT林肯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出一種32′32Si-GM/APD焦平面探測(cè)器，且集成高速數(shù)字式CMOS計(jì)時(shí)電路，室溫下單光子探測(cè)效率大于20%。

圖2 MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制的Jigsaw 非掃描焦平面激光成像光學(xué)頭

6激光雷達(dá)工作過(guò)程

激光雷達(dá)工作過(guò)程：

1）激光到目標(biāo)的傳輸（激光發(fā)射系統(tǒng)）；

2）目標(biāo)對(duì)激光的反射、散射；

3） 接收機(jī)對(duì)散射光的收集（接收系統(tǒng)）。

7激光發(fā)射系統(tǒng)

圖3 激光雷達(dá)光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)

在激光雷達(dá)設(shè)計(jì)和分析中，經(jīng)常遇到三種典型的光束形狀：

高斯光束、愛(ài)里光束、均勻光束（平面波）

圖4 激光光束波形

7.1高斯光束：固體激光器、光纖激光器等

在遠(yuǎn)場(chǎng)，高斯光束的發(fā)散角（1/e2）可以近似

圖4 激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)

如上圖4 束腰10微米，發(fā)散角127mrad激光進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直為束腰2mm

發(fā)散角0.32mrad。

8半導(dǎo)體激光器光源

激光器的快軸發(fā)散角需達(dá)到65°，慢軸發(fā)散角需達(dá)到20°，且在激光器發(fā)散角±5°范圍內(nèi)的能量大于總能量的50%；一般發(fā)射系統(tǒng)發(fā)散角：越小越好，<1mrad；目前大部分三維激光雷達(dá)的發(fā)射光束為準(zhǔn)直光束掃描。

圖5 一種MEMS掃描雷達(dá)

9目標(biāo)散射

目標(biāo)的散射特性與材料、粗糙度等有關(guān)；通常用BRDF函數(shù)描述散射特性；一般計(jì)算中常把物體作為朗伯體處理。

圖6 散射模型

9.1目標(biāo)散射模型

BRDF：雙向反射分布函數(shù)；光滑面的散射模型：Abg模型、Heavy模型、粗糙面的散射模型：Phong模型、多項(xiàng)式模型。常用仿真軟件：Tracepro、Lighttools、ASAP、FRED

圖7 BRDF散射模型

10接收系統(tǒng)

激光雷達(dá)接收天線即光學(xué)鏡頭

圖8 陣列接收鏡頭與濾光片的光學(xué)漂移

11接收鏡頭評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

11.1點(diǎn)目標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

點(diǎn)目標(biāo)的探測(cè)常常是非成像系統(tǒng)，因?yàn)樗惶峁┬螒B(tài)信息。對(duì)它的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要看能量包絡(luò)圖及點(diǎn)列圖，能量包絡(luò)圖表示它的能量集中度，點(diǎn)列圖看能量分布細(xì)節(jié)，包括形狀（圓度）及像斑質(zhì)心。不需要MTF，它的評(píng)價(jià)是S/N，至少應(yīng)大于3，在應(yīng)用上對(duì)它的評(píng)價(jià)是探測(cè)率及虛警率，它只是告知有與無(wú)，不能確定是什么。

圖7 點(diǎn)目標(biāo)評(píng)價(jià)：點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和包圍圓能量

11.2面目標(biāo)評(píng)價(jià)

面目標(biāo)即擴(kuò)展目標(biāo)（extended object），面目標(biāo)的像充滿視場(chǎng)（探測(cè)器感光面），普通照相機(jī)都屬于這一類(lèi)，它是成像系統(tǒng)。對(duì)它的圖像質(zhì)量有要求，通常用MTF及S/N評(píng)估。面目標(biāo)在探測(cè)器上像的強(qiáng)度（照度）與距離無(wú)關(guān)。

MTF調(diào)制傳遞函數(shù)

空間頻率對(duì)應(yīng)的對(duì)比度

空間頻率：lp/mm

奈圭斯特頻率：采樣頻率須大于信號(hào)頻率的兩倍，即每個(gè)周期（一對(duì)黑白條紋）對(duì)應(yīng)兩個(gè)像素。

12功率預(yù)算

立體角：

像元接收功率：

E0為物體照度；Ro為物體反射率；ta為空氣透過(guò)率；tr為接收系統(tǒng)透過(guò)率；tt為發(fā)射系統(tǒng)透過(guò)率。

審核編輯 ：李倩