固體激光雷達(dá)1發(fā)展現(xiàn)狀

固體激光雷達(dá)半導(dǎo)體二極管激光成像雷達(dá)

半導(dǎo)體二極管激光器以其體積小, 質(zhì)量輕, 堅(jiān)固可靠, 高效率(可達(dá)30 %), 高重復(fù)頻率和潛在的低成本, 以及可采用非制冷高靈敏度APD 探測(cè)器的特點(diǎn), 成為小型激光雷達(dá)的優(yōu)選光源。80 年代中期以后, 隨著二極管激光器在提高輸出功率, 改進(jìn)光束質(zhì)量和方向性以及降低探測(cè)器閾值等方面取得的重大進(jìn)展, 國(guó)際上開(kāi)始發(fā)展二極管激光雷達(dá)。其應(yīng)用背景主要是巡航導(dǎo)彈下視雷達(dá)和武裝直升機(jī)前視電線防撞, 近距戰(zhàn)術(shù)武器精確制導(dǎo)等。

1985 年年底, 美國(guó)空軍懷特(Wright)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始了一項(xiàng)研究計(jì)劃, 以確定二極管激光雷達(dá)作為制導(dǎo)傳感器的可行性。Schw artz 光電公司研制了獨(dú)有的目標(biāo)識(shí)別和分類(lèi)算法的實(shí)時(shí)二極管成像激光雷達(dá)系統(tǒng)。1989 年在塔上試驗(yàn)獲得成功。1990 年作飛行試驗(yàn), 試驗(yàn)中激光發(fā)射器采用二極管陣列, 其發(fā)射功率為120W , 作用距離為500m , 視場(chǎng)為4°×10°, 圖像幀頻30Hz , 試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示一個(gè)三維距離彩色圖像和一個(gè)灰度級(jí)反射率圖像, 顯示中還包括目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置, 目標(biāo)分類(lèi)和目標(biāo)距離。機(jī)載二極管激光成像避障雷達(dá)的研制也取得了很大進(jìn)展。法國(guó)Thomson-TRT 公司研制了HOWARD 激光雷達(dá)系統(tǒng), 用于直升機(jī)障礙物告警。采用二極管激光器作發(fā)射源, 發(fā)射脈沖峰值功率為100W , 重復(fù)頻率為20kHz , 采用雙光楔玫瑰線掃描, 掃描視場(chǎng)為30°×30°, 探測(cè)距離為200 ～400m 。美國(guó)Northrop 公司研制的直升機(jī)防撞告警系統(tǒng)(OASYS)二極管激光成像雷達(dá)系統(tǒng) , 采用圓周平移掃描, 發(fā)射脈沖能量為8μJ , 重復(fù)頻率為64kHz , 視場(chǎng)為25°×50°, 對(duì)2 .5cm 電力線的成像距離大于400m 。

80 年代, 半導(dǎo)體激光雷達(dá)原理實(shí)用化研究取得較大進(jìn)展。1990 年美國(guó)公布了巡航導(dǎo)彈的調(diào)幅連續(xù)波相位測(cè)距紅外激光測(cè)高儀的專(zhuān)利(465.764),以下視測(cè)高為主, 可兼前視測(cè)距。1987年德國(guó)專(zhuān)利(3606337)和1989 年德國(guó)專(zhuān)利(3901040)都介紹了連續(xù)波激光測(cè)高儀。1991 年和1992 年美國(guó)國(guó)防部明確提出了近程(3～10km)半導(dǎo)體相干激光成像雷達(dá)的發(fā)展計(jì)劃。1991 年進(jìn)行了前視和下視的掛飛試驗(yàn), 驗(yàn)證了直升機(jī)測(cè)障回避, 1994 年和1995 年驗(yàn)證了機(jī)載下視測(cè)高。目前, 美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室、休斯公司等機(jī)構(gòu)也都在發(fā)展二極管激光主動(dòng)成像雷達(dá)。二極管激光成像雷達(dá)的最大缺點(diǎn)是輸出功率低(約幾百瓦量級(jí)), 作用距離近, 束散寬,故要求用大尺寸光學(xué)系統(tǒng)來(lái)減小束散。這對(duì)要求遠(yuǎn)距離成像的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用帶來(lái)困難, 因此, 在一個(gè)時(shí)期內(nèi)還需作許多工作才能滿(mǎn)足要求。

固體激光雷達(dá)二極管泵浦固體激光成像雷達(dá)

80 年代后期, 隨著二極管泵浦固體激光器(DPL)的發(fā)展, 固體激光器大大提高了效率和重復(fù)頻率, 克服了熱效應(yīng)等缺點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)單模穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn), 高穩(wěn)頻, 高功率, 高效率和高光束質(zhì)量, 并使器件向小型化發(fā)展。正是由于固體激光器本身的優(yōu)點(diǎn)和近幾年來(lái)固體激光技術(shù)的重大突破, 固體激光雷達(dá)在成像, 遠(yuǎn)程目標(biāo)跟蹤和識(shí)別等領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。美?guó)率先進(jìn)行了二極管泵浦固體激光制導(dǎo)技術(shù)的研究。90 年代初期, 美國(guó)Hercules 防御中心成功研制一臺(tái)用于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視的1.32μm 固體激光成像雷達(dá), 采用光柵掃描成距離像。該發(fā)射系統(tǒng)采用了連續(xù)波激光二極管泵浦Q 開(kāi)關(guān)Nd :YLF激光器, 輸出峰值功率為2kW , 發(fā)散角為0 .5mrad ,光束直徑為5mm 。接收機(jī)天線直徑為48mm ,焦距為2 .5mm ,光斑尺寸為0 .25mrad 。激光雷達(dá)使用InGaAs 雪崩二極管探測(cè)器, 噪聲等效功率NEP =0 .8 ×10-8W , 最小可探測(cè)信號(hào)功率MDP =1 .5 ×10-7W , 完成了距離成像的實(shí)驗(yàn), 距離分辨率為0 .25m , 最大距離為2km 。與此同時(shí), 美國(guó)Fibertek公司研制用于直升機(jī)防撞的樣機(jī), 激光波長(zhǎng)為1.54μm , 脈沖重復(fù)頻率為15kHz , 脈沖能量為100μJ , 脈沖寬度為5ns , 掃描方式采用圓周平移掃描, 已在直升機(jī)上進(jìn)行了兩次試驗(yàn)。對(duì)要求中等以上功率的應(yīng)用而言, 二極管激光泵浦固體激光主動(dòng)成像雷達(dá)有很大的應(yīng)用前景 。這種固體激光主動(dòng)成像雷達(dá)有輸出功率高、脈沖重復(fù)頻率高、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。另外應(yīng)用可調(diào)諧固體激光器和倍頻固體激光的波長(zhǎng)可調(diào), 又開(kāi)辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。雖然DPL 激光成像雷達(dá)的發(fā)展歷史還很短, 但其發(fā)展?jié)摿κ遣蝗葜靡傻?

DPL 激光器具有對(duì)人眼安全、大氣消光比低、光學(xué)系統(tǒng)便宜以及可采用光纖光路和集成光學(xué)技術(shù)和結(jié)構(gòu)小型化等優(yōu)點(diǎn)。它克服了Nd :YAG 激光器只能測(cè)距和測(cè)角, 不能測(cè)速和成像困難, 大氣傳輸性能較差, 對(duì)人眼不安全等缺點(diǎn)。其相干性好,體積小, 質(zhì)量輕, 壽命長(zhǎng), 可靠性?xún)?yōu)于CO2 激光器,因此90 年代得到迅速發(fā)展。目前, 已經(jīng)實(shí)驗(yàn)用于相干多普勒激光雷達(dá)、距離成像、障礙物回避等方面, 在機(jī)載、彈載和星載平臺(tái)中具有較大的競(jìng)爭(zhēng)力。商品化進(jìn)程也十分迅速,從第一臺(tái)DPL 激光器研制成功, 到商品化激光雷達(dá)僅用了4 年, 且價(jià)格迅速降低 。

90 年代初, 短脈沖相干的多普勒Nd :YAG 激光探測(cè)系統(tǒng)的距離分辨率為1m , 用于1km/s 的高速目標(biāo)的多普勒測(cè)量。其波形為1.06μm 的8μs 短脈沖采用相干接收方式。用波長(zhǎng)為2.1μm 及2.09μm 的Tm , Ho :YAG 激光器制成的全固態(tài)激光雷達(dá)系統(tǒng)脈沖能量約為22mJ , 脈沖重復(fù)頻率為3 .2Hz , 脈寬約為220ns 。已演示不同的距離分辨對(duì)大氣風(fēng)速和遠(yuǎn)距離硬目標(biāo)測(cè)量.1.32μm 的半導(dǎo)體二極管泵浦Nd :YLF 激光成像雷達(dá)系統(tǒng)包括二極管泵浦、Q 開(kāi)關(guān)Nd :YLF 激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)、距離計(jì)數(shù)器, 測(cè)量2km 距離的目標(biāo)陸續(xù)試驗(yàn)成功。迅速開(kāi)發(fā)了商品化的激光雷達(dá)。微型脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)哥達(dá)德航天中心研制的一臺(tái)科學(xué)儀器的初樣樣機(jī)。通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)讓實(shí)現(xiàn)了商品化。微型脈沖激光雷達(dá)是一種對(duì)人眼安全、結(jié)構(gòu)緊湊和自動(dòng)操作的激光雷達(dá), 可用于大氣中云的輪廓和氣溶膠濃度的探測(cè)。對(duì)科研或全天候無(wú)人值守的云和氣溶膠的高度和結(jié)構(gòu)的測(cè)量等環(huán)境監(jiān)測(cè)是一件理想的工具, 與傳統(tǒng)的激光雷達(dá)相比性能和效率均有創(chuàng)新。微型脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)是至今唯一的一種低成本和使用方便的小型系統(tǒng)?？諝鈩?dòng)力學(xué)、天氣研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用僅是該系統(tǒng)可能的利用領(lǐng)域。系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)有多種修改, 以滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需要。系統(tǒng)可以在距離分辨率和其它性能方面升級(jí),或提高可靠性以滿(mǎn)足航天需要。

工作原理微型脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。微型脈沖激光雷達(dá)從發(fā)射機(jī)發(fā)出高功率的激光脈沖直接在大氣中傳輸, 并與氣溶膠和大氣分子發(fā)生相互作用。它們引起的后向散射能量由系統(tǒng)的接收器接收?；夭ㄐ盘?hào)提供了許多大氣組分和動(dòng)力學(xué)的信息。距離分辨率由激光脈沖從發(fā)射機(jī)到返回接收機(jī)的時(shí)間來(lái)決定。系統(tǒng)的發(fā)射部分是二極管泵浦Nd :YLF 激光器, 發(fā)射的激光脈沖波長(zhǎng)為523nm , 脈寬為10ns , 重復(fù)頻率為2500Hz , 能量為10μJ 。通過(guò)施密特-卡塞格輪望遠(yuǎn)鏡天線同軸地將脈沖發(fā)射出去, 并接收目標(biāo)的反射信號(hào), 將之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào), 隨后輸入到數(shù)字處理器中。數(shù)據(jù)由安裝在系統(tǒng)架子上的IBM/PC 兼容機(jī)采集、存儲(chǔ)和分析。性能特點(diǎn)對(duì)人眼安全:微型脈沖激光雷達(dá)在任何距離對(duì)人眼都安全, 符合ANSI Z136-1986 激光安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)允許的最大能量(MPE), 并且符合美國(guó)國(guó)家航空局(FAA)的傳輸輻射安全標(biāo)準(zhǔn)。它是通過(guò)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)束和重復(fù)頻率達(dá)到的。

信號(hào)探測(cè)靈敏度和系統(tǒng)作用距離:在低壓電源下,MPL 可以提供高速的信號(hào)探測(cè)性能, 并具有低系統(tǒng)噪聲和高量子效率(40 %)。通過(guò)窄的接收視場(chǎng)和窄帶干涉濾光片使背景噪聲降低, 因而白天也可測(cè)量從對(duì)流層到同溫層(接近25km)之間云和氣溶膠的散射。

物理尺寸:系統(tǒng)的體積小, 質(zhì)量輕, 在外場(chǎng)可以按一定方式排列布置, 并可在較大的空間范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè), 不需要笨重的穩(wěn)定平臺(tái)和架子。

半導(dǎo)體二極管激光器以其體積小、質(zhì)量輕、堅(jiān)固可靠、高效率(可達(dá)30 %以上)和潛在的低成本,在激光成像技術(shù)應(yīng)用方面具有很大的潛力。半導(dǎo)體激光器的典型器件為GaAs 和GaAlAs 激光器, 波長(zhǎng)為0.85μm 和0.94μm 。長(zhǎng)期以來(lái), 因?yàn)槠漭敵龉β瘦^低而僅限于空間飛行器的交會(huì)制導(dǎo)。然而,隨著金屬有機(jī)化學(xué)汽相沉淀工藝和量子阱器件結(jié)構(gòu)的問(wèn)世, 以及高功率、高效率激光二極管, 特別是二極管陣列器件的發(fā)展, 為半導(dǎo)體激光雷達(dá)的應(yīng)用帶來(lái)了生機(jī)。目前單個(gè)100μm 條寬的半導(dǎo)體激光二極管最大輸出功率已達(dá)3.7W , 200μm 條寬的器件在7W 輸出功率下, 工作壽命可達(dá)10000h , 并已商品化。1cm 長(zhǎng)的線陣器件和連續(xù)輸出功率可大于13W , 二維陣列堆的功率密度已達(dá)3kW/cm2 , 預(yù)計(jì)2000 年前可推出100W 或更大連續(xù)波相干輸出的可調(diào)諧二極管激光陣列。

目前, 半導(dǎo)體二極管激光器成像檢測(cè)系統(tǒng)已研制出幾種試驗(yàn)樣機(jī), 主要用于武裝直升機(jī)障礙回避和地物探測(cè)。預(yù)計(jì), 隨著高重復(fù)頻率高功率半導(dǎo)體二極管陣列激光器的實(shí)用化, 半導(dǎo)體激光成像雷達(dá)將會(huì)廣泛用于各種平臺(tái)。盡管目前仍采用直接接收方式, 但采用相干接收方式也有巨大潛力。激光成像系統(tǒng)是一種高靈敏度的探測(cè)技術(shù), 無(wú)論采用何種激光器和探測(cè)體

制, 其關(guān)鍵技術(shù)之一都是圖像處理。因此, 研究圖像處理算法并研制性能優(yōu)越的圖像處理硬件對(duì)于激光成像雷達(dá)至關(guān)重要。

Schwartz 公司系統(tǒng)是一個(gè)單通道成像系統(tǒng)[ ,它的主要技術(shù)分為兩個(gè)部分:單通道激光直接接收測(cè)距機(jī)和目標(biāo)輪廓算法。圖給出單通道激光成像系統(tǒng)硬件組成框圖, 其中發(fā)射機(jī)部分采用單元半導(dǎo)體二極管, 其輸出脈沖功率為60W 、脈寬為6ns 、重復(fù)頻率為9kHz 。接收機(jī)是直接接收方式。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間用光纖傳送啟動(dòng)脈沖。掃描系統(tǒng)是兩塊鍍銀的平面反射鏡, 由計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng), 柵式步進(jìn)掃描, 視場(chǎng)為4°×8°, 便攜式計(jì)算機(jī)除控制掃描反射鏡外, 還能夠利用其所配備的數(shù)字信號(hào)處理插件來(lái)處理距離和反射率數(shù)據(jù), 形成彩色距離圖像, 并執(zhí)行目標(biāo)分類(lèi)算法。對(duì)地面坦克進(jìn)行靜態(tài)成像試驗(yàn), 獲得了坦克三維偽彩色圖像和反射強(qiáng)度圖像, 借助這些圖像可清晰地辨認(rèn)出坦克的輪廓。這一結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的硬件和軟件是有效的。存在問(wèn)題是抗地雜波背景干擾能力尚需進(jìn)一步改善。在此基礎(chǔ)上, 又研制了24 通道實(shí)時(shí)成像二極管陣列激光成像。對(duì)目標(biāo)的最大測(cè)程為500m , 幀頻為3Hz , 視場(chǎng)為4°×10°, 適于機(jī)載試驗(yàn)的結(jié)構(gòu), 具有偽彩色和灰度反射強(qiáng)度圖像的實(shí)時(shí)顯示以及實(shí)時(shí)目標(biāo)分類(lèi)和瞄準(zhǔn)點(diǎn)確定等功能。

高功率高波束質(zhì)量的輻射源

較遠(yuǎn)測(cè)程(數(shù)百米以上)的二極管激光成像雷達(dá)對(duì)其輻射源的要求, 一是具有足夠高的輸出功率, 二是具有足夠窄的發(fā)射波束。目前商品化的二極管激光器雖可分別達(dá)到10W 的平均功率和衍射極限的波束質(zhì)量, 但同一器件卻難以同時(shí)滿(mǎn)足這兩項(xiàng)要求。一種可能的途徑是采用面發(fā)射分布反饋(SEDFB)的二極管激光器陣列和微光學(xué)(MOC)準(zhǔn)直技術(shù)。一個(gè)40 陣列, 采用微透鏡組1.3cm ×10cm 孔徑, 得到0.5 ～ 0.75mrad 發(fā)散度的10W 連續(xù)輸出功率。當(dāng)然, 為了實(shí)現(xiàn)這樣的準(zhǔn)直效果, 必須對(duì)微光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)加工, 使其達(dá)到1μm 的絕對(duì)準(zhǔn)直精度, 采用激光輔助化學(xué)腐蝕工藝制造微光學(xué)系統(tǒng), 可以滿(mǎn)足這一要求。在具體設(shè)計(jì)時(shí), 必須對(duì)孔徑尺寸, 波束發(fā)散度和輸出功率進(jìn)行合理的折衷。

高靈敏度接收技術(shù)

在電路和光學(xué)系統(tǒng)一定的條件下, 接收機(jī)的靈敏度通常用信噪比帶寬積來(lái)衡量, 主要取決于探測(cè)器的靈敏度和探測(cè)方式。從理論上講, 外差接收可以有效地抑制接收機(jī)電路的噪聲, 使接收機(jī)的靈敏度接近量子極限, 因而比直接探測(cè)更優(yōu)越。然而對(duì)于實(shí)際的工程設(shè)計(jì), 還必須考慮應(yīng)用背景、技術(shù)難度、復(fù)雜性、體積、質(zhì)量和成本等因素, 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綜合性能的優(yōu)化。綜合考慮信噪比, 準(zhǔn)直精度要求, 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性、復(fù)雜性、可靠性以及成本因素, 在中等接收信號(hào)功率條件下, 應(yīng)優(yōu)選APD 直接探測(cè)體制。采用總帶寬大, 每一通道帶寬窄的匹配濾波器的設(shè)計(jì)和接收信噪比控制技術(shù), 使APD 處于最佳工作狀態(tài)等對(duì)提高靈敏度也很重要的。

高性能二維掃描技術(shù)

激光成像防撞雷達(dá)通常要求具有大的掃描覆蓋范圍(36°×60°), 成像速率高(1 幀/s 以上), 圖像失真小(掃描線性范圍大), 而且對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的體積和質(zhì)量均有嚴(yán)格的限制, 必須研制高速率、大范圍、高精度和線性好的高性能小型化的掃描器。通常采用多面體轉(zhuǎn)鼓和振鏡體制, 但其在線性范圍、體積和質(zhì)量方面均存在一定的問(wèn)題。

圖像處理和目標(biāo)識(shí)別算法

激光成像技術(shù)的主要功能是通過(guò)成像發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo), 識(shí)別其特征, 判別其種類(lèi), 甚至還具有選擇攻擊點(diǎn), 評(píng)估攻擊效果等功能。在氣象預(yù)報(bào)的測(cè)量和環(huán)境監(jiān)測(cè)中對(duì)污染物的測(cè)量位置波動(dòng)變化狀況都表明, 實(shí)時(shí)高分辨成像和特征識(shí)別是項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

高速單板機(jī)、單片機(jī)和算法的發(fā)展, 使這一問(wèn)題得以解決, 并已有多種圖像處理和目標(biāo)識(shí)別的算法, 如目標(biāo)輪廓算法和三維目標(biāo)算法。前者包括以中值濾波為主的處理算法和基于判斷規(guī)則的分類(lèi)算法, 后者主要有中值濾波、滾動(dòng)修正、標(biāo)高變換等構(gòu)成的處理器算法。近來(lái), 目標(biāo)標(biāo)高和局部標(biāo)高的算法在數(shù)字地圖、云高及污染物團(tuán)高度的假彩色編碼圖中有重要地位。分類(lèi)算法包括表面積計(jì)算、轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)算和瞄準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算等算法。這些算法比較簡(jiǎn)單,可以滿(mǎn)足一般目標(biāo)識(shí)別和分類(lèi)的要求, 用筆記本式多媒體計(jì)算機(jī)即可操作。另外一種適用的算法是知識(shí)源基礎(chǔ)算法。一些新的更復(fù)雜的算法也在研究之中, 例如以匹配濾波技術(shù)為基礎(chǔ)的相關(guān)算法,以多維濾波器組為基礎(chǔ)的實(shí)現(xiàn)多頻率數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和相關(guān)的自適應(yīng)多維處理算法, 以及基于工程的模型算法和基于函數(shù)基集的子波結(jié)構(gòu)等, 尤其是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入, 將大大提高復(fù)雜背景中自動(dòng)分離、分類(lèi)和識(shí)別目標(biāo)的能力。