固體激光雷達

DPL 激光器具有對人眼安全、大氣消光比低、光學系統(tǒng)便宜以及可采用光纖光路和集成光學技術和結構小型化等優(yōu)點。它克服了Nd :YAG 激光器只能測距和測角, 不能測速和成像困難, 大氣傳輸性能較差, 對人眼不安全等缺點。其相干性好,體積小, 質量輕, 壽命長, 可靠性優(yōu)于CO2 激光器,因此90 年代得到迅速發(fā)展。目前, 已經(jīng)實驗用于相干多普勒激光雷達、距離成像、障礙物回避等方面, 在機載、彈載和星載平臺中具有較大的競爭力。商品化進程也十分迅速,從第一臺DPL 激光器研制成功, 到商品化激光雷達僅用了4 年, 且價格迅速降低 。

90 年代初, 短脈沖相干的多普勒Nd :YAG 激光探測系統(tǒng)的距離分辨率為1m , 用于1km/s 的高速目標的多普勒測量。其波形為1.06μm 的8μs 短脈沖采用相干接收方式。用波長為2.1μm 及2.09μm 的Tm , Ho :YAG 激光器制成的全固態(tài)激光雷達系統(tǒng)脈沖能量約為22mJ , 脈沖重復頻率為3 .2Hz , 脈寬約為220ns 。已演示不同的距離分辨對大氣風速和遠距離硬目標測量.1.32μm 的半導體二極管泵浦Nd :YLF 激光成像雷達系統(tǒng)包括二極管泵浦、Q 開關Nd :YLF 激光發(fā)射機、激光接收機、距離計數(shù)器, 測量2km 距離的目標陸續(xù)試驗成功。迅速開發(fā)了商品化的激光雷達。微型脈沖激光雷達系統(tǒng)是美國國家航天局(NASA)哥達德航天中心研制的一臺科學儀器的初樣樣機。通過技術轉讓實現(xiàn)了商品化。微型脈沖激光雷達是一種對人眼安全、結構緊湊和自動操作的激光雷達, 可用于大氣中云的輪廓和氣溶膠濃度的探測。對科研或全天候無人值守的云和氣溶膠的高度和結構的測量等環(huán)境監(jiān)測是一件理想的工具, 與傳統(tǒng)的激光雷達相比性能和效率均有創(chuàng)新。微型脈沖激光雷達系統(tǒng)是至今唯一的一種低成本和使用方便的小型系統(tǒng)?？諝鈩恿W、天氣研究和環(huán)境監(jiān)測的應用僅是該系統(tǒng)可能的利用領域。系統(tǒng)的模塊設計有多種修改, 以滿足不同應用的需要。系統(tǒng)可以在距離分辨率和其它性能方面升級,或提高可靠性以滿足航天需要。

工作原理微型脈沖激光雷達系統(tǒng)的基本結構如圖所示。微型脈沖激光雷達從發(fā)射機發(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。回波信號提供了許多大氣組分和動力學的信息。距離分辨率由激光脈沖從發(fā)射機到返回接收機的時間來決定。系統(tǒng)的發(fā)射部分是二極管泵浦Nd :YLF 激光器, 發(fā)射的激光脈沖波長為523nm , 脈寬為10ns , 重復頻率為2500Hz , 能量為10μJ 。通過施密特-卡塞格輪望遠鏡天線同軸地將脈沖發(fā)射出去, 并接收目標的反射信號, 將之轉變?yōu)殡娦盘? 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 兼容機采集、存儲和分析。性能特點對人眼安全:微型脈沖激光雷達在任何距離對人眼都安全, 符合ANSI Z136-1986 激光安全防護標準允許的最大能量(MPE), 并且符合美國國家航空局(FAA)的傳輸輻射安全標準。它是通過適當?shù)臄U束和重復頻率達到的。

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

物理尺寸:系統(tǒng)的體積小, 質量輕, 在外場可以按一定方式排列布置, 并可在較大的空間范圍內進行觀測, 不需要笨重的穩(wěn)定平臺和架子。

高功率高波束質量的輻射源

較遠測程(數(shù)百米以上)的二極管激光成像雷達對其輻射源的要求, 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到10W 的平均功率和衍射極限的波束質量, 但同一器件卻難以同時滿足這兩項要求。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(MOC)準直技術。一個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。當然, 為了實現(xiàn)這樣的準直效果, 必須對微光學系統(tǒng)進行精心設計加工, 使其達到1μm 的絕對準直精度, 采用激光輔助化學腐蝕工藝制造微光學系統(tǒng), 可以滿足這一要求。在具體設計時, 必須對孔徑尺寸, 波束發(fā)散度和輸出功率進行合理的折衷。

高靈敏度接收技術

在電路和光學系統(tǒng)一定的條件下, 接收機的靈敏度通常用信噪比帶寬積來衡量, 主要取決于探測器的靈敏度和探測方式。從理論上講, 外差接收可以有效地抑制接收機電路的噪聲, 使接收機的靈敏度接近量子極限, 因而比直接探測更優(yōu)越。然而對于實際的工程設計, 還必須考慮應用背景、技術難度、復雜性、體積、質量和成本等因素, 以實現(xiàn)系統(tǒng)綜合性能的優(yōu)化。綜合考慮信噪比, 準直精度要求, 戰(zhàn)場環(huán)境適應性、復雜性、可靠性以及成本因素, 在中等接收信號功率條件下, 應優(yōu)選APD 直接探測體制。采用總帶寬大, 每一通道帶寬窄的匹配濾波器的設計和接收信噪比控制技術, 使APD 處于最佳工作狀態(tài)等對提高靈敏度也很重要的。

高性能二維掃描技術

激光成像防撞雷達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), 而且對掃描機構的體積和質量均有嚴格的限制, 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。通常采用多面體轉鼓和振鏡體制, 但其在線性范圍、體積和質量方面均存在一定的問題。

圖像處理和目標識別算法

激光成像技術的主要功能是通過成像發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標, 識別其特征, 判別其種類, 甚至還具有選擇攻擊點, 評估攻擊效果等功能。在氣象預報的測量和環(huán)境監(jiān)測中對污染物的測量位置波動變化狀況都表明, 實時高分辨成像和特征識別是項關鍵技術。

高速單板機、單片機和算法的發(fā)展, 使這一問題得以解決, 并已有多種圖像處理和目標識別的算法, 如目標輪廓算法和三維目標算法。前者包括以中值濾波為主的處理算法和基于判斷規(guī)則的分類算法, 后者主要有中值濾波、滾動修正、標高變換等構成的處理器算法。近來, 目標標高和局部標高的算法在數(shù)字地圖、云高及污染物團高度的假彩色編碼圖中有重要地位。分類算法包括表面積計算、轉動計算和瞄準點計算等算法。這些算法比較簡單,可以滿足一般目標識別和分類的要求, 用筆記本式多媒體計算機即可操作。另外一種適用的算法是知識源基礎算法。一些新的更復雜的算法也在研究之中, 例如以匹配濾波技術為基礎的相關算法,以多維濾波器組為基礎的實現(xiàn)多頻率數(shù)據(jù)關聯(lián)和相關的自適應多維處理算法, 以及基于工程的模型算法和基于函數(shù)基集的子波結構等, 尤其是人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術的引入, 將大大提高復雜背景中自動分離、分類和識別目標的能力。

固體激光雷達半導體二極管激光成像雷達

半導體二極管激光器以其體積小, 質量輕, 堅固可靠, 高效率(可達30 %), 高重復頻率和潛在的低成本, 以及可采用非制冷高靈敏度APD 探測器的特點, 成為小型激光雷達的優(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, 改進光束質量和方向性以及降低探測器閾值等方面取得的重大進展, 國際上開始發(fā)展二極管激光雷達。其應用背景主要是巡航導彈下視雷達和武裝直升機前視電線防撞, 近距戰(zhàn)術武器精確制導等。

1985 年年底, 美國空軍懷特(Wright)實驗室開始了一項研究計劃, 以確定二極管激光雷達作為制導傳感器的可行性。Schw artz 光電公司研制了獨有的目標識別和分類算法的實時二極管成像激光雷達系統(tǒng)。1989 年在塔上試驗獲得成功。1990 年作飛行試驗, 試驗中激光發(fā)射器采用二極管陣列, 其發(fā)射功率為120W , 作用距離為500m , 視場為4°×10°, 圖像幀頻30Hz , 試驗結果實時顯示一個三維距離彩色圖像和一個灰度級反射率圖像, 顯示中還包括目標瞄準點的位置, 目標分類和目標距離。機載二極管激光成像避障雷達的研制也取得了很大進展。法國Thomson-TRT 公司研制了HOWARD 激光雷達系統(tǒng), 用于直升機障礙物告警。采用二極管激光器作發(fā)射源, 發(fā)射脈沖峰值功率為100W , 重復頻率為20kHz , 采用雙光楔玫瑰線掃描, 掃描視場為30°×30°, 探測距離為200 ～400m 。美國Northrop 公司研制的直升機防撞告警系統(tǒng)(OASYS)二極管激光成像雷達系統(tǒng) , 采用圓周平移掃描, 發(fā)射脈沖能量為8μJ , 重復頻率為64kHz , 視場為25°×50°, 對2 .5cm 電力線的成像距離大于400m 。

80 年代, 半導體激光雷達原理實用化研究取得較大進展。1990 年美國公布了巡航導彈的調幅連續(xù)波相位測距紅外激光測高儀的專利(465.764),以下視測高為主, 可兼前視測距。1987年德國專利(3606337)和1989 年德國專利(3901040)都介紹了連續(xù)波激光測高儀。1991 年和1992 年美國國防部明確提出了近程(3～10km)半導體相干激光成像雷達的發(fā)展計劃。1991 年進行了前視和下視的掛飛試驗, 驗證了直升機測障回避, 1994 年和1995 年驗證了機載下視測高。目前, 美國林肯實驗室、休斯公司等機構也都在發(fā)展二極管激光主動成像雷達。二極管激光成像雷達的最大缺點是輸出功率低(約幾百瓦量級), 作用距離近, 束散寬,故要求用大尺寸光學系統(tǒng)來減小束散。這對要求遠距離成像的戰(zhàn)術應用帶來困難, 因此, 在一個時期內還需作許多工作才能滿足要求。

固體激光雷達二極管泵浦固體激光成像雷達

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頻率, 克服了熱效應等缺點, 實現(xiàn)單模穩(wěn)定運轉, 高穩(wěn)頻, 高功率, 高效率和高光束質量, 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)點和近幾年來固體激光技術的重大突破, 固體激光雷達在成像, 遠程目標跟蹤和識別等領域呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。美國率先進行了二極管泵浦固體激光制導技術的研究。90 年代初期, 美國Hercules 防御中心成功研制一臺用于戰(zhàn)場監(jiān)視的1.32μm 固體激光成像雷達, 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 開關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 。接收機天線直徑為48mm ,焦距為2 .5mm ,光斑尺寸為0 .25mrad 。激光雷達使用InGaAs 雪崩二極管探測器, 噪聲等效功率NEP =0 .8 ×10-8W , 最小可探測信號功率MDP =1 .5 ×10-7W , 完成了距離成像的實驗, 距離分辨率為0 .25m , 最大距離為2km 。與此同時, 美國Fibertek公司研制用于直升機防撞的樣機, 激光波長為1.54μm , 脈沖重復頻率為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, 已在直升機上進行了兩次試驗。對要求中等以上功率的應用而言, 二極管激光泵浦固體激光主動成像雷達有很大的應用前景 。這種固體激光主動成像雷達有輸出功率高、脈沖重復頻率高、體積小、質量輕、可靠性高等優(yōu)點。另外應用可調諧固體激光器和倍頻固體激光的波長可調, 又開辟了許多新的應用領域。雖然DPL 激光成像雷達的發(fā)展歷史還很短, 但其發(fā)展?jié)摿κ遣蝗葜靡傻?

半導體二極管激光器以其體積小、質量輕、堅固可靠、高效率(可達30 %以上)和潛在的低成本,在激光成像技術應用方面具有很大的潛力。半導體激光器的典型器件為GaAs 和GaAlAs 激光器, 波長為0.85μm 和0.94μm 。長期以來, 因為其輸出功率較低而僅限于空間飛行器的交會制導。然而,隨著金屬有機化學汽相沉淀工藝和量子阱器件結構的問世, 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, 為半導體激光雷達的應用帶來了生機。目前單個100μm 條寬的半導體激光二極管最大輸出功率已達3.7W , 200μm 條寬的器件在7W 輸出功率下, 工作壽命可達10000h , 并已商品化。1cm 長的線陣器件和連續(xù)輸出功率可大于13W , 二維陣列堆的功率密度已達3kW/cm2 , 預計2000 年前可推出100W 或更大連續(xù)波相干輸出的可調諧二極管激光陣列。

目前, 半導體二極管激光器成像檢測系統(tǒng)已研制出幾種試驗樣機, 主要用于武裝直升機障礙回避和地物探測。預計, 隨著高重復頻率高功率半導體二極管陣列激光器的實用化, 半導體激光成像雷達將會廣泛用于各種平臺。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技術, 無論采用何種激光器和探測體

制, 其關鍵技術之一都是圖像處理。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于激光成像雷達至關重要。

Schwartz 公司系統(tǒng)是一個單通道成像系統(tǒng)[ ,它的主要技術分為兩個部分:單通道激光直接接收測距機和目標輪廓算法。圖給出單通道激光成像系統(tǒng)硬件組成框圖, 其中發(fā)射機部分采用單元半導體二極管, 其輸出脈沖功率為60W 、脈寬為6ns 、重復頻率為9kHz 。接收機是直接接收方式。發(fā)射機和接收機之間用光纖傳送啟動脈沖。掃描系統(tǒng)是兩塊鍍銀的平面反射鏡, 由計算機控制的步進電機驅動, 柵式步進掃描, 視場為4°×8°, 便攜式計算機除控制掃描反射鏡外, 還能夠利用其所配備的數(shù)字信號處理插件來處理距離和反射率數(shù)據(jù), 形成彩色距離圖像, 并執(zhí)行目標分類算法。對地面坦克進行靜態(tài)成像試驗, 獲得了坦克三維偽彩色圖像和反射強度圖像, 借助這些圖像可清晰地辨認出坦克的輪廓。這一結果證明所設計的硬件和軟件是有效的。存在問題是抗地雜波背景干擾能力尚需進一步改善。在此基礎上, 又研制了24 通道實時成像二極管陣列激光成像。對目標的最大測程為500m , 幀頻為3Hz , 視場為4°×10°, 適于機載試驗的結構, 具有偽彩色和灰度反射強度圖像的實時顯示以及實時目標分類和瞄準點確定等功能。