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激光雷达

[拼音]:jiguang leida

[外文]:laser radar

以激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是雷达技术与激光技术相结合的产物,使雷达的工作波段扩展到光波波段。激光雷达的工作波段包括红外光、可见光和紫外光。由于工作波长较短,激光雷达的测量精度、分辨能力和抗干扰性能远远超过普通的微波雷达。

激光雷达的早期应用主要是精密测距。例如,用激光雷达测量地球上一点到月球的距离,测量精度能达到几厘米。利用地面激光雷达对卫星合作目标的精密测距和跟踪,可进行地震预报。为此,可把一个带有后向反射器的卫星发射到5900公里高的轨道上,激光雷达测距系统可以测出地球表面上数厘米的位移。小型激光雷达可用作距离的精密测量仪器。激光雷达系统可以从地面、飞机、船舰和空间平台上对目标进行精密跟踪。例如,用于两个宇宙飞船交会、对接、分离、位置保持和监视。此外,激光雷达也可应用于空中交通管制、气象预报以及土地测绘等方面。激光雷达在目标成像和目标识别方面的应用日益受到重视。激光雷达成像系统可以提供高分辨力的图像。

性能特点

与普通的微波雷达相比,激光雷达具有窄波束、大带宽、测速灵敏度高、隐蔽性好和穿透性好等突出的优点。

(1)窄波束:用实际可实现的天线孔径,可以得到极窄的激光波束。例如,波长为1微米、天线孔径为1厘米时,可获得0.1毫弧的波束宽度。窄波束使角度分辨力和测角精度提高。

(2)大带宽:高的工作频率使激光雷达能获得大的信号带宽,所以有很高的测距精度和距离分辨力。

(3)测速灵敏度高:高的工作频率使多普勒频率测量的灵敏度提高。

(4)隐蔽性好:窄波束和小的天线孔径,使激光雷达的隐蔽性较好。

(5)对某些介质的穿透性好:激光辐射可穿过某些介质,如稠密的等离子体和海水,因此激光雷达可用于某些特殊场合,如海底探测等。

但是,光波在大气中传播时,会受到不同程度的吸收、散射、折射和色散。在可见光和红外波段,大气的吸收损失主要来源于水蒸汽和二氧化碳的谐振吸收作用。由于组成大气的各种成分的浓度随高度而变化,激光在大气中的透射率是光束天顶角(以垂直于地面的方向为零)与雷达站址高度的函数。雨、雾、烟、霾的吸收和后向散射会严重缩短激光雷达的作用距离。大气对光束的色散和折散,会影响雷达的分辨力和测量精度。为了满足光束的空间相干性的要求,天线孔径的最大尺寸和视场受到严格的限制。

工作原理

激光雷达的测距、测向和测速原理与普通雷达相同。激光器通常以脉冲方式工作,测距的普通方法是用计数器确定激光脉冲回波的时延。当激光器以连续波方式工作时,测距可采用边带调制方式,测量边带频率成分的相位延迟。测量目标的多普勒频率需要采用相干检测接收机,并对激光器的谱线宽度、本振的稳定性等有一定的要求。激光雷达通常需要同时测量目标的距离和多普勒频移。对目标的角跟踪可采用圆锥扫描方法,或单脉冲法(见跟踪雷达)。在激光雷达进入跟踪状态之前,必须大致瞄准目标,这可以用控制反射镜的方法或用宽角覆盖的光-电接收技术实现。

相干检测和非相干检测

激光雷达根据检测方式可分为相干检测和非相干检测两类(见图)。非相干检测较为简单,对激光的相干性要求不高,但它不能保存和提取信号中的相位信息。接收机由能量收集光学设备、滤光器(滤除杂波干扰)、光学探测器、光-电处理电路和判定装置组成。相干检测雷达,需用一对分光器把一部分连续振荡波送到接收机作为本振信号,接收机前端由接收光学设备、滤光器和光-电探测器组成。本振和目标回波同时入射到光-电探测器上。探测器输出的光电流包含一个光电混频分量,其频率决定于目标的多普勒频移。相干检测雷达较为复杂,因为对本振的稳定性有严格要求,对于分光器和反射镜的准直程度以及接收孔径内的空间相干性的要求也十分严格。

等效噪声温度

激光雷达接收机的灵敏度不象微波雷达那样取决于接收机的内部热噪声,而是取决于量子效应。在大部分激光频率上,单位频带的噪声功率N0=hfh为普朗克常数;f为频率。若令κTe=hfκ为玻耳兹曼常数,则Te称为激光接收机的等效噪声温度。例如,采用二氧化碳激光器,其波长为10.6微米,则接收机等效噪声温度为 1360K。激光雷达接收机的等效噪声温度远大于微波雷达接收机的等效噪声温度。

激光发射器

从远红外到紫外波段, 差不多在几百个波长上采用过固体、液体或气体材料进行光激射。这些激光器中的一部分在输出功率、效率和相干性方面宜作雷达发射器,例如固体激光器中的红宝石激光器、钕玻璃激光器,气体激光器中的二氧化碳激光器,半导体激光器中的砷化镓激光器。此外,还有新型的化学激光器,如氟化氢和氟化氘激光器等。

激光雷达方程

若目标尺寸远小于雷达波束照射面,激光雷达最大作用距离R与各参量的关系可表示为

式中Pt为发射功率(瓦);Ae为接收天线孔径(米2);σ为目标的雷达截面积(米2);θB为发射波束宽度(弧度);为所要求的最小接收功率(瓦);η为检测器的量子效率;nP为所要求的信号光电子数;h为普朗克常数;f为激光频率(赫);B为视频带宽(赫)。在应用中还应计入大气传播损失和光学系统的传输损失。在目标尺寸远大于波束照射面的情况下,上式中的σ应根据目标表面反射率、光波传播方向以及波束照射面的大小来确定。

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