激光雷達的特點、分類及其發(fā)展

　　激光雷達可以按照所用激光器、探測技術(shù)及雷達功能等來分類。目前激光雷達中使用的激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼頻移Nd：YAG激光器、GaAiAs半導(dǎo)體激光器、氦-氖激光器和倍頻Nd：YAG激光器等。其中摻鉺YAG激光波長為2微米左右，而GaAiAs激光波長則在0.8-0.904微米之間。

　　根據(jù)探測技術(shù)的不同，激光雷達可以分為直接探測型和相干探測型兩種。其中直接探測型激光雷達采用脈沖振幅調(diào)制技術(shù)（AM），且不需要干涉儀。相干探測型激光雷達可用外差干涉，零拍干涉或失調(diào)零拍干涉，相應(yīng)的調(diào)諧技術(shù)分別為脈沖振幅調(diào)制，脈沖頻率調(diào)制（FM）或混合調(diào)制。

　　按照不同功能，激光雷達可分為跟蹤雷達，運動目標指示雷達，流速測量雷達，風(fēng)剪切探測雷達，目標識別雷達，成像雷達及振動傳感雷達。

　　激光雷達最基本的工作原理與無線電雷達沒有區(qū)別，即由雷達發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，經(jīng)目標反射后被接收系統(tǒng)收集，通過測量反射光的運行時間而確定目標的距離。至于目標的徑向速度，可以由反射光的多普勒頻移來確定，也可以測量兩個或多個距離，并計算其變化率而求得速度，這是、也是直接探測型雷達的基本工作原理。由此可以看出，直接探測型激光雷達的基本結(jié)構(gòu)與激光測距機頗為相近，其原理框圖（略）。

　　相干探測型激光雷達又有單穩(wěn)與雙穩(wěn)之分，在所謂單穩(wěn)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號共同在所謂單穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中，發(fā)送與接收信號共用一個光學(xué)孔徑。并由發(fā)射/接收（T/R）開頭隔離。T/R開關(guān)將發(fā)射信號送往輸出望遠鏡和發(fā)射掃描系統(tǒng)進行發(fā)射，信號經(jīng)目標反射后進入光學(xué)掃描系統(tǒng)和望遠鏡，這時，它們起光學(xué)接收的作用。T/R開關(guān)將接收到的輻射送入光學(xué)混頻器，所得拍頻信號由成像系統(tǒng)聚焦到光敏探測器，后者將光信號變成電信號，并由高通濾波器將來自背景源的低頻成分及本機振蕩器所誘導(dǎo)的直流信號統(tǒng)統(tǒng)濾除。最后高頻成分中所包含的測量信息由信號和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)檢出。雙穩(wěn)系統(tǒng)的區(qū)別在于包含兩套望遠鏡和光學(xué)掃描部件，T/R開關(guān)自然不再需要，其余部分與單穩(wěn)系統(tǒng)的相同。

　　美國國防部最初對激光雷達的興趣與對微波雷達的相似，即側(cè)重于對目標的監(jiān)視、捕獲、跟蹤、毀傷評（SATKA）和導(dǎo)航。然而，由于微波雷達足以完成大部分毀傷評估和導(dǎo)航任務(wù)，因而導(dǎo)致軍用激光雷達計劃集中于前者不能很好完成的少量任務(wù)上，例如高精度毀傷評估，極精確的導(dǎo)航修正及高分辨率成像。

　　較早出現(xiàn)的一種激光雷達稱為“火池”，它是由美國麻省理工學(xué)院的林肯實驗室投資，于60年代末研制的。70年代初，林肯實驗室演示了火池雷達精確跟蹤衛(wèi)星，獲得多普勒影像的能力。80年代進行的實驗證明，這種CO2激光雷達可以穿透某些煙霧，識破偽裝，遠距離捕獲空中目標和探測化學(xué)戰(zhàn)劑。發(fā)展到80年代末的火池激光雷達，采用一臺高穩(wěn)定CO2激光振蕩器作為信號源，經(jīng)一臺窄帶CO2激光放大器放大，其頻率則由單邊帶調(diào)制器調(diào)制。另有工作于藍-綠波段的中功率氬離子激光與上述雷達波束復(fù)合，用于對目標進行角度跟蹤，而雷達波束的功能則是收集距離――多普勒影像，實時處理并加以顯示。兩束波均由一個孔徑為1.2M的望遠鏡發(fā)射并接收。據(jù)報道，美國戰(zhàn)略防御局和麻省理工學(xué)院的研究人員于1990年3月用上述裝置對一枚從弗吉尼亞大西洋海岸發(fā)射的探空火箭進行了跟蹤實驗。在二級點火后6分鐘，火箭進入亞軌道，即爬升階段，并拋出其有效負載，即一個形狀和大小均類似于彈道導(dǎo)彈再入飛行器的可充氣氣球。該氣球有氣體推進器以提供與再入飛行器和誘餌的物理結(jié)構(gòu)相一致的動力學(xué)特性。目標最初由L波段跟蹤雷達和X波段成像雷達進行跟蹤。并將這些雷達傳感器取得的數(shù)據(jù)交給火池激光雷達，后者成功地獲得了距離約800千米處目標的像。

　　據(jù)1991年5月的《防衛(wèi)電子學(xué)》報導(dǎo)，美國空軍和海軍當(dāng)時正在研制“先進技術(shù)激光雷達系統(tǒng)（ATLAS）”。該系統(tǒng)擬裝在巡航導(dǎo)彈上，用CO2激光和新型紅外雷達將巡航導(dǎo)彈引向目標。此項計劃由設(shè)在佛羅里達州伊格林空軍基地的萊特研究所先進制導(dǎo)部主管，主承包商麥道公司和通用動力公司康威爾分部各自按照1500萬美元的合同研制AGM-130或巡航導(dǎo)彈型武器。海軍發(fā)言人雷上尉當(dāng)時稱計劃在1992年財政年度對ATLAS以吊艙結(jié)構(gòu)進行飛行試驗；1992年，位于加利福尼亞州的休斯公司光電與數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究組已研制成功一種先進的CO2激光雷達，并將其作為ATLAS計劃的一部分，交付主承包商通用動力公司康威爾分部。1992年6月的《光子學(xué)》和7月的《防衛(wèi)電子學(xué)》對此相繼作了報導(dǎo)。為了演示激光雷達的功能，康威爾分部將其與有關(guān)的信號處理電子設(shè)備以及制導(dǎo)系統(tǒng)的其他部件。即處理機，導(dǎo)航傳感器和測試儀器等一起裝入吊艙，吊掛在康威爾分部的試驗噴氣飛機上，在伊格林試驗場針對目標進行飛行，激光雷達提供了目標區(qū)域的高分辨率三維圖像。此后，又進行了多種空對地武器的導(dǎo)航，末端瞄準和精密尋的導(dǎo)引試驗，充分顯示出該激光雷達用于導(dǎo)彈制導(dǎo)的很多獨特的優(yōu)點。

　　軍事上常常希望飛機低空飛行，但飛機飛行的最低高度受到機上傳感器探測小型障礙物能力的限制。且不說阻塞氣球線這樣的對抗設(shè)施，在60米以下，各種動力線，高壓線鐵塔，桅桿、天線拉線這樣的小障礙物也有明顯的危險性。

　　現(xiàn)有的飛機傳感器，從人眼到雷達，均難以事先發(fā)現(xiàn)這些危險物，這種情況，在夜間和惡劣天氣條件下尤其突出。而掃描型激光雷達因其具有高的角分辨率，故能實時形成這些障礙物有效的影像，提供適當(dāng)?shù)念A(yù)警。據(jù)1993年5月出版的《軍事技術(shù)》報導(dǎo)，在法國政府和英國政府的倡議下，由法國達索電子公司和英國GEC-馬可尼航空電子學(xué)公司雷達系統(tǒng)分部組成的聯(lián)合體研制出一種緊湊的激光雷達（CLARA）。其主要功能即是發(fā)現(xiàn)飛機航線上有危險的障礙物。并顯示給駕駛員，且不論白天、黑夜及天氣的好壞，均能對前面所提到的各種障礙物進行實時探測、分類和顯示。選用的工作波長不受陽光的影響，有良好的穿透煙、霧的特性。為了保證飛機轉(zhuǎn)彎時始終提供適當(dāng)?shù)木洌瑐鞲衅鞑捎昧舜笠晥?。緊湊激光雷達的另一功能是進行地形跟蹤和目標確定，這要求系統(tǒng)能實現(xiàn)處理飛機前方地形的回波，以產(chǎn)生飛行控制指令。緊湊激光雷達由三部分組成，即傳感器頭，掃描器及信號與數(shù)據(jù)處理器。傳感器頭的核心是激光器組件與探測器組件，前者包括兩臺CO2激光器，一臺提供脈沖或連續(xù)波發(fā)射光束；另一臺是小功率本機振蕩器，用于與回波進行外差相干。而探測器組件則為寬波段紅外探測器上光學(xué)元件的組合，并采用超低溫冷卻，以減小量子噪聲，提高探測靈敏度。探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，送往信號處理器進行處理，掃描器的核心是陀螺穩(wěn)定的雙反射鏡及其他可旋轉(zhuǎn)光學(xué)部件，要求能適應(yīng)不同的工作模式。在障礙物告警模式下，首先要找到目標的大致方位，因而無需很多的分辨率，但必須有較大的掃描視場；與此相反，在瞄準模式下，目標的大致位置已知，因此無需很大的掃描視場，但要求有很高的距離和視角分辨率，并能以高精度跟蹤所選目標。

　　信號與數(shù)據(jù)處理的核心是數(shù)字信號處理器和微處理器。其功能是執(zhí)行復(fù)雜的目標探測及識別運算，并存儲每個重要的信息。此外，處理器必須與CLARA的其他分系統(tǒng)接口，以實現(xiàn)工作模式的控制與機內(nèi)檢測。所用軟件采用高級語言編程。該系統(tǒng)在英國是安裝在固定翼飛機上飛行，而在法國還要在旋轉(zhuǎn)翼飛機上試驗。為便于在固定翼飛機或直升機上吊掛。整個CLARA系統(tǒng)安裝在一個吊艙內(nèi)，吊艙的前部包括光具座和處理器，后部裝有自主式環(huán)境調(diào)節(jié)裝置，其余大部分部件則安裝在吊艙中部，據(jù)最新文獻報導(dǎo)，達索公司，GEC-馬可尼公司，馬可尼意大利公司和蔡司公司又聯(lián)合研制了一種用于直升機障礙物報警的Eloise激光雷達，可提前10秒鐘對直徑為5mm的纜線報警，并具有地形導(dǎo)航功能。

　　以上介紹的幾種激光雷達有一個共同的特點，即都是以CO2激光器為波束源，這些激光器采用高功率射頻泵浦，需要高電壓和強致冷，其結(jié)果是雷達系統(tǒng)體積龐大，價格昂貴，而且可靠性也比較差。相比之下，半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光系統(tǒng)，尺寸和價格均可低達相同功率CO2激光束系統(tǒng)的十分之一，且具有更高的可靠性。近10年左右的時間里，半導(dǎo)體激光技術(shù)本身及二極管泵浦固體激光技術(shù)均有了飛速發(fā)展，使固體激光作為激光雷達的輻射源成為可能。于是很多有影響的公司都將相當(dāng)大的注意力投向固體激光雷達。洛拉爾-沃特公司多年來一直從事激光雷達的研究。

　　1992年4月，該公司在“錫斯納”412飛機上試驗固體激光雷達樣機，據(jù)稱，這是這種系統(tǒng)首次進行飛行試驗。穩(wěn)定的裝置將光學(xué)發(fā)射接收機，相關(guān)的電子系統(tǒng)組合成一個組件，長度和直徑均為203mm，重量僅5.5kg。系統(tǒng)采用近紅外波長運轉(zhuǎn)的固體激光器，由GaAs二極管激光泵浦，不需要進行冷卻。帶有實時自動目標識別的樣機，1992年也進行了飛行試驗。洛拉爾-沃特公司經(jīng)多年努力，開發(fā)了自動目標識別算法。據(jù)稱，這種算法可以區(qū)分坦克和卡車，識別單個坦克的類型。另一方面，休斯公司丹伯利分部還在努力制造能在室溫工作的二極管固體激光陣列。據(jù)稱，這將進一步減少甚至取消對致冷的需要。曾經(jīng)開發(fā)了以CO2激光器為輻射源的相干光雷達機載切變傳感器的洛克希德公司，在美國國家航空航天管理局的提議下，也用更可靠和性能更好的2微米波長固體激光器代替了CO2激光器。洛克希德公司新的CLASS系統(tǒng)于1993年秋季在美國國家航航天管理局位于哈卜頓的朗雷研究中心進行了飛行試驗，裝載飛機為波音-737。該公司的高級科學(xué)家塔戈說：“2微米固體激光器尺寸更小，價格更廉，質(zhì)量更小，性能更優(yōu)，它是未來之波”。總之，激光雷達已經(jīng)歷了約30年的發(fā)展過程，迄今種類繁多。