二極體泵浦固體雷射成像雷達

二極體泵浦固體雷射雷達是最近幾年成像雷射雷達發展的重點, 它採用高重複頻率、高峰值功率的二極體泵浦固體雷射器、高靈敏度的雪崩二極體探測器, 其主要優點是體積小、價格低,可用掃描成像或非掃描成像, 探測大多採用直接探測體制, 在軍事和國民經濟中都有著廣闊套用前景。

基本介紹

• 中文名：二極體泵浦固體雷射成像雷達
• 外文名：Diode-pumped solid state laser radar

1概述

雷射雷達發展趨勢

近年來的雷射雷達發展非常迅速,各種新的技術和新的體制的套用,使得雷射雷達越來越多元化,但是各類雷射雷達的發展趨勢還是有很多共同之處。

目前,大部分雷射雷達都是釆用通用採集設備或儀器來實現,如瞬態記錄儀,定標器,示波器,信號發生器等等。使用該類設備基本可以完成雷射雷達的採集工作,但是還是存在一些不足之處:首先,這類設備一般只能在滿足雷射雷達某一方面的採集需求,所以往往在一個雷射雷達系統中,需要同時使用多個儀器才能達到釆集目標。其次,由於通用採集設備或儀器並非專門為雷射雷達的需求開發,所以諸多通用功能中只有部分能發揮作用,操作相'對比較複雜。最後,由於此類設備均為廠商的產品,其軟體和硬體均不開放,很難通過二次開發將這些設備完全整合進入雷射雷達系統。

二極體泵浦固體雷射雷達是最近幾年成像雷射雷達發展的重點, 它採用高重複頻率、高峰值功率的二極體泵浦固體雷射器、高靈敏度的雪崩二極體探測器, 其主要優點是體積小、價格低,可用掃描成像或非掃描成像, 探測大多採用直接探測體制, 在軍事和國民經濟中都有著廣闊套用前景。 它克服了CO2 雷射雷達體積大、價格高的缺點, 且雷射器無需製冷, 這種主動感測系統可實現高解析度的距離和強度成像。它不像紅外熱成像系統容易受環境變化的影響, 允許採用更為簡單的自主目標跟蹤算法, 因而更適合於自主精確制導。先進的半導體雷射二極體泵浦固體雷射器技術是小型化、低價格雷射雷達的保證。

目前適合於雷射雷達的二極體泵浦固體雷射器的波長大多在1μm 和2 ～ 3μm 範圍內, 主要有Nd :YAG 、Nd :YLF 和Nd :YVO4 , 它們有較好的大氣傳輸特性。摻Tm 和Ho 的雷射器也得到了發展, 波長分別為2.0μm 和2.1μm 。另外隨著二極體泵浦固體技術的發展, 建造高光束質量、高平均功率的MOPA結構的方法變得相對簡單, 有利於滿足高性能雷射雷達的套用要求。

2發展歷史

二極體泵浦固體雷射雷達的研究始於80 年代末, 90 年代的後期得到了迅猛發展。套用比較成功的如林肯實驗室的火池測距二極體泵浦Nd :YAG 雷射雷達。二極體泵浦固體雷射雷達已經廣泛套用於大氣測污、大氣風場測量、環境監測等領域。文中主要介紹二極體泵浦固體雷射雷達在精確制導、風速測量及直升機防撞等方面的套用及研究進展。

80 年代後期, 隨著二極體泵浦固體雷射器(DPL)的發展, 固體雷射器大大提高了效率和重複頻率, 克服了熱效應等缺點, 實現單模穩定運轉, 高穩頻, 高功率, 高效率和高光束質量, 並使器件向小型化發展。正是由於固體雷射器本身的優點和近幾年來固體雷射技術的重大突破, 固體雷射雷達在成像, 遠程目標跟蹤和識別等領域呈現出巨大的發展潛力。美國率先進行了二極體泵浦固體雷射制導技術的研究。90 年代初期, 美國Hercules 防禦中心成功研製一台用於戰場監視的1.32μm 固體雷射成像雷達, 採用光柵掃描成距離像。該發射系統採用了連續波雷射二極體泵浦Q 開關Nd :YLF雷射器, 輸出峰值功率為2kW , 發散角為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 。雷射雷達使用InGaAs 雪崩二極體探測器, 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, 距離解析度為0 .25m , 最大距離為2km 。與此同時, 美國Fibertek公司研製用於直升機防撞的樣機, 雷射波長為1.54μm , 脈衝重複頻率為15kHz , 脈衝能量為100μJ , 脈衝寬度為5ns , 掃描方式採用圓周平移掃描, 已在直升機上進行了兩次試驗。對要求中等以上功率的套用而言, 二極體雷射泵浦固體雷射主動成像雷達有很大的套用前景。這種固體雷射主動成像雷達有輸出功率高、脈衝重複頻率高、體積小、質量輕、可靠性高等優點。另外套用可調諧固體雷射器和倍頻固體雷射的波長可調, 又開闢了許多新的套用領域。雖然DPL 雷射成像雷達的發展歷史還很短, 但其發展潛力是不容置疑的.

3精確制導雷射雷達

最近幾年發生的幾場高技術局部戰爭和軍事衝突中, 巡航飛彈發揮了重要的威懾和殺傷作用。巡航飛彈的突出特點是突防能力強、命中精度高、射程遠、可遠離防禦區域外發射, 是遠程精確制導武器庫中的一種“殺手鐧” , 已成為以“非接觸精確打擊”為主要特點的新作戰思想的重要支柱。巡航飛彈的發展需要進一步提高制導精度, 雷射雷達技術就是一種有效手段。

美國空軍懷特實驗室(WL)是國際上雷射雷達研究比較先進的幾個重要實驗室之一。該實驗室的一個主要研究內容就是常規武器的自主精確制導, 在雷射雷達自動尋的彈頭技術和自主目標跟蹤算法研究中一直處於領先地位。在尋的技術中, 一般可採用合成孔徑雷達(SAR)、紅外成像技術(I2R)、毫米波雷達(MMW)和雷射雷達(LADAR)。目前他們主要研究工作於1μm 的二極體泵浦固體雷射雷達系統。

美國空軍和海軍聯合完成了一項研究計畫, 即DASSL , 該計畫主要是開發和驗證雷射雷達自動尋的彈頭技術和自主目標跟蹤算法, 為空軍的小型靈巧炸彈技術和海軍的先進巡航飛彈技術服務。懷特實驗室從20 世紀80 年代就開始進行這一方面的研究, 這些計畫分別為巡航飛彈先進制導技術(CMAG)、LADAR 套用研究技術(LADAPS)和戰術雷達自動尋的彈頭技術(TLS), 最後一個計畫是先進雷射雷達系統技術, 即ATLAS 計畫。ATLAS 計畫成功地用CO2 雷射雷達對不同類型目標的自動跟蹤算法進行實驗驗證。由於沒有新技術去研究更為小型化、價格更低的CO2 雷射雷達, 隨著二極體泵浦固體雷射器技術的成熟, 他們的研究轉向了二極體泵浦固體雷射雷達系統, 以期研製小型化、低價格、滿足小型戰術的LADAR 自動尋的彈頭。懷特實驗室固體LADAR 技術的研究始於“武器制導計畫” 。經過實驗研究, 研製了一個二極體泵浦固體LADAR 原理裝置, 目前正在“低價格自主跟蹤武器劃”(LOCAAS)中套用。小型靈巧炸彈對LADAR 自動尋的彈頭在價格和體積上要求更嚴, 因此非製冷的固體LADAR自動尋的彈頭是唯一可用的方法。DASS L 還要進行微型武器技術飛行測試計畫, 旨在將LADAR 自動尋的彈頭集成於五個小型靈巧炸彈中進行投放測試以檢驗精確制導技術。

除了體積和價格因素外, 研究LADAR 自動尋的彈頭的另外原因是其可以獲得高精度、高解析度的目標和背景的三維距離和反射率圖像。這些信息是先進高效的ATA 算法所需要的, 在某些條件下, 可以直接提供目標識別和特徵點信息。能夠正確地從背景中(如其它建築物中)識別出目標是自動尋的技術的一個主要特點。工作於不同波長的高功率小型固體雷射器保證了LADAR 自動尋的彈頭技術的先進性。

現代武器系統要求對目標正確識別和精確瞄準。由於早期的武器制導系統的精度有限, 因此重點是用較大的彈頭去摧毀目標。而現在的重點是通過精確識別和打擊目標, 給敵人以致命殺傷的同時, 儘可能地減小對無辜的連帶傷害。隨著現代武器系統技術先進性的提高, 最終目的就是用一個武器去摧毀目標, 而沒有任何連帶傷害, 同時可以實時反饋去檢查戰爭的傷害。這些技術就要求在感測技術和信號處理能力上有一個飛躍。LADAR 是實現精確制導、縮小連帶殺傷的一種有效技術。

懷特實驗室的這項研究目的是研製用於小型靈巧炸彈和巡航飛彈的自動尋的彈頭, 同時要儘可能地降低價格, 以利於其它武器系統的套用。小型靈巧炸彈(SSB)、巡航飛彈(CM)、反飛彈武器、空對地遠程飛彈、直接打擊武器、AGM-130 和其它遠程武器等都與精確打擊和大範圍搜尋有一定共性。基於這些共性, 可研究系列LADAR 自動尋的彈頭, 以滿足不同的套用需求。主要技術創新應該包括:可變的脈衝重複頻率和可變的解析度以滿足成像速率的需求;增大雷射功率以提高作用距離;準確瞄準以實現更為精確的目標重建;信號實時處理技術;圖像處理技術;末段制導算法研究與驗證等。

4彈道測風雷射雷達

空基套用受風場的影響很大, 特別是對彈道操作如常規炸彈的投放等。如果已知投放點和目標範圍內的風場就可以對投放點進行調節以補償風的影響。機組人員一般是通過當地氣象站或無線電探空儀來獲得風的數據。這些數據即使準確, 在敵方上空投放並不可用。另外一種方法是機組人員在飛行過程中用空速計在不同高度測量風速, 這樣不但缺乏精度,而且還會影響飛機的安全。由於上述這些方法有很大的局限性, 因此必須發展一種機載感測器來實時精確測量不同位置的風速。

空軍懷特實驗室研製了幾種機載測風的雷射雷達, 如C130 LADAR , C141 LADAR , C130 改進型LADAR 等 。幾種LADAR 都採用Tm :YAG 雷射器, 工作波長為2021 .84nm 。C130 LADAR 裝載在C130 飛機上, 採取側視方法。掃描器進行橢圓掃描(20°水平×14°豎直), 掃描速率可從3 ～ 10s 編程。高度角範圍從-3°～ 37°(“-” 表示在翅膀以上)。該系統裝在C130E 飛機上在中國湖上空進行了飛行測試, 測試高度最大達58 .727km(17900f t)。測量風速的結果與用其它方法測量的結果非常吻合。C141LADAR 系統也進行了飛行測試, 測試結果也很好。空軍懷特實驗室最新的彈道風研究計畫主要是發展二極體泵浦、小型化LADA R 系統。整個系統包括收發系統、數據採集、數據處理、環境控制、光學掃描、慣性導航和電源等。體積和質量小於未改進系統(從原來的4441kg (2014lb) 4107m3(115f t3)縮小到617kg(280lb)893m3(25f t3)。表1 是LADAR 系統的主要參數。

該系統的主要研究目的是在飛行中測量風的剖面圖, 即距離分辨的三維實時風速, 以提高空投精度。“空投彈道風研究計畫”主要是研究一種技術以改進貨物或人從32 .808km(10000f t)高度空投精度。重點是發展第三代雷射雷達系統, 即二極體泵浦固體雷射雷達系統。

雖然雷射雷達系統可以在多種條件下工作, 但是目前的技術還不能滿足空軍的多種套用需求。除了飛行驗證和現象觀察研究外, “空軍彈道風研究計畫”一直致力於開發新技術以發揮固體雷射雷達更大的潛力。因此它們的研究重點是:研究新的固體雷射材料和結構;設計出更加有效的雷射腔;研究新的泵浦二極體波長等。隨後的發展重點是研究小型化10W的人眼安全的固體雷射雷達系統, 以期在所有飛機上部署。

5直升機防撞雷射雷達

軍用飛機總是儘可能地降低飛行高度, 以免被敵人的監視系統發現。飛行速度較快的飛機飛行高度一般在30m 左右, 而直升機的飛行高度甚至低至2 ～3m 。兩種情況的飛機都會受到地面障礙物的威脅。通常飛行員在飛行過程中總是通過自己的眼睛去發現障礙物而迴避它。在晚上或能見度比較低的情況,需要靠前視紅外系統(FLIR)或傳統雷達輔助發現障礙。高壓電線等是直升機的致命障礙物, 因為人眼即使在晴朗的天氣也很難分辨出電線, 而傳統雷達波長較長, 所以對電線類障礙物探測也是無能為力。由於雷射雷達波長很短, 所以很適合用於直升機防撞。用於直升機防撞的雷射雷達的研究一直是軍方研究的重點。如英法合作研究的直升機防撞CO2多模雷射雷達系統(C LARA)已經成功地在“美洲獅”直升機和“HS 748” 直升機上成功地進行了掛飛試驗 , 也有用於飛機防撞的半導體雷射雷達。CO2雷射雷達體積大、價格高, 而半導體雷射雷達的作用距離很有限, 因此限制了它們的套用。Fibertek 公司成功地研究了用於直升機防撞的二極體泵浦固體雷射雷達系統(HLR。雷射器採用先進的高重複率的二極體泵浦固體雷射器, 工作波長為1.54μm , 對人眼安全。雷射雷達系統包括兩個部分:感測器和電子單元。感測器包括發射機、接收機和掃描器及其它光學部分;電子單元包括:計算機、數據採集和視頻硬體部分、計時電路、電源、冷卻部分等, 同時有一個地面站配備工作站和視頻設備協助進行信號處理。

雷射在直升機前方進行大範圍掃描, 掃描器由兩個雙楔形矽稜鏡組成, 一個光楔旋轉形成圓形掃描光斑, 另一個光楔前後振動以移動圓形掃描光斑。掃描器有效孔徑為8 .2m(2.5f t)。

在進行直升機掛飛實驗前, 進行了大量的地面試驗。可探測到440m 外1cm 直徑的電線, 入射角為60°左右。運用信號平均法還可以探測到5km 外的樹。

從1994 年1 月起, Fibertek 公司就已經在UH -1H 直升機上進行了大量的掛飛實驗, 獲得了大量的二維圖像, 成功地實現了對障礙物的探測。

二極體泵浦固體雷射雷達是一項比較新的探測技術。價格低、體積小, 除了在軍事上有廣泛套用外,還有很大的商業價值, 主要包括:武器制導、目標識別、機器人視覺、自動檢測、防撞、地形跟隨、全球風場測量、生物戰劑探測和環境污染監測等。二極體泵浦固體雷射雷達是一項有重大套用價值和發展潛力的技術。