固體雷射雷達

固體雷射雷達的最新進展是半導體雷射雷達和二極體泵浦固體雷射雷達。

基本介紹

• 中文名：固體雷射雷達
• 外文名：solidlaser radar

1發展現狀

半導體二極體雷射成像雷達

半導體二極體雷射器以其體積小, 質量輕, 堅固可靠, 高效率(可達30 %), 高重複頻率和潛在的低成本, 以及可採用非製冷高靈敏度APD 探測器的特點, 成為小型雷射雷達的優選光源。80 年代中期以後, 隨著二極體雷射器在提高輸出功率, 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, 國際上開始發展二極體雷射雷達。其套用背景主要是巡航飛彈下視雷達和武裝直升機前視電線防撞, 近距戰術武器精確制導等。

1985 年年底, 美國空軍懷特(Wright)實驗室開始了一項研究計畫, 以確定二極體雷射雷達作為制導感測器的可行性。Schw artz 光電公司研製了獨有的目標識別和分類算法的實時二極體成像雷射雷達系統。1989 年在塔上試驗獲得成功。1990 年作飛行試驗, 試驗中雷射發射器採用二極體陣列, 其發射功率為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。機載二極體雷射成像避障雷達的研製也取得了很大進展。法國Thomson-TRT 公司研製了HOWARD 雷射雷達系統, 用於直升機障礙物告警。採用二極體雷射器作發射源, 發射脈衝峰值功率為100W , 重複頻率為20kHz , 採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 公司研製的直升機防撞告警系統(OASYS)二極體雷射成像雷達系統, 採用圓周平移掃描, 發射脈衝能量為8μJ , 重複頻率為64kHz , 視場為25°×50°, 對2 .5cm 電力線的成像距離大於400m 。

80 年代, 半導體雷射雷達原理實用化研究取得較大進展。1990 年美國公布了巡航飛彈的調幅連續波相位測距紅外雷射測高儀的專利(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)都介紹了連續波雷射測高儀。1991 年和1992 年美國國防部明確提出了近程(3～10km)半導體相干雷射成像雷達的發展計畫。1991 年進行了前視和下視的掛飛試驗, 驗證了直升機測障迴避, 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展二極體雷射主動成像雷達。二極體雷射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來減小束散。這對要求遠距離成像的戰術套用帶來困難, 因此, 在一個時期內還需作許多工作才能滿足要求。

二極體泵浦固體雷射成像雷達

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.

2 微型DPL 脈衝雷射雷達

DPL 雷射器具有對人眼安全、大氣消光比低、光學系統便宜以及可採用光纖光路和集成光學技術和結構小型化等優點。它克服了Nd :YAG 雷射器只能測距和測角, 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, 可靠性優於CO2 雷射器,因此90 年代得到迅速發展。目前, 已經實驗用於相干都卜勒雷射雷達、距離成像、障礙物迴避等方面, 在機載、彈載和星載平台中具有較大的競爭力。商品化進程也十分迅速,從第一台DPL 雷射器研製成功, 到商品化雷射雷達僅用了4 年, 且價格迅速降低。

90 年代初, 短脈衝相干的都卜勒Nd :YAG 雷射探測系統的距離解析度為1m , 用於1km/s 的高速目標的都卜勒測量。其波形為1.06μm 的8μs 短脈衝採用相干接收方式。用波長為2.1μm 及2.09μm 的Tm , Ho :YAG 雷射器製成的全固態雷射雷達系統脈衝能量約為22mJ , 脈衝重複頻率為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 的半導體二極體泵浦Nd :YLF 雷射成像雷達系統包括二極體泵浦、Q 開關Nd :YLF 雷射發射機、雷射接收機、距離計數器, 測量2km 距離的目標陸續試驗成功。迅速開發了商品化的雷射雷達。微型脈衝雷射雷達系統是美國國家航天局(NASA)哥達德航天中心研製的一台科學儀器的初樣樣機。通過技術轉讓實現了商品化。微型脈衝雷射雷達是一種對人眼安全、結構緊湊和自動操作的雷射雷達, 可用於大氣中雲的輪廓和氣溶膠濃度的探測。對科研或全天候無人值守的雲和氣溶膠的高度和結構的測量等環境監測是一件理想的工具, 與傳統的雷射雷達相比性能和效率均有創新。微型脈衝雷射雷達系統是至今唯一的一種低成本和使用方便的小型系統。空氣動力學、天氣研究和環境監測的套用僅是該系統可能的利用領域。系統的模組設計有多種修改, 以滿足不同套用的需要。系統可以在距離解析度和其它性能方面升級,或提高可靠性以滿足航天需要。

工作原理微型脈衝雷射雷達系統的基本結構如圖所示。微型脈衝雷射雷達從發射機發出高功率的雷射脈衝直接在大氣中傳輸, 並與氣溶膠和大氣分子發生相互作用。它們引起的後向散射能量由系統的接收器接收。回波信號提供了許多大氣組分和動力學的信息。距離解析度由雷射脈衝從發射機到返回接收機的時間來決定。系統的發射部分是二極體泵浦Nd :YLF 雷射器, 發射的雷射脈衝波長為523nm , 脈寬為10ns , 重複頻率為2500Hz , 能量為10μJ 。通過施密特-卡塞格輪望遠鏡天線同軸地將脈衝發射出去, 並接收目標的反射信號, 將之轉變為電信號, 隨後輸入到數字處理器中。數據由安裝在系統架子上的IBM/PC 兼容機採集、存儲和分析。性能特點對人眼安全:微型脈衝雷射雷達在任何距離對人眼都安全, 符合ANSI Z136-1986 雷射安全防護標準允許的最大能量(MPE), 並且符合美國國家航空局(FAA)的傳輸輻射安全標準。它是通過適當的擴束和重複頻率達到的。

信號探測靈敏度和系統作用距離:在低壓電源下,MPL 可以提供高速的信號探測性能, 並具有低系統噪聲和高量子效率(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)之間雲和氣溶膠的散射。

物理尺寸:系統的體積小, 質量輕, 在外場可以按一定方式排列布置, 並可在較大的空間範圍內進行觀測, 不需要笨重的穩定平台和架子。

3半導體雷射成像雷達

半導體二極體雷射器以其體積小、質量輕、堅固可靠、高效率(可達30 %以上)和潛在的低成本,在雷射成像技術套用方面具有很大的潛力。半導體雷射器的典型器件為GaAs 和GaAlAs 雷射器, 波長為0.85μm 和0.94μm 。長期以來, 因為其輸出功率較低而僅限於空間飛行器的交會制導。然而,隨著金屬有機化學汽相沉澱工藝和量子阱器件結構的問世, 以及高功率、高效率雷射二極體, 特別是二極體陣列器件的發展, 為半導體雷射雷達的套用帶來了生機。目前單個100μm 條寬的半導體雷射二極體最大輸出功率已達3.7W , 200μm 條寬的器件在7W 輸出功率下, 工作壽命可達10000h , 並已商品化。1cm 長的線陣器件和連續輸出功率可大於13W , 二維陣列堆的功率密度已達3kW/cm2 , 預計2000 年前可推出100W 或更大連續波相干輸出的可調諧二極體雷射陣列。

目前, 半導體二極體雷射器成像檢測系統已研製出幾種試驗樣機, 主要用於武裝直升機障礙迴避和地物探測。預計, 隨著高重複頻率高功率半導體二極體陣列雷射器的實用化, 半導體雷射成像雷達將會廣泛用於各種平台。儘管目前仍採用直接接收方式, 但採用相干接收方式也有巨大潛力。雷射成像系統是一種高靈敏度的探測技術, 無論採用何種雷射器和探測體

制, 其關鍵技術之一都是圖像處理。因此, 研究圖像處理算法並研製性能優越的圖像處理硬體對於雷射成像雷達至關重要。

Schwartz 公司系統是一個單通道成像系統[ ,它的主要技術分為兩個部分:單通道雷射直接接收測距機和目標輪廓算法。圖給出單通道雷射成像系統硬體組成框圖, 其中發射機部分採用單元半導體二極體, 其輸出脈衝功率為60W 、脈寬為6ns 、重複頻率為9kHz 。接收機是直接接收方式。發射機和接收機之間用光纖傳送啟動脈衝。掃描系統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°, 攜帶型計算機除控制掃描反射鏡外, 還能夠利用其所配備的數位訊號處理外掛程式來處理距離和反射率數據, 形成彩色距離圖像, 並執行目標分類算法。對地面坦克進行靜態成像試驗, 獲得了坦克三維偽彩色圖像和反射強度圖像, 藉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體和軟體是有效的。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, 又研製了24 通道實時成像二極體陣列雷射成像。對目標的最大測程為500m , 幀頻為3Hz , 視場為4°×10°, 適於機載試驗的結構, 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。

4固態雷射成像系統發展的技術關鍵

高功率高波束質量的輻射源

較遠測程(數百米以上)的二極體雷射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射波束。目前商品化的二極體雷射器雖可分別達到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。一種可能的途徑是採用面發射分布反饋(SEDFB)的二極體雷射器陣列和微光學(MOC)準直技術。一個40 陣列, 採用微透鏡組1.3cm ×10cm 孔徑, 得到0.5 ～ 0.75mrad 發散度的10W 連續輸出功率。當然, 為了實現這樣的準直效果, 必須對微光學系統進行精心設計加工, 使其達到1μm 的絕對準直精度, 採用雷射輔助化學腐蝕工藝製造微光學系統, 可以滿足這一要求。在具體設計時, 必須對孔徑尺寸, 波束髮散度和輸出功率進行合理的折衷。

高靈敏度接收技術

在電路和光學系統一定的條件下, 接收機的靈敏度通常用信噪比頻寬積來衡量, 主要取決於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越。然而對於實際的工程設計, 還必須考慮套用背景、技術難度、複雜性、體積、質量和成本等因素, 以實現系統綜合性能的最佳化。綜合考慮信噪比, 準直精度要求, 戰場環境適應性、複雜性、可靠性以及成本因素, 在中等接收信號功率條件下, 應優選APD 直接探測體制。採用總頻寬大, 每一通道頻寬窄的匹配濾波器的設計和接收信噪比控制技術, 使APD 處於最佳工作狀態等對提高靈敏度也很重要的。

高性能二維掃描技術

雷射成像防撞雷達通常要求具有大的掃描覆蓋範圍(36°×60°), 成像速率高(1 幀/s 以上), 圖像失真小(掃描線性範圍大), 而且對掃描機構的體積和質量均有嚴格的限制, 必須研製高速率、大範圍、高精度和線性好的高性能小型化的掃描器。通常採用多面體轉鼓和振鏡體制, 但其線上性範圍、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

雷射成像技術的主要功能是通過成像發現和跟蹤目標, 識別其特徵, 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境監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徵識別是項關鍵技術。

高速單板機、單片機和算法的發展, 使這一問題得以解決, 並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於判斷規則的分類算法, 後者主要有中值濾波、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字地圖、雲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。一些新的更複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多頻率數據關聯和相關的自適應多維處理算法, 以及基於工程的模型算法和基於函式基集的子波結構等, 尤其是人工神經網路技術的引入, 將大大提高複雜背景中自動分離、分類和識別目標的能力。