成像雷射雷達

成像雷射雷達是雷射技術、雷達技術、光學掃描及控制技術、高靈敏度探測技術及高速計算機處理技術的綜合新技術產物。成像雷射雷達是雷射雷達對硬目標探測的一種綜合套用,其中結合了測角,測距,測速等多種雷射雷達功能,從成像雷射雷達的發展可以了解雷射雷達對硬目標探測的研究現狀。

基本介紹

• 中文名：成像雷射雷達
• 外文名：imagingradar

1 簡介

雷射雷達的套用十分廣泛, 已從地面發展到空中, 從空中發展到太空, 從陸地發展到海面, 從海面發展到水下, 並涉及到多個學科領域。它有著常規雷達不可比擬的優勢, 無論在軍事上還是在民用上都有廣闊的套用前景。成像雷射雷達套用研究開始於20 世紀70 年代, 與非成像雷射雷達相比, 除了功能上不同外, 研究的費用和難度也要大大高於非成像雷射雷達。

成像雷射雷達是雷射技術、雷達技術、光學掃描及控制技術、高靈敏度探測技術及高速計算機處理技術的綜合新技術產物。成像雷射雷達可採用多種工作體制, 如採用單元探測器的掃描成像與採用陣列探測器的非掃描成像。採用單元探測器的掃描成像作用距離可以很遠, 但是成像速率會受到一定的限制;採用陣列探測器的非掃描成像雷射雷達可以以很高的速率成像, 但是需要泛光照射目標, 所以作用距離不會太遠。目前, 可用於雷射雷達的掃描器可分為三種:力學、電學和二元光學掃描器。由於其具有較高的角度解析度和距離解析度, 可以同時成目標的強度像和距離像, 還可以成高解析度的三維圖像, 所以非常適合於在軍事上發展智慧型武器, 套用領域主要集中在武器制導方面。

2發展歷史

1967年,位於美國MIT的Lincoln實驗室研發了第一台相干C02雷射雷達,並於1972年開始投入研宄陸基10.6^111波長的雷射都卜勒雷達,代號“Fire Pond",該雷達使用CO2雷射器和四象限HgCdTe探測器。此後在不斷研宄過程中,先後為該型雷達加裝了髙功率雷射雷達功率放大系統(LRPA),5種不同功能的光電感測器,可程式寬頻波形發生器,寬頻雷射接收器,模擬拉伸處理器等新設備。1990年,該雷達首次獲得了距離為800-1000km的在軌海洋衛星的距離-都卜勒圖像,同年,在Firefly實驗中,成功識別了 800km外的模擬飛彈彈頭,兩年後,又獲得了距離1500km的在軌衛星圖像。2002年美國海軍實驗室的報告報導了基於1550nm波長的光纖雷射器實現了 2維合成孔徑成像雷射雷達演示實驗,這是第一個具有合成孔徑雷達技術意義的雷射雷達成像實驗。2003年美國Raytheon公司提出了一種人眼安全的單脈衝三維Flash雷射雷達其研製了一種以HgCdTe為材料的APD陣列探測器,其維數為10x10和64x48,並開發了相應的讀出電子學晶片,對每個像元的數據進行讀取 ,釆樣時間只需3ns,這種雷射雷達可以實現對1.5km遠的電纜和4km遠處的卡車進行成像。

2 .1 　CO2 成像雷射雷達的發展現狀

美國在雷射雷達及其套用研究處於領先地位。20 世紀80 年代美國大力發展了成像雷射雷達技術。林肯實驗室、Loral Vought 系統公司、Ford 航空航天公司、休斯飛機光電和數據系統集團、懷特實驗室和Martin Marietta 奧蘭多航天中心等多家研究機構, 完成了成像雷射雷達外場實驗, 證實了成像雷射雷達在複雜背景下探測和識別目標的能力。根據報導, 目前唯一在巡航飛彈上作為雷射地形輪廓匹配系統套用的是AGM -129 戰斧式巡航飛彈上的成像雷射雷達, 它採用10 .6um 的CO2 雷射器。CO2 相干成像雷射雷達的研究始於20 世紀70 年代, 於1978年研製出第一台三維成像外差雷射雷達樣機, 突破了傳統的成像觀念, 引起了廣泛的興趣和重視。隨著小型化、高性能CO2 雷射器和圖像處理技術的發展以及軍事的需求, 使得多功能CO2 雷射相干成像雷達在整個80 年代獲得了迅速發展, 到90 年代初,已有數種樣機問世並開始進行演示性試驗。HgCdTe 探測器是用於CO2 相干雷射雷達研究中的探測器, 已經可以製造出二維多元陣列HgCdTe探測器, 如640 ×480 元陣列, 為陣列探測CO2 相干雷射雷達的研究提供了保證。美國OakRidge 國家實驗室研究了工作於10 .6um 的陣列探測相干雷射雷達, 提出了採用二維陣列HgCdTe 探測器進行相干成像, 並用一個30 ×30 元二維HgCdTe 探測器進行了實驗研究。

10 .6um CO2 雷射具有優越的大氣傳輸性能, 特別是在煙霧條件下有極強的穿透能力以及良好的相干性, 易於實現外差探測, 而且外差探測靈敏度比直接探測靈敏度可提高几個數量級。目前, CO2 雷射外差主動成像的信號體制主要有:聲光(A -O)調製連續波外差體制, 線性調頻脈衝壓縮體制和窄脈衝外差體制(電光調Q);CO2 雷射外差主動成像的光學成像方式基本有三種:一為多元陣列探測凝視成像方式;一為單元探測二維掃描成像方式;此外, 還可把上述兩種基本方式結合折衷成為又一種多元掃描成像方式, 以提高成像幀頻。CO2 相干雷射雷達的研究已經歷了近三十年的時間, 也取得了很大突破。然而, 由於CO2 雷射成像雷達的體積比較大、研製成本較高, 而且探測器需低溫製冷等, 其在套用中的競爭力受到制約。

2 .2 　半導體成像雷射雷達的發展現狀

2 .2 .1 　半導體成像雷射雷達

最近十幾年, 全固態小型成像雷射雷達成為各國軍方研究的熱點。20 世紀80 年代中期以後, 隨著半導體雷射器在提高輸出功率和改進光束方向性能以及探測器降低探測閾值等方面取得的重大進展, 半導體雷射主動成像雷達應運而生。美國Sandia國家實驗室, 研製了一種125mW 半導體雷射的測距、成像雷射雷達, 它能夠以每秒4 次的速度更新圖像;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, 又出現了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°, 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。半導體雷射雷達的優點是體積小、重量輕、造價低、使用壽命長、可靠性高和低功耗等;缺點是相干性較差因而只能採用直接探測。

2 .2 .2 　非掃描成像半導體雷射雷達

非掃描成像半導體雷射雷達能同時進行被動強度成像(即不用雷射照射時的成像)和主動強度成像(即主動照明時的成像), 還可進行強度成像和速度成像。而且由於焦平面陣列器件的採用, 使各種成像的速率都非常高。這就為先進的實時圖像處理提供了先決條件, 這也是掃描半導體雷射雷達所達不到的。採用非掃描成像技術還可大幅度提高雷射雷達的作用距離。現有的掃描式半導體雷射雷達中,由於掃描速度和孔徑要滿足一定要求, 限制了寬光敏面積光源的使用。而大功率的半導體雷射器, 特別是大功率陣列雷射器都是擴展型光源, 具有很寬的發光面積, 因而受到限制。其次, 掃描式雷射雷達每像素對應的光電積分時間很短, 因而掃描半導體雷射雷達的信噪比不高、作用距離短, 一般都小於1公里。

非掃描成像半導體雷射雷達系統在去掉了複雜笨重的掃描裝置同時, 也為採用擴展型光源提供了可能性。同時, 焦平面陣列探測器的使用, 每像素的光電積分時間可以相應的提高n 倍, n 為總的像素數。而且還可採用高靈敏度的像增強器件, 因此其接收靈敏度比掃描雷射雷達系統高很多。所以, 為了增加半導體雷射雷達作用距離(例如增大到10 公里, 使之可以滿足一般戰術需要), 採用非掃描成像技術, 即焦平面成像技術, 是比較好的解決方案。20世紀90 年代, 一種僅適用於半導體雷射主動成像雷達的“非掃描器半導體雷射主動成像雷達” 已由美國Sandia 國家實驗室研製成功。這種雷射雷達系統克服了傳統的掃描雷射雷達幀率低、視場小、體積大等問題, 具有高幀率、寬視場、堅固、體積小等特點,特別適用於半導體雷射主動成像雷達導引頭, 這可能是今後半導體雷射主動成像雷達的重點發展方向。該非掃描半導體雷射主動成像雷達, 採用距離成像方式, 最大作用距離1km, 距離解析度可達15 -1cm。其雷射器光源部分由時間積分電荷耦合器件CCD 陣列照相機記錄, 這種方法通過測量在光學接收系統光亮度調製的相位移動與參照物的比較來確定目標物體的距離。但是由於成像元素和幀頻速率的限制, 這種方法的成像速率不可能很快, 因此會產生距離模糊, 作用距離和解析度受到影響。

美國Arete 機構研製了一種最新的、高解析度的條紋管成像雷射雷達STIL, 使上述情況得到改善。STIL 技術套用極短的脈衝, 這種系統即便在散射率很高的媒質也能給出相當精確的測量精度。條紋管比較低的背景噪聲和暗電流噪聲使每一像素的滯留時間很短(≤1ns), 這樣就克服了僅靠擴大CCD陣列的尺寸和幀頻率來提高成像像元素和幀頻速率的限制。條紋管通過靜電掃描獲得不同的距離信號, 並被CCD 陣列捕捉成像。STIL 系統有很廣的套用領域, 如醫療成像、電光鑑別、高解析度的海洋攝像、空中監控, 等等。90年代末, 美國空軍研究實驗室與Arete 合作, 將這項技術套用到目標自動識別的巡航飛彈上, 條紋管能利用雷射的高重複頻率(10 -20KHz), 使得CCD 陣列上每一單元堆積較多的脈衝數, 並以不太高的幀頻(150Hz)讀出信噪比改善的像信號, 這就不需要雷射器具有太高的能量, 從而壓縮了雷射器的尺寸, 減少了重量, 降低了成本。其性能參數可達到如下數據:視場角47 .6°, 像元數256 *1024 , 平均功率10W ,脈寬8ns , 重複頻率20KHz , 距離解析度約15cm , 作用距離能達到1 -2km。同時,Arete 正在研製一種新的運算規則, 它被用於紅外探測器來探測和跟蹤貼海面飛行的亞音速巡航飛彈, 這種探測器能夠監控飛彈位置和速度的變化, 能最大化地提探測機率,極大地降低虛警機率。

這裡的線性調製脈衝信號是一個簡單的正弦波, 它的頻率在經過周期T 後增加ΔF , 然後又返回到原來的頻率值。距離解析度ΔR =c/(2ΔF);fif =ΔF(τ/T), τ=2(D/c), D 為目標到探測器的距離, 因此, fif =2ΔF(D/cT), 可以看出fif正比與目標到探測器的距離;通過對fif傅立葉變化可以得到我們所需要的距離信息。將這種技術套用到調製頻率為1 -2GHz , 輸出功率為4W 的半導體雷射雷達上, 距離解析度小於0 .3m, 作用距離可達幾千米。

2 .3 　二極體泵浦固體成像雷射雷達

二極體泵浦固體雷射器(DPL)的發展, 給固體雷射雷達技術注入了新的活力。二極體泵浦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。正是由於二極體泵浦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。20世紀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 .32um 固體雷射成像雷達,採用光柵掃描成距離像、InGaAs 雪崩二極體探測器,最大距離為2km , 距離解析度為0 .25m。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 .54um, 脈衝重複頻率為15kHz , 脈衝能量為100uJ , 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。最近美國Intevac 公司開發一種距離選通雷射照明二維成像系統, 它工作在對人眼無害的新波段。該系統採用傳輸電子光電陰極(TEPhotocathode), 工作波段為1500 -1600nm 。採用雷射脈衝照射目標區域(FLIR 或SAR 確定的目標), 可以實現遠距離偵察。LIVAR 採用閃光燈泵浦,OPO 移相Nd∶YAG 雷射器, 能量為6mJ , 波長為1570nm, 重複頻率為30Hz , 與帶有TE 光電陰極的EBCCD 組成的原形樣機, 可以識別5km 之外的目標。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。脈衝雷射信號經擴束至目標, 再經目標反射進入接收光學系統, 回波信號經場鏡會聚至APD 光敏面。　MIT Lincoln lab 一直潛心研究APD , 它可以用精確的光子計數代替傳統的光強測量, 現在實驗室正在通過加大APD 的電壓水平使其產生失控效應, 從而達到更高的靈敏度。探測器前放的輸出信號送入數據採集系統, 採樣後送入計算機, 進行必要的濾波和信號處理, 提取信號, 獲得測量值。為了減小背景噪聲及其他噪聲的影響, 在APD 前面還加了一個窄帶濾光片。整個系統都是在計算機的控制下實時進行的。通常, 雷射雷達回波信號的獲取是採用瞬態記錄儀。對一個高重複頻率的雷射雷達系統來說,瞬態記錄儀已經不能滿足處理的要求, 因此, 在高重複頻率的二極體泵浦固體雷射雷達系統的研究中,研究採用高速數據採集系統(數據系統)是非常必要的。特殊的Ladar 系統採用數字濾波器, 如有限衝擊回響濾波器(FIR), 用於從回波信號的數字採樣中提取距離信息過程中信號的相關和卷積。FIR 濾波器是一個離散線性時變系統, 它的輸出是基於過去有限個輸出的加權和。FIR 濾波器完成卷積, 或回波信號的數位化脈衝與另外一個信號的卷積。卷積的結果就是回波信號和模板的相關。LADAR 系統可以通過測定哪個離散採樣與模板有最大的相關, 從而確定距離。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 成像雷射雷達的發展歷史還很短, 但其發展潛力是不容置疑的。目前, DPL 全固態成像雷射雷達已成為各國研究的熱點, 也是今後成像雷射雷達的一個發展趨勢。