雷射導航系統是伴隨雷射技術不斷成熟而發展起來的一種新興導航套用技術，適用於視線不良情況下的運行導航、野外勘測定向等工作，將它作為民用或軍用導航手段是十分可取的。雷射船舶導航系統仍處於起步階段，系統的整合仍需進一步加強，但可以預見，隨著雷射導航技術的不斷豐富和完善，必將會引起導航技術研究的新一輪高潮。
基本介紹
- 中文名：雷射導航系統
- 外文名：laser navigation system
- 套用：海陸空，軍事，民用等
- 原理：與雷射測距技術原理相通
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產生背景
光學作為一門學科在兩千多年前就被人們所研究，1665年，牛頓進行太陽光的實驗，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分布——光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特徵，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。1960年，西奧多·梅曼用紅寶石製成第一台可見光的雷射器；同年製成氦氖雷射器；1962年產生了半導體雷射器；1963年產生了可調諧染料雷射器。由於雷射具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發現以來，得到了迅速的發展和廣泛套用，引起了科學技術的重大變化。同時雷射的方向性也受到了軍事學家的關注，並在21世紀的新生代武器——飛彈上得到了廣泛套用，從而產生了雷射導航（制導）飛彈。之後又出現了太空飛行器雷射制導、機器人雷射導航系統和民用雷射導航設施。
形式
雷射駕束制導，
雷射半主動式自動導引，
雷射主動式自動導引，
雷射傳輸指令制導。
原理
雷射導航看似“高大上”，但其基本原理其實與雷射測距相同，即機器通過測量雷射從發出到接收的時間計算出自身距離前方障礙物的距離。只不過雷射測距測量1次即可，而雷射導航則是需要進行更多點位的測距，以此標定機器自身位置，就像在一個三維坐標內標定一個點需要三個坐標一樣，雷射導航也需要進行多點測距，甚至是每秒若干次的360度連續掃描，一次記錄機器在空間內的運動路徑。
雷射駕束制導原理
雷射接收器置於被導航設備上，發射時雷射器對著目標照射，發射後的該設備在雷射波束內飛行。當其偏離雷射波束軸線時，接收器敏感偏離的大小和方位並形成誤差信號，按導引規律形成控制指令來修正該設備的飛行。光束編碼是駕束制導的關鍵技術，雷射駕束制導武器系統對被導航設備的控制的關鍵是要形成具有編碼信息的雷射駕束控制場。雷射駕束的編碼方案有多種，如數字編碼、空間偏振編碼、空間掃描以及調製 盤空間編碼等，其中雷射空間頻率編碼方式套用較廣。該方式抗干擾性能好，解碼方式簡單，易實對光強分布均勻性要求不高，但對調製盤轉速穩定性要求嚴格。
雷射半主動式自動導引原理
也稱雷射半主動尋的制導。雷射半主動尋的制導是將攻擊用彈頭與指引目標用的“雷射目標指示器”分開配置的。攻擊時，先從地面或空中用雷射目標指示器對準目標發射雷射束，發射或投放的攻擊性彈頭前端的“尋的器”就會捕獲由目標表面漫反射回來的雷射，並控制和導引彈頭對目標進行奔襲，直至擊中目標並將目標炸掉。由於雷射束的方向性極好而且發散角極小，因此，雷射制導武器命中精度極高，可以說指哪兒打哪兒。如美國生產和裝備的“寶石路”雷射制導炸彈，其命中精度已達到1. 5米。
雷射主動式自動導引原理
雷射傳輸指令制導原理
是用雷射脈衝代替紅外半自動指令制導中用來傳輸控制指令的導線。彈上接收機用雷射接收器。雷射脈衝經編碼後發射出去，如採用哈明碼(一種能自動糾錯的碼)對雷射脈衝進行編碼。雷射波束方向性強、波束窄，故雷射制導精度高，抗干擾能力強。適合進行信息信號的傳輸。
套用
戰爭軍事上
（1）雷射導航的基本原理是：用雷射器發射雷射束照射目標，裝於彈體上的雷射接收則接收照射的雷射信號或目標反射的雷射信號，算出彈體偏離照射或反射雷射束的程度，不斷調整飛行軌跡，使戰鬥部沿著照射或反射雷射前進，最終命中目標。
（2）制導方式：半主動制導、主動制導、波束制導
（3）特點：
優點：命中精度高、捕獲目標靈活、作戰實效成本低、導引頭成本低、抗干擾性能好、操作簡單、可同時攻擊多個來襲目標（即把雷射信號經過編碼以數個指示器分別控制數枚飛彈，打擊來襲目標）、結構簡單、抗干擾性能好等
不足：受大氣及戰場影響較大，不能全天候工作等。
（4）飛機套用：雷射導航系統包括至少能產生兩道雷射先束的裝置，它產生的光束射向螺旋槳葉片背面的反射表面上，以便告訴駕駛員飛機在哪個方向上偏離了預期的航線。反射表面位於靠近單發動機飛機的螺旋槳葉片上端的背面，以便提供一個雷射光束反射而造成的亮點的顯示表面。雷射光束把光射向飛機頭部的左側或右測的由於螺旋槳旋轉形成的環形帶上，這個產生的亮點，告訴駕駛員飛機的方向或偏右，駕駛員就應該操縱飛機朝著預期的航線飛行。
橋區船舶導航上
橋區雷射船舶導航系統是一種引導船舶安全通行橋樑河段的輔助系統，它由橋區雷射導航指引系統和橋區船舶位置判定系統兩部分組成，其中橋區雷射導航指引系統起著視覺航標的作用，為船舶指引航路；橋區船舶位置判定系統則是通過數學模型計算，為船舶展示實時動態信息。通過2種系統的整合，能夠實現航路的直觀顯示，幫助船舶駕駛人員對錯誤航向作出合理修正，以實現精確導航，保障船舶安全通過大橋區域。
橋區雷射導航系統設計
橋區雷射導航指引系統由4道中等強度雷射光束組成（如圖1所示），左右橋墩分別安裝一台雷射發射裝置（左岸為綠光，右岸發射紅光），給駕駛員標示出橋墩準確位置；另兩台雷射發射器則安裝在橋樑安全通行中心線附近（燈質為黃光），一台雷射發射器向水面（如果橋樑淨空高度較低，也可向上方發射）垂直發射一條雷射，另一條雷射以45°角向迎船向發射，為駕駛人員標出安全的航線。為避免光線過多產生干擾，本系統主要安裝在下水航線一則。
根據船舶位置的不同，駕駛人員通過觀察雷射射線會出現以下3種情況：
1）橋樑安全通行中心線重合為一條直線，即表明船舶正沿著中心線駛過橋區河段，航向正確。
2）橋樑安全通行垂直射線在斜向射線的左側時，表明船舶行駛靠左。
3）橋樑安全通行垂直射線在斜向射線的右側時，表明船舶行駛靠右。
機器人領域上
在機器人領域，雷射雷達感測器被用於幫助機器人完全自主地應對複雜、未知的環境，使機器人具備精細的環境感知能力。經過對不斷的最佳化，雷射雷達感測器已經基本實現了模組化、小型化，且由於其套用範圍廣並開始向更多的民用領域延伸，智慧型掃地機器人便是熱門的套用領域。
原理：
利用雷射的不發散性對機器人所處的位置精確定位來指導機器人行走。
雷射頭安裝在機器人頂部，每隔數十毫秒旋轉一周，發出經過調製的雷射。收到經調製的反射板的反射光時，經過解調，就可以得到有效的信號。由雷射頭下部角度數據的編碼器，計算機可以及時讀入當時收到的反射信號時雷射器的旋轉速度。
在機器人的工作場所預先安置了具有一定間隔的反射板，其坐標預先輸入了計算機。
性能
單台基本價格
國內的30萬-50萬，國外技術，國內套用的，60萬起步，國外進口的85萬起步
基本配置
導航：雷射導航儀（德國SICK） 控制：工控機，馬達控制器（歐美進口），數據採集器 驅動總成：舵機（歐美進口）車體及移載方式：定製 安全感測器：270度區域雷射的，一般採用德國SICK
採購成本：較高
地面施工：施工最小
適用環境：室內工況
系統柔性：最好
導航精度：+/-5mm
運行速度：85m/min
使用維護成本：最小
技術成熟：成熟
適用裝載方式：叉車式，輥筒移載，牽引型
後期改造成本：小，不影響生產
現狀發展
賽普拉斯推出首款可程式單晶片雷射導航系統（顯著簡化了滑鼠設計與製造流程）
賽普拉斯半導體宣布推出第二代雷射導航產品系列，這是業界首款在單晶片上集成雷射導航感應器與具有快閃記憶體的可程式微控制器產品。全新OvationONSTM Ⅱ雷射導航片上系統集成了可程式CPU、USB接口及高度可配置的電源管理單元。採用賽普拉斯OptiCheck專利技術。OvationONSⅡ產品能與光學鏡頭方便地組裝成雙構件產品，其尺寸僅為8mm*8mm*4mm.甚至能完全放進AA電池接頭裡去，該產品不僅集成度高，而且還具有可程式性，從而顯著簡化客戶的設計與製造流程。
OvationONSⅡ雷射片上系統採用賽普拉斯0.13μm SONOS混合混合信號工藝技術。可確保低功耗與高性能。OvationONSⅡ系列產品的工作電壓範圍為0.8V ～5.5V。因此只需一節AA電池就能滿足有線和無線連線套用需求。該系列產品高度靈活的架構採用賽普拉斯PSoC 混合信號陣列技術，有助於加快設計方案上市進程。並可通過賽普拉斯的PSoC Designer軟體工具進行系統調試。PSoC Designer可提供預構建的拖放式用戶模組，從而設計人員能夠快速完成各種重要元素的設計工作。
OvationONSⅡ片上系統在封裝中集成了垂直腔面發射雷射器（VCSEL)。滿足一級人眼安全需求。該產品毋需對VCSEL進行電源校準。也不用在客戶廠房進行光學定位，從而顯著簡化了製造工藝並降低了組裝成本。此外，該系列中的所有產品共享同一外引腳且具有機械兼容性，因此客戶無需改變PCB布局或修改機械系統，能同時滿足多種不同產品需求。
