雷射束遙感

雷射束遙感就是利用雷射束對被測目標進行遠距離感測。其關鍵技術在於光源與探測器，主要優點為精度高、信息量大、設備小。可套用於距離的雷射遙測、雷射偵查與監視、雷射對抗等等領域。

基本介紹

• 中文名：雷射束遙感
• 外文名：Laser Remote Sensing
• 優點：精度高、信息量大、設備小
• 所屬學科：信息科學
• 套用：距離的雷射遙測、偵查與監視等
• 關鍵技術：光源、探測器

簡介

雷射束遙感，又稱雷射遙感，就是利用雷射束對被測目標進行遠距離感測。將雷射用於回波測距和定向，並通過位置、徑向速度及物體反射特性等信息來識別目標。它體現了特殊的發射、掃描、接受和信號處理技術。

繼可見光、紅外和微波遙感技術之後,雷射遙感技術以其高精度、主動工作、高解析度等優點,在三維成像、高精度對地觀測和深空探測等領域得到廣泛的套用,表現出良好的空間套用前景。

基本原理

由雷射器分出一束寬脈衝光束，通過調製器將線性調頻的雷射束髮射出去，回波信號與未經調製的固定頻率本振光混頻後，經匹配濾波器對信號進行壓縮，變成一個幅度增大的窄脈衝，接下來和脈衝測距同樣方法得到距離，它的特點是發射寬的光脈衝，回波處理後得到的是窄的電脈衝，目的在於緩解探測能力和距離解析度的矛盾；連續波調頻，是發射雷射的頻率隨時間是線性（三角形）變化，經過一段時間的飛行，回波雷射相對於本振雷射就有了頻率變化，兩者相干混頻，得到的中頻信號，中頻信號頻率跟距離成正比，由頻譜分析得到距離和速度。

關鍵技術

光源

CO2雷射器是最早用於雷射雷達的光源,輸出功率大,轉換效率高,連續輸出功率為數十瓦至萬瓦,脈衝輸出功率為數千瓦至10萬瓦,電光效率15%～20%,為適應空基雷達的需要,目前CO2雷射器向高可靠、小型化方向發展,進展可喜。

Nd YAG是目前雷射雷達中使用最多的雷射器,這是一種脈衝雷射器,如果探測地物反射回波,雷射器工作在1064nm或1053nm波長;如果探測地物螢光回波或用於水下探測,雷射器工作在532nm或527nm波長。主要以二極體泵浦為發展主流。

探測器

為適應光源的變革,除了經典的光電倍增管,探測器的研究也有新的進展。如果雷射是1064nm(1047nm)或532nm(523nm),探測器為Si/APD,這是最成熟的器件;如果雷射波長1.5～1.6μm,探測器選InGaAs/APD(或PIN);如果雷射波長2.0μm,探測器選InGaAsSb/APD。這些器件由單元器件發展到線陣和面陣器件;工作模式由線性模式發展到Geiger模式。國際上主要的研究機構有PerkinElmer公司和日本濱凇光子公司。ICCD已經直接用於雷射雷達回波探測。InGaAs和HgCdTe的焦平面器件被新型的雷射成像遙感系統所採用。

主要優點

主動測量

雷射源的相干性、單色性、準直性和偏振作用、高亮度和瞬時行為都是普通光源所無法比擬的。可以說雷射的出現為我們提供了一個性質全新的光源:

(1)它給傳統光譜學賦予了新的生命力,雷射光譜遙感技術的解析度比現有最好的光譜儀高一千倍,並能實現實時觀測處理。紅外波段(0.7~34微米)連續可調雷射源的發展,大大地促進了紅外光譜技術的發展;

(2)它給傳統的光學攝影、照相機、記錄系統提供了新穎的相干光源,使各種電視攝影照相機的性能大為改觀,結構變得極為簡單。例如,雷射脈衝技術(已達微微秒級)大大地促進了高速攝影技術的發展,當前採用變象管和雷射脈衝相配合,已進入到對微觀世界的研究;紅外雷射掃描攝影機能在完全無光的黑夜,拍攝極為清晰的偵察照片;採用紅外雷射的夜視裝置,具有微光夜視、紅外夜視所不具備的優點,這種裝置不僅能在伸手不見五指的黑夜裡從空中(或飛機上)清晰地觀察地面情況,而且還可以同時對目標測距,進行炮火控制;雷射全息照相的特點是三維成象,立體感強,可在無光的黑夜拍攝,解析度高,不易損壞,不怕重迭;使用雷射源的掃描記錄器,可形成高亮度的微小光點,實現單一光譜的記錄;

(3)紅外波段(0.7~774微米)的雷射源,已成為主動紅外遙感系統的良好光源。

精度高

雷射雷達的測距、識別和跟蹤的精度高。其角解析度在理論上比微波雷達高10的10次方倍;雷射雷達測距精度高,可達米級,厘米級。例如,發射1微弧度發散角的雷射束,打到1000公里處的光點直徑僅為1米。通常,採用高速數字計數器,測量發射和接收脈衝之間的時間間隔來獲得距離的;因此說,測距精度基本上與目標距離無關,特別適用於精密遠程測距。此外,還具有抗干擾性好,能穿透核爆引起的電離雲,填補微波雷達的盲區,對地面和低空目標的探測性能比微波雷達好。雷射的都卜勒效應比微波高100倍以上,測速精度高。

信息量大

雷射源頻帶寬,信息量大,可實現高速數據率的圖像傳輸。

設備小

雷射遙感設備緊湊、輕小,適合在空間使用。

套用領域

距離的雷射遙測

最成熟和最經典的測距方法是脈衝測距和相位測距。脈衝測距是通過直接測量雷射脈衝的往返傳播時間進行測距的。雷射脈衝的往返傳播時間由距離計數器測量。距離計數器的開門信號為雷射主波採樣信號,對應的關門信號為雷射回波信號,雷射脈衝往返時間根據計數器在開、關門信號之間的數值求得。相位測距通過強度調製的連續光波在往返傳播過程中相位變化來測量光束的往返傳播時間。

雷射偵察與監視

各種雷射偵察與監視系統,國外自1963年開始研製以來,現在某些技術已達到了實戰要求,已在地面和飛機上實際使用,並有了不斷的改進。實現航天偵察與警戒,裝在航天飛行器上的雷射偵察和監視系統正在探索研製。雷射偵察使一些傳統的電子和光學偵察工具在某些方面相形見拙。

雷射偵察的特點和優點是:1.反應靈敏,觀察精細,2.擅長夜間偵察,即使在伸手不見五指的黑夜裡也能完成偵察任務;3,一機多用,一台裝置能同時起觀察、測距和制導等多種作用;4.行動隱蔽,不易被察覺。

雷射對抗

隨著各種雷射探測系統和武器系統的迅速發展,雷射對抗技術也有了相應的發展。近年來,地面和機載的雷射對抗技術的發展,日趨成熟,出現了一些被動和主動對抗措施郎,。正在研製的機載雷射對抗系統有:雷射源定位系統,高解析度雷射探測系統,雷射尋的和告警系統,被動式雷射對抗材料和主動雷射干擾等。