(光电对抗)《固体成像激光雷达的研究》

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1、固体成像激光雷达的研究蔡喜平护(哈尔滨工业大学应用物理系哈尔滨150001)]!1摘要:本文简单介绍了主动成像激光蔺达的应用及荃本概念，概述了成像傲光雷达11可采用的几种成像技术:详细论述了滋光雷达系统设计的基本理论及方法:简要介绍了所‘研究的二极管泵浦固体成像激光霄达系统方案及研究进展。，!主且词:激光雷达成像激光雷达距离图像强度图像侧距!!盆且.1引言，....激光雷达在工业和军事中被广泛用于定位和目标识别。识别算法通常是根据激光雷达...己所获得的距离信息而不是强度信息，三维距离图像所反映的目标的信息要远远大于

2、强度图1.‘J像所能反映的目标信息n]激光雷达的典型应用有精确制导、地形跟随和障碍物回避，机‘.户，.‘孟器人视觉，汽车主动防撞，物品自动分类等[=1,已‘压rt.目前主动成像激光雷达主要有三种，即CO,激光雷达，固体激光雷达和半导体激光雷t‘.‘达。早期固体激光雷达采用闪光灯泵浦的固体傲光器作为光源。由于这种激光器的重复频1‘‘率很低，所以影响了固体擞光，达的发展。九十年代中期，由于二极管泵浦固体激光技术县食升圣的发展，使二极管泵浦的固体擞光器效率大大提高，激光重复频率有了明显的突破，激光贬若七孚器的体积、重t成倍

3、减少，为研究固体激光雷达创造了条件。二极管泵浦固体激光器是目刀甲r.‘十前公认的最理想的激光霄达光源。二极管泵浦固体激光雷达可以克服CO,橄光雷达体积大、，卜卜，.价格高的缺点，也可以克服半导体激光雷达作用距离短的缺点。九十年代后期，二极管泵.1.，..浦固体激光蓄达已经得到了很大进展，从资料推铡，国外目前二极管泵浦固体擞光雷达已.，经进入了实用化阶段.lr主动成像激光雷达分为扫描成像激光蓄达和非扫描成像激光雷达两种，根据探测方式lL用‘I可分为相干探测和非相干探侧激光雷达。本文将介绍采用直接探侧的二极管泵浦固体激光

4、t.，..t万雷达技术及我们的研究工作进展.月考111毛、‘2成像技术，卜﹄仁轰采用直接探侧的成像激光雷达系统一般可采用三种技术:主t.(曰每次只探铡一个像素乍!最早的成像激光雷达的研究都是采用这种技术。傲光器发出一个脉宽很窄的脉冲(一般为nsf级)，经过A-1光波的往返时间，确定目标的巨离.扫描光学系统(扫描器)将发射脉冲指向目标，接收机接收目标的反射信号。扫描器按照一定的扫描格式如光姗扫描将光束指向目标上的不同位I，这样，就可以通过接收系统得到类似于角度一角度·强度图像的角度·角度一距离图像(Angle-Angl

5、e-Range-AAR),这种成像技术要求激光的重复频率要高、脉冲宽度要窄，单脉冲能f要大。(2)每次探测所有像素一般来说，成像激光雷达存在着高成像速率和高分辨率(高像素数)的矛盾，既不可能使成像分辨率达到很高的同时，还使成像速率也达到很高。这种矛盾对单脉冲发射、单探测器接收的激光雷达尤为突出。因此，必须折衷考虑两者的关系。在成像像素数要求很高而距离要求不很高的倩况下，可采用这种技术。通过控制发射激光，使发射光能同时照射目标上的一个较大的范围，然后用一个二维阵列探测器接收回波信号。这种方法一般需要对发射光进行调制，对

6、接收信号进行解调，才能测量到距离信息闭。这种技术的优点是不需要扫描器，缺点是要求激光器发射功率要足够大。(3)每次探测几个像素这种技术可以作为上述两种技术的折衷。将发射光分为x束，同时照射目标上x点。从x点反射回的信号投射到对应的x元探测上，通过处理可得到x个像素数的距离信息和强度信息。通过扫描器扫描，直到探钡1到所要求的像素数时，成像显示。这种技术较为新颖。比较有发展潜力。以上是三种不同的成像技术，必须根据实际要求来选择不同的方法。假设我们要成一个1000X100个像素的像。成像速率为2帧/秒。这样就要求20000

7、0个像素/秒的速率。如果每次只探侧一个像素的话，激光器的脉冲重复频率至少应为200k,这显然是不现实的。另外，接收机探测每个像素的时间为11200000s，在这个时间内，光，传播距离为1500m，因此，得到非模糊距离信息的最大距离间隔只有750m。目前。二极管泵浦固体激光器的重复频率可达到30kHz左右。如果按30kHz的重复频率计算。每次只探测一个像素，成一帧工000x100个像素的像最快需4s左右。此时，得到非模糊距离信息的最大距离间隔为6kmo因此，分辨率要求很高，而成像速率要求并不是很高的情况下，可采用这种技

8、术。如果成像像素数要求很高，成像速率也要求较高，可采用第二种技术，即将激光扩束，使发射激光一次覆盖目标上所有像素。这种方法，要求激光器的物出功率要很高，才能达到较大的作用距离。另外，目前可用于这种技术的探测器只能采用二维CCD阵列接收机，而不能采用高灵敏度、高速低噪声的Si-APD.在成像技术中，一个较为新顺的技术就是最后一种，目前这项研究才刚