激光雷达与激光成像雷达.doc

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1、激光雷达与激光成像雷达一、激光雷达与激光成像雷达一、激光雷达与激光成像雷达人通过感觉器官感知，认识外部世界的一切。用耳朵听音乐、话音、机器的轰隆声、钟声、铃声等一切通过声音传递的信息；用手感觉温度、物体的硬软以及物质的存在；用眼睛观察外部世界的形状、颜色、运动状态、速度、位置、识别物体的种类等等。人的眼睛之所以可以看见外部世界，是因为太阳光谱中的可见光照射在物体上反射的结果。那么除了“可见光谱”之外还存在别的“不可见的光谱”吗？事实上，广义的光谱按频段的不同，有大家所熟悉的电磁波、远红外、近红外

2、、可见光、紫外光谱，而可见光谱区中，红色的光波长最长，紫色的波长最短。而且人们已经发现不同的物质辐射不同的谱线，在特定的条件下还可以只辐射某一单一波长的谱线，当其人们发现不可见光谱区中的单一的光谱谱线具有可贵的特性的时候，就力图去产生、开发、利用这种单一光谱谱线，由此产生了激光及用于不同场合的激光系统。视觉引发人们的形象思维，眼睛从外界事物所获取的信息量大，直接而快速，是其他感觉器官所不能代替的，这也就是古人所说的“眼见为实”的深切内涵。正是因为这个道理，人们不愿受限于“可见光”的可见，而想去探

3、求自然光条件下所看不见的东西，如想在漆黑的夜晚，去观察外部世界，就开发出了“夜视仪”。被动“红外热成像仪”也不是依赖于可见光的反射特性去观察变幻莫测的外部世界的，而是依赖于物体本身的热辐射，无论白天或黑夜都可以用以观察人类世界的一切，而且已经是超视距的。目前最新的热成像仪，1ms内热敏成像。红外成像高速测温用来检测来复枪，其射出的弹头在弹道上飞行速度为840m/s，弹头距枪口0.9144m处的热成像还能分辨出弹头上不同部位摩擦热的温差。遥感仪则可以依据物体本身的辐射谱线，包括电磁波段与红外光区，

4、远距离成像，把肉眼原本看不见的自然变化，转化为可见，以照片的形式或屏幕显示的图像，甚至动态图像的形式展现出来，这就是当今人们感兴趣的可视化技术。人们力图从各个领域做这方面的研究和开发应用。通过眼睛人们能够确定方向——定位，作为控制手的动作的依据，当然这是受限于“视距”之内的，通过望远镜可以延伸视距；但是“定位”的精度达不到人们通用目的需要，所谓“差之毫厘，失之千里”。雷达满足了远距离定位和精度的要求，雷达源于英文RadioDetectionAndRanging的缩写RADAR，于1935年问世。

5、当其“激光”这种波长处于红外光谱波段的“激光光源”被研究出来之后，人们自然想到利用微米波段（红外光谱波段）的光波作为信息的载体去探测、获取其他手段难于探测、观测到的目标的信息。激光雷达研制成功后，相继激光成像雷达应运而生。激光雷达的英文名字“LADAR”是LaserDetectionAndRanging的缩写。激光雷达的研究是从目标探测和测距入手的，早期（1962～1976年）的研究系统被称为光雷达（OpticalRADAR），并命名为LIDAR（LightDetectionAndRanging

6、）。可以说军事应用对测量系统精确度的要求日渐严格，武器系统的投放精度以及避免敌方电子干扰的需求，大大推动了激光雷达的发展。表6-1列举了1970年以前研制成功并投入使用的一两种激光雷达系统的性能参数，以展现它所独具的优越性。表6-1　激光雷达可以看出，早期研制的激光雷达从功能上与20世纪初问世的利用电磁波探测目标的雷达是极其相似的，是以定位——测量目标位置（距离、方位、速度）为主；但是激光雷达的测量精度及分辨率是独具特色的，它能以特别高的“角精度”和“距离精度”完成目标定位。这是电磁波雷达难以达

7、到的，同时激光雷达在军事对抗环境中的有效性，通过多年实际应用也得到了证实。激光成像雷达属于红外光谱段的主动成像系统，它是继红外被动成像以及前面讲述的“定位型激光雷达”之后被开发出来的一种探测目标及目标成像的工具。激光的波长是微米（10-6m）量级，即使与电磁波中最短的毫米波相比也是几个量级的差别。比如，前面讲述的1.54μm激光为例，其与电磁波段中3mm的毫米波的波长相比，两者相差近2000倍。而雷达的许多技术参数是与波长密切相关的，此为激光雷达所独具特色，也是激光雷达优越的原因所在。比如说雷达

8、的一个重要技术参数：角分辨率，就与波长成正比关系，这就意味着短的激光波长很容易获得窄的光束，高的角分辨率。角分辨率的概念是指雷达定位时能够确定方向的最小度量。定量地比较一下，就明白了，激光雷达很容易获得0.2～1.5mrad（毫弧度）的角分辨率；而对于电磁波，即使是毫米波，如3mm雷达获得1°（17.45mrad）的角分辨都不太容易（特别是用于天线尺寸受限的场合），或者说需要近2000倍那么大的天线孔径才能达到毫弧度量级的角分辨率。可以达到的波束宽度的差异，给雷达系统功能带来了巨大的不同。比如，