新体制军用激光雷达成像技术

新体制军用激光雷达成像技术马超杰,吴　丹(电子工程学院安徽省红外与低温等离子体重点实验室,合肥　230037) 摘　要:激光雷达成像技术广泛地应用于武器、航空、航天等领域,发挥了越来越重要的作用。

本文根据国内外激光雷达技术研究的最新进展,对非扫描激光成像雷达、多光谱激光成像雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达、闪光成像激光雷达等新体制激光雷达分别进行了详细的介绍。

关键词:成像雷达;激光雷达;合成孔径雷达;相控阵雷达中图分类号:T N958.98　文献标识码:B　文章编号:1673-5048(2007)04-0025-05 New I magi n g Ladar Syste m Technology for M ilit ary Appli cati onMA Chao2jie,WU Dan(Key Lab of I nfrared and Low Te mperature Plas ma of Anhui Pr ovince,Hefei Electr onic Engineering I nstitute,Hefei230037,China) Abstract:I m age Ladar technol ogy is used widely in many domains:weapon,aviati on,s paceflight etc,and p lay a more and more i m portant r ole in the war field.Based on the latest research devel opment of Ladar,this paper describes different ne w Ladar syste m s res pectively,such as the non2scanned i m age Ladar,the multi2s pectral i m age Ladar,the phased array Ladar,the synthetic aperture Ladar,flash i m age Ladar. Key words:i m aging radar;laser radar;synthetic aperture radar;phased array radar0　引 言激光雷达(Laser Detecti on And Ranging,缩写Ladar)是以激光波束为信息载体的雷达。

激光雷达结合了激光技术和雷达技术的优势,将工作频段从微波、毫米波频段延伸到波长更短的光频段,具有许多优点:体积和重量小、测角精度可达1μrad 量级、作用距离可达数百到数千千米、测距精度达几厘米到20c m、速度分辨率优于0.01m/s、测速范围广(可以测量低速、超低速目标如mm/s)、能获得目标的多种图像(如三维强度像、距离像、多普勒像等)。

此外,激光雷达还具有一些独特的优收稿日期:2007-04-16作者简介:马超杰(1981-),男,河北邯郸人,硕士研究生,研究方向为光学工程。

势:利用蓝绿激光在水中传输的窗口效应,可以从机载平台上对水下目标(水雷和潜艇)进行快速探测和定位;激光雷达优异的单色性和极小的脉冲宽度使其能排除背景和地面杂波干扰,高效探测超低空目标,可用于跟踪近地飞行的导弹;激光雷达的快速响应速率、高分辨率、同时跟踪多个目标和能够穿透“等离子体鞘”等优点,使其能够对“弹道导弹”等再入目标快速、高精度和智能识别。

目前,多种激光雷达广泛地应用于武器、航空、航天等领域,发挥了越来越重要的作用[1-2]。

1　典型激光雷达及其应用1.1　激光雷达发展阶段激光雷达是随着激光技术和探测技术发展而发展起来的,至今已推出五至六代的激光雷达产品。

激光雷达系统已经广泛应用于导弹靶2007年第4期2007年8月 航空兵器AERO W E AP ONRY2007No.4Aug.2007场测量、反导、精确跟踪、战术攻击近空支援火控等兵器系统中,具有目标探测、跟踪、测距以及成像识别等多种功能。

当前激光成像制导成为激光雷达制导的发展方向,多种小型化、中小功率的战术激光雷达应用于飞机和巡航导弹等武器平台,大大提高了作战效能[2]。

激光雷达与无线电雷达工作原理类似,按回波信号探测方法可分为直接探测和外差探测两种。

外差探测比直接探测的接收灵敏度要高出两个数量级,并且回波信号可以包含更多的信息。

采用外差式工作的激光成像雷达系统是当前激光雷达广泛采用的工作方式。

1.2　外差式激光成像雷达系统工作原理外差式激光成像雷达系统如图1所示[3]。

激光发射机发出高质量的激光束通过光学调制器调制和扩束光学系统整型(使光束直径与雷达口径匹配),然后在扫描光学系统的作用下完成对战场的扫描。

目标和背景反射回的激光信号反向经过扫描器和扩束器后,在收发隔离器中与发射信号分开后到光学混频器。

本地振荡信号和回波信号混频后的光束经成像光学系统聚焦到光探测器上。

光探测器输出的差频信号,通过匹配滤波去除各种噪声信号后送到信号处理电路。

高速的信号处理电路将模拟信号转化为数字信号并通过预存的图像处理软件将信号加强,然后将信号分为两部分:一部分送到稳定与跟踪电路,锁定目标;另一部分传到后续数据处理部分通过和红外等探测数据融合进一步识别出目标来矫正稳定与跟踪信号。

经过上述一个成像过程之后,即开始探测目标的下一帧图像,重复上一个过程,直到光轴对准目标。

图1　外差式激光成像雷达系统2　新体制激光雷达进入20世纪90年代,非扫描成像激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等多种新体制激光雷达不断涌现,研制实用化的新体制激光雷达成为当前研究的热点,已经取得部分阶段性成果[3]。

2.1　非扫描成像激光雷达由于激光雷达扫描器的扫描速度及光学透过率不够理想,且扫描器的可靠性也差,结构尺寸较大,所以凝视式的激光雷达有较大的发展前景。

这种激光雷达发射经周期性调制的激光束,覆盖整个目标机场。

激光回波经由光纤光锥接收后再经被同样频率调制的像增强器进行光混频,混频是在微通道板中进行的。

混频后产生一个直流电平,其幅值对应目标回波与像增强器增益调制信号之间的相移量,并由其后的CCD 阵列探测系统检测出混频后的图像信号。

这种方法的优点是,可以使用低频探测器和电子线路来探测和处理经高频调制后的光束,同时还具有较大的凝视机场,并可获得较高的距离分辨率[3]。

自20世纪90年代初,美国Sandia 国家实验室就致力于开发一种新的非扫描距离成像激光雷达。

系统利用高频强度调制的激光器照射目标,用带像增强器的CCD 摄像机接收回波,经过数字信号处理依次提取每个光点的距离信息,形成目标的强度/距离三维图像。

图2为非扫描成像激光雷达系统框图[4-5]。

其特点是简单、可行、体积小、质量轻,可得到高分辨率、高帧率视频图像。

实验室研究人员已用市售器件制成连续、准连续和脉冲激光二极管成像雷达原理样机,分别在空军、陆军和航空航天局(NAS A )的支持下进行了外场试验。

在发射功率为5W (连续)和250mJ (单脉冲能量)照射视场为5°～9°的情况下,对1km 远的坦克和军用卡车,获得帧速度为15～30Hz 、距离分辨率为15.2c m 的清晰图像[6]。

图2　Sandia 实验室的非扫描激光雷达系统2.2　多光谱激光成像雷达多光谱激光成像雷达,是用具有不同工作波长的连续可调谐激光器提供多波段的高效激光源·62·航空兵器　2007年第4期进行成像的雷达系统。

此项技术便于激光成像雷达得到地物的多光谱图像信息,更有效地识别伪装。

1.5～5μm波段是人眼的“安全”波段,大气传输性能优越,并且大多数目标在这个波段区都有各自不同的、明显的特征反射光谱。

多光谱技术是把激光雷达技术与被动多光谱遥感技术结合起来,区分对比度很小或部分被伪装的目标,以提高目标探测系统的反伪装、反隐蔽、反欺骗能力。

近年来,可调谐固体激光器有了显著的发展,其中以掺钛的蓝宝石激光器(Ti:A l2O3)技术最为成熟,其可以在较宽的波长范围内(660～1180n m)连续可调。

非线性晶体(如BBO、LBO、KPT)的发展,使得固体激光器的输出波长可覆盖从紫外到中红外的光谱范围。

运用光学参量振荡(OP O)技术得到了高功率中红外(3～5μm)单频连续激光器。

美国L ight Soluti on的研究人员研制的采用周期性极化铌酸锂(PP LN)的腔内OP O,输出波长1.5～5μm,功率达6W。

德国E LS公司推出了一款可以在2～5μm范围内调谐的商品化OP O激光器—Spectr o2 Star,可以在2～5μm内调谐,并在2.954μm处输出高达3W的连续功率。

研究人员还在开发波段数更多的超光谱技术,在可见光到近红外波段的几百个谱带上对目标进行超分辨率或超精细观察,对照自然背景发现人造目标,对化学战剂进行化学成分分析等。

此项技术可用于分析烟缕的成分、探测空气中神经性毒气等物质。

2.3　激光合成孔径雷达合成孔径的概念是应用真实孔径的小天线相对于目标运动(一般为匀速直线运动),并辐射相干信号,记录接收信号并经适当信号处理,使对同一目标单元的各个回波信号能够同相叠加(又称为聚焦),从而得到高方位(横向距离)分辨率的相干成像的合成孔径效果。

利用激光器作辐射源的激光合成孔径雷达,由于其工作频率远高于微波,对于相对运动速度相同的目标可产生大得多的多普勒频移,因此横向距离分辨率也高得多,而且利用单个脉冲可瞬时测得多普勒频移,因而无需高重频发射脉冲。

正因为如此,基于距离/多普勒成像的激光合成孔径雷达的研究工作受到高度重视。

美国自20世纪80年代开始开展了激光合成孔径雷达的概念研究,并进行了原理实验[6]。

林肯实验室于1994年首次报导了他们在美国空军支持下研制成功的固体激光合成孔径雷达实验装置,系统以外差方式进行工作[7]。

固体激光雷达辐射源为连续运转的Nd:Y AG激光器,工作波长1.06μm,输出功率10mW,本振信号通过分束器进行分光。

光电探测器为高速低噪的P I N光电二极管,响应波长从400～1100nm,光敏面直径为250μm。

发射光束传播若干米到达电机驱动的转盘,转盘上固定两个凹面反射镜,将光束反射回探测器,最终得到多普勒差频。

信号由数字示波器进行记录,然后传输给计算机进行处理。

图3为林肯实验室一维S AR装置原理图[7]。

试验结果证明,未经处理时转盘上两个目标的图像不可区分,而经过处理后图像清晰可辨,孔径合成作用使分辨率得到明显改善。

合成孔径激光雷达的合成图像可以提供高分辨率的、接近摄影质量的战术图像,易于表现细节,有利于对目标的识别和解释,能够为有人和无人机载平台提供基本的防区外目标识别能力。