或调制波形照射一定视场范围的目标,由成像接收系统接收目标反射回来的激光信号,从而获得一定视场范围目标的信息图像。
由于采用主动成像方式,激光成像雷达可以获取比红外或可见光图像更为丰富的目标信息,包括目标距离信息(距离像)、反射率信息(灰度像)和速度信息(速度像)。
其中距离图像也称为深度图像,是通过对空间目标的离散测距形成的目标距离的分布,习惯上又称为三维图像。
三维图像与环境光照和阴影无关,它的像素点 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文清晰地表达了目标的表面几何形状。
三维图像分析中没有由于光照阴影及物体光滑、表面上的纹理所产生的困扰,因此,从三维图像数据中可以比较容易地求得更可靠、更稳定的几何特征。
激光成像雷达获得的是与环境无关的目标的物理特性信息,因此,几乎不受季节、环境温度、照度等因素影响。
因此,在飞行器的自动避障、自动导航、目标识别等应用中,目标识别特征和特征地形匹配特征具有一定的不变性。
然而激光技术也是有其局限性的,激光的短波长也带来了激光成像雷达大气衰减较大的缺点,限制了激光成像雷达作用距离的提高。
但随着激光技术和激光器件的发展,激光成像制导技术已取得了可喜的进展8,并在越来越多的方面起着其它雷达不能起到的作用。
1.1.2 激光成像雷达的发展 激光雷达技术早在 20 世纪 60 年代激光技术问世之初就已经开始研究了,在经历了曲折的发展阶段后,现已进入实用化阶段89。
激光雷达的发展大体可以分为四个阶段:第一阶段是最早的最简单的测距机,第二阶段的激光雷达主要用于测距和导弹初始段的测量,第三阶段采用了相干检测技术,增加了测速手段,第四阶段是正在发展的扫描成像和多普勒成像雷达。
激光成像雷达技术的研究最早源于美国,而且美国至今在激光成像雷达理论、技术和军用、民用工程应用方面一直处于国际最前沿地位。
美国的激光成像制导雷达研究始于七十年代,比较典型的如麻省理工学院林肯实验室的CO2激光成像雷达。
实验证明这种CO2激光雷达可以穿透某些烟雾,识破伪装,远距离捕获空中目标;此外,CO2激光器 10.6μm的波长可以和长波红外成像系统共用光学窗口,使主被动复合成像成为可能。
八十年代后期相继完成的一系列外场实验,证实了激光成像雷达在复杂背景下探测和识别目标的能力,充分显示了激光成像雷达相对于红外前视成像系统雷达和合成孔径雷达优越特性10。
虽然CO2激光成像雷达系统效率高,大气传输性能好,易于实现高灵敏度外差探测,但是CO2激光雷达的激光器采用高功率射频泵浦,需要高电压和强制冷,系统体积庞大,不利于实现小型化,而且价格昂贵, 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文可靠性也较差,所以在应用中的竞争力受到制约。
固体激光器具有实用激光雷达所需要的性能,因此,近年来激光雷达发展的重点是二极管泵浦固体激光雷达。
固体激光器具有效率高、体积小、重量轻、可靠性高和稳定性好等特点,使得固体激光雷达优先在机载和天基系统中得到应用。
二极管泵浦固体激光雷达的研究始于八十年代末,在九十年代后期得到了迅猛发展。
随着二极管泵浦固体激光器的发展,固体激光器大大提高了效率和重复频率,克服了热效应等缺点,实现了单模稳定运转、高稳频、高功率、高效率和高光束质量,并使器件向小型化发展。
正是由于固体激光器本身的优点和近几年来固体激光技术的重大突破,固体激光雷达在成像、远程目标跟踪和识别等领域呈现出巨大的发展潜力。
美国率先进行了二极管泵浦固体激光制导技术的研究。
90 年代初期,美国的 Hercules 防御中心成功地研制了一台用于战场监视的固体激光成像雷达,该发射系统采用了连续波激光二极管泵浦 Q 开关 Nd:YLF 激光器,输出峰值功率为 2kW,距离分辨率为 0.25m,最大距离为 2km。
如今,二极管泵浦固体激光雷达已经广泛地应用于大气测污、大气风场测量、环境监测等领域。
虽然二极管泵浦固体激光主动成像雷达的历史发展很短,但是其发展潜力是不容置疑的。
八十年代末期以后,随着半导体激光器在提高输出功率和改进光束性能以及探测器降低探测阈值等方面取得的重大进展,半导