成像激光雷达是激光技术、雷达技术、光学扫描及控制技术、高灵敏度探测技术及高速计算机处理技术的综合新技术产物。成像激光雷达是激光雷达对硬目标探测的一种综合应用,其中结合了测角,测距,测速等多种激光雷达功能,从成像激光雷达的发展可以了解激光雷达对硬目标探测的研究现状。

激光雷达的应用十分广泛, 已从地面发展到空中, 从空中发展到太空, 从陆地发展到海面, 从海面发展到水下, 并涉及到多个学科领域。它有着常规雷达不可比拟的优势, 无论在军事上还是在民用上都有广阔的应用前景。成像激光雷达应用研究开始于20 世纪70 年代, 与非成像激光雷达相比, 除了功能上不同外, 研究的费用和难度也要大大高于非成像激光雷达。

成像激光雷达是激光技术、雷达技术、光学扫描及控制技术、高灵敏度探测技术及高速计算机处理技术的综合新技术产物。成像激光雷达可采用多种工作体制, 如采用单元探测器的扫描成像与采用阵列探测器的非扫描成像。采用单元探测器的扫描成像作用距离可以很远, 但是成像速率会受到一定的限制;采用阵列探测器的非扫描成像激光雷达可以以很高的速率成像, 但是需要泛光照射目标, 所以作用距离不会太远。目前, 可用于激光雷达的扫描器可分为三种:力学、电学和二元光学扫描器。由于其具有较高的角度分辨率和距离分辨率, 可以同时成目标的强度像和距离像, 还可以成高分辨率的三维图像, 所以非常适合于在军事上发展智能武器, 应用领域主要集中在武器制导方面。

美国在激光雷达及其应用研究处于领先地位。20 世纪80 年代美国大力发展了成像激光雷达技术。林肯实验室、Loral Vought 系统公司、Ford 航空航天公司、休斯飞机光电和数据系统集团、怀特实验室和Martin Marietta 奥兰多航天中心等多家研究机构, 完成了成像激光雷达外场实验, 证实了成像激光雷达在复杂背景下探测和识别目标的能力。根据报道, 目前唯一在巡航导弹上作为激光地形轮廓匹配系统应用的是AGM -129 战斧式巡航导弹上的成像激光雷达, 它采用10 .6um 的CO2 激光器。CO2 相干成像激光雷达的研究始于20 世纪70 年代, 于1978年研制出第一台三维成像外差激光雷达样机, 突破了传统的成像观念, 引起了广泛的兴趣和重视。随着小型化、高性能CO2 激光器和图像处理技术的发展以及军事的需求, 使得多功能CO2 激光相干成像雷达在整个80 年代获得了迅速发展, 到90 年代初,已有数种样机问世并开始进行演示性试验。HgCdTe 探测器是用于CO2 相干激光雷达研究中的探测器, 已经可以制造出二维多元阵列HgCdTe探测器, 如640 ×480 元阵列, 为阵列探测CO2 相干激光雷达的研究提供了保证。美国OakRidge 国家实验室研究了工作于10 .6um 的阵列探测相干激光雷达, 提出了采用二维阵列HgCdTe 探测器进行相干成像, 并用一个30 ×30 元二维HgCdTe 探测器进行了实验研究。

10 .6um CO2 激光具有优越的大气传输性能, 特别是在烟雾条件下有极强的穿透能力以及良好的相干性, 易于实现外差探测, 而且外差探测灵敏度比直接探测灵敏度可提高几个数量级。目前, CO2 激光外差主动成像的信号体制主要有:声光(A -O)调制连续波外差体制, 线性调频脉冲压缩体制和窄脉冲外差体制(电光调Q);CO2 激光外差主动成像的光学成像方式基本有三种:一为多元阵列探测凝视成像方式;一为单元探测二维扫描成像方式;此外, 还可把上述两种基本方式结合折衷成为又一种多元扫描成像方式, 以提高成像帧频。CO2 相干激光雷达的研究已经历了近三十年的时间, 也取得了很大突破。然而, 由于CO2 激光成像雷达的体积比较大、研制成本较高, 而且探测器需低温制冷等, 其在应用中的竞争力受到制约。

2 .2 .1 　半导体成像激光雷达

最近十几年, 全固态小型成像激光雷达成为各国军方研究的热点。20 世纪80 年代中期以后, 随着半导体激光器在提高输出功率和改进光束方向性能以及探测器降低探测阈值等方面取得的重大进展, 半导体激光主动成像雷达应运而生。美国Sandia国家实验室, 研制了一种125mW 半导体激光的测距、成像激光雷达, 它能够以每秒4 次的速度更新图像;随着高重复频率高功率半导体二极管阵列激光器的实用化, 又出现了24 通道实时成像二极管阵列激光成像, 对目标的最大测程为500m , 帧频为3Hz , 视场为4°×10°, 具有伪彩色和灰度反射强度图像的实时显示以及实时目标分类和瞄准点确定等功能。半导体激光雷达的优点是体积小、重量轻、造价低、使用寿命长、可靠性高和低功耗等;缺点是相干性较差因而只能采用直接探测。

2 .2 .2 　非扫描成像半导体激光雷达

非扫描成像半导体激光雷达能同时进行被动强度成像(即不用激光照射时的成像)和主动强度成像(即主动照明时的成像), 还可进行强度成像和速度成像。而且由于焦平面阵列器件的采用, 使各种成像的速率都非常高。这就为先进的实时图像处理提供了先决条件, 这也是扫描半导体激光雷达所达不到的。采用非扫描成像技术还可大幅度提高激光雷达的作用距离。现有的扫描式半导体激光雷达中,由于扫描速度和孔径要满足一定要求, 限制了宽光敏面积光源的使用。而大功率的半导体激光器, 特别是大功率阵列激光器都是扩展型光源, 具有很宽的发光面积, 因而受到限制。其次, 扫描式激光雷达每像素对应的光电积分时间很短, 因而扫描半导体激光雷达的信噪比不高、作用距离短, 一般都小于1公里。

非扫描成像半导体激光雷达系统在去掉了复杂笨重的扫描装置同时, 也为采用扩展型光源提供了可能性。同时, 焦平面阵列探测器的使用, 每像素的光电积分时间可以相应的提高n 倍, n 为总的像素数。而且还可采用高灵敏度的像增强器件, 因此其接收灵敏度比扫描激光雷达系统高很多。所以, 为了增加半导体激光雷达作用距离(例如增大到10 公里, 使之可以满足一般战术需要), 采用非扫描成像技术, 即焦平面成像技术, 是比较好的解决方案。20世纪90 年代, 一种仅适用于半导体激光主动成像雷达的“非扫描器半导体激光主动成像雷达” 已由美国Sandia 国家实验室研制成功。这种激光雷达系统克服了传统的扫描激光雷达帧率低、视场小、体积大等问题, 具有高帧率、宽视场、坚固、体积小等特点,特别适用于半导体激光主动成像雷达导引头, 这可能是今后半导体激光主动成像雷达的重点发展方向。该非扫描半导体激光主动成像雷达, 采用距离成像方式, 最大作用距离1km, 距离分辨率可达15 -1cm。其激光器光源部分由时间积分电荷耦合器件CCD 阵列照相机记录, 这种方法通过测量在光学接收系统光亮度调制的相位移动与参照物的比较来确定目标物体的距离。但是由于成像元素和帧频速率的限制, 这种方法的成像速率不可能很快, 因此会产生距离模糊, 作用距离和分辨率受到影响。

美国Arete 机构研制了一种最新的、高分辨率的条纹管成像激光雷达STIL, 使上述情况得到改善。STIL 技术应用极短的脉冲, 这种系统即便在散射率很高的媒质也能给出相当精确的测量精度。条纹管比较低的背景噪声和暗电流噪声使每一像素的滞留时间很短(≤1ns), 这样就克服了仅靠扩大CCD阵列的尺寸和帧频率来提高成像像元素和帧频速率的限制。条纹管通过静电扫描获得不同的距离信号, 并被CCD 阵列捕捉成像。STIL 系统有很广的应用领域, 如医疗成像、电光鉴别、高分辨率的海洋摄像、空中监控, 等等。90年代末, 美国空军研究实验室与Arete 合作, 将这项技术应用到目标自动识别的巡航导弹上, 条纹管能利用激光的高重复频率(10 -20KHz), 使得CCD 阵列上每一单元堆积较多的脉冲数, 并以不太高的帧频(150Hz)读出信噪比改善的像信号, 这就不需要激光器具有太高的能量, 从而压缩了激光器的尺寸, 减少了重量, 降低了成本。其性能参数可达到如下数据:视场角47 .6°, 像元数256 *1024 , 平均功率10W ,脉宽8ns , 重复频率20KHz , 距离分辨率约15cm , 作用距离能达到1 -2km。同时,Arete 正在研制一种新的运算规则, 它被用于红外探测器来探测和跟踪贴海面飞行的亚音速巡航导弹, 这种探测器能够监控导弹位置和速度的变化, 能最大化地提探测概率,极大地降低虚警概率。

这里的线性调制脉冲信号是一个简单的正弦波, 它的频率在经过周期T 后增加ΔF , 然后又返回到原来的频率值。距离分辨率ΔR =c/(2ΔF);fif =ΔF(τ/T), τ=2(D/c), D 为目标到探测器的距离, 因此, fif =2ΔF(D/cT), 可以看出fif正比与目标到探测器的距离;通过对fif傅立叶变化可以得到我们所需要的距离信息。将这种技术应用到调制频率为1 -2GHz , 输出功率为4W 的半导体激光雷达上, 距离分辨率小于0 .3m, 作用距离可达几千米。

二极管泵浦固体激光器(DPL)的发展, 给固体激光雷达技术注入了新的活力。二极管泵浦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。正是由于二极管泵浦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。20世纪90 年代初期, 美国Hercules 防御中心成功研制一台用于战场监视的1 .32um 固体激光成像雷达,采用光栅扫描成距离像、InGaAs 雪崩二极管探测器,最大距离为2km , 距离分辨率为0 .25m。与此同时,美国Fibertek 公司研制用于直升机防撞的样机, 激光波长为1 .54um, 脉冲重复频率为15kHz , 脉冲能量为100uJ , 脉冲宽度为5ns , 扫描方式采用圆周平移扫描, 已在直升机上进行了两次试验。最近美国Intevac 公司开发一种距离选通激光照明二维成像系统, 它工作在对人眼无害的新波段。该系统采用传输电子光电阴极(TEPhotocathode), 工作波段为1500 -1600nm 。采用激光脉冲照射目标区域(FLIR 或SAR 确定的目标), 可以实现远距离侦察。LIVAR 采用闪光灯泵浦,OPO 移相Nd∶YAG 激光器, 能量为6mJ , 波长为1570nm, 重复频率为30Hz , 与带有TE 光电阴极的EBCCD 组成的原形样机, 可以识别5km 之外的目标。对要求中等以上功率的应用而言, 二极管激光泵浦固体激光主动成像雷达有很大的应用前景。这种固体激光主动成像雷达有输出功率高、脉冲重复频率高、体积小、质量轻、可靠性高等优点。脉冲激光信号经扩束至目标, 再经目标反射进入接收光学系统, 回波信号经场镜会聚至APD 光敏面。　MIT Lincoln lab 一直潜心研究APD , 它可以用精确的光子计数代替传统的光强测量, 现在实验室正在通过加大APD 的电压水平使其产生失控效应, 从而达到更高的灵敏度。探测器前放的输出信号送入数据采集系统, 采样后送入计算机, 进行必要的滤波和信号处理, 提取信号, 获得测量值。为了减小背景噪声及其他噪声的影响, 在APD 前面还加了一个窄带滤光片。整个系统都是在计算机的控制下实时进行的。通常, 激光雷达回波信号的获取是采用瞬态记录仪。对一个高重复频率的激光雷达系统来说,瞬态记录仪已经不能满足处理的要求, 因此, 在高重复频率的二极管泵浦固体激光雷达系统的研究中,研究采用高速数据采集系统(数据系统)是非常必要的。特殊的Ladar 系统采用数字滤波器, 如有限冲击响应滤波器(FIR), 用于从回波信号的数字采样中提取距离信息过程中信号的相关和卷积。FIR 滤波器是一个离散线性时变系统, 它的输出是基于过去有限个输出的加权和。FIR 滤波器完成卷积, 或回波信号的数字化脉冲与另外一个信号的卷积。卷积的结果就是回波信号和模板的相关。LADAR 系统可以通过测定哪个离散采样与模板有最大的相关, 从而确定距离。另外应用可调谐固体激光器和倍频固体激光的波长可调, 又开辟了许多新的应用领域。虽然DPL 成像激光雷达的发展历史还很短, 但其发展潜力是不容置疑的。目前, DPL 全固态成像激光雷达已成为各国研究的热点, 也是今后成像激光雷达的一个发展趋势。