1激光雷達（英文：Laser Radar）

是以發(fā)射激光束探測目標的位置、速度等特征量的雷達系統(tǒng)。其工作原理是向目標發(fā)射探測信號（激光束）,然后將接收到的從目標反射回來的信號（目標回波）與發(fā)射信號進行比較,作適當處理后,就可獲得目標的有關(guān)信息,如目標距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、甚至形狀等參數(shù),從而對飛機、導彈等目標進行探測、跟蹤和識別。它由激光發(fā)射機、光學接收機、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。

2激光雷達特點

1：激光雷達是由微波雷達發(fā)展而來

2：激光雷達可以呈現(xiàn)更多細節(jié)

表1是激光雷達、微波雷達與攝像頭的對比。

激光雷達的工作原理與雷達非常相近，以激光作為信號源，由激光器發(fā)射出的脈沖激光，打到地面的樹木、道路、橋梁和建筑物上，引起散射，一部分光波會反射到激光雷達的接收器上，根據(jù)激光測距原理計算，就得到從激光雷達到目標點的距離，脈沖激光不斷地掃描目標物，就可以得到目標物上全部目標點的數(shù)據(jù)，用此數(shù)據(jù)進行成像處理后，就可得到精確的三維立體圖像。

圖1 激光雷達點陣圖

2激光雷達的優(yōu)勢

1）更高的分辨率

假設(shè)接收天線入瞳大小為10mm，905nm激光對應(yīng)角分辨率為0.22mrad，30GHz微波對應(yīng)角分辨率為2.44rad。

2）更小的光束發(fā)散角

3）更大的多普勒頻移

相干探測的速度分辨率高。

3三維實現(xiàn)方式：單點掃描

4三維實現(xiàn)方式：面陣探測+覆蓋照明

代表：Jigsaw計劃

1） 2000~2003年美國國防部高級研究計劃署(DARPA)實施了高精度激光3D成像雷達研究計劃（即Jigsaw計劃）

2） 對地面?zhèn)窝b物下的目標進行探測：要求在100米高空以上的數(shù)據(jù)采集和傳輸；對地面的探測范圍可以達到20平方米；飛機的速度是每秒25-35米，并全天工作。

3) MIT林肯實驗室開發(fā)出一種32′32Si-GM/APD焦平面探測器，且集成高速數(shù)字式CMOS計時電路，室溫下單光子探測效率大于20%。

圖2 MIT林肯實驗室研制的Jigsaw 非掃描焦平面激光成像光學頭

6激光雷達工作過程

激光雷達工作過程：

1）激光到目標的傳輸（激光發(fā)射系統(tǒng)）；

2）目標對激光的反射、散射；

3） 接收機對散射光的收集（接收系統(tǒng)）。

7激光發(fā)射系統(tǒng)

圖3 激光雷達光學發(fā)射系統(tǒng)

在激光雷達設(shè)計和分析中，經(jīng)常遇到三種典型的光束形狀：

高斯光束、愛里光束、均勻光束（平面波）

圖4 激光光束波形

7.1高斯光束：固體激光器、光纖激光器等

在遠場，高斯光束的發(fā)散角（1/e2）可以近似

圖4 激光擴束準直系統(tǒng)

如上圖4 束腰10微米，發(fā)散角127mrad激光進行擴束準直為束腰2mm

發(fā)散角0.32mrad。

8半導體激光器光源

激光器的快軸發(fā)散角需達到65°，慢軸發(fā)散角需達到20°，且在激光器發(fā)散角±5°范圍內(nèi)的能量大于總能量的50%；一般發(fā)射系統(tǒng)發(fā)散角：越小越好，<1mrad；目前大部分三維激光雷達的發(fā)射光束為準直光束掃描。

圖5 一種MEMS掃描雷達

9目標散射

目標的散射特性與材料、粗糙度等有關(guān)；通常用BRDF函數(shù)描述散射特性；一般計算中常把物體作為朗伯體處理。

圖6 散射模型

9.1目標散射模型

BRDF：雙向反射分布函數(shù)；光滑面的散射模型：Abg模型、Heavy模型、粗糙面的散射模型：Phong模型、多項式模型。常用仿真軟件：Tracepro、Lighttools、ASAP、FRED

圖7 BRDF散射模型

10接收系統(tǒng)

激光雷達接收天線即光學鏡頭

圖8 陣列接收鏡頭與濾光片的光學漂移

11接收鏡頭評價標準

11.1點目標評價標準

點目標的探測常常是非成像系統(tǒng)，因為它不提供形態(tài)信息。對它的光學系統(tǒng)設(shè)計主要看能量包絡(luò)圖及點列圖，能量包絡(luò)圖表示它的能量集中度，點列圖看能量分布細節(jié)，包括形狀（圓度）及像斑質(zhì)心。不需要MTF，它的評價是S/N，至少應(yīng)大于3，在應(yīng)用上對它的評價是探測率及虛警率，它只是告知有與無，不能確定是什么。

圖7 點目標評價：點擴散函數(shù)和包圍圓能量

11.2面目標評價

面目標即擴展目標（extended object），面目標的像充滿視場（探測器感光面），普通照相機都屬于這一類，它是成像系統(tǒng)。對它的圖像質(zhì)量有要求，通常用MTF及S/N評估。面目標在探測器上像的強度（照度）與距離無關(guān)。

MTF調(diào)制傳遞函數(shù)

空間頻率對應(yīng)的對比度

空間頻率：lp/mm

奈圭斯特頻率：采樣頻率須大于信號頻率的兩倍，即每個周期（一對黑白條紋）對應(yīng)兩個像素。

12功率預算

立體角：

像元接收功率：

E0為物體照度；Ro為物體反射率；ta為空氣透過率；tr為接收系統(tǒng)透過率；tt為發(fā)射系統(tǒng)透過率。

審核編輯 ：李倩