激光雷达技术

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激光雷达技术

来源：作者：国学发布时间：1970-01-01

激光雷达技术

[定义] 激光雷达是光探测和测距(Light detection and ranging)的简称。早先称为光雷达，因为那时使用的光源均非激光。自激光器出现以来，激光作为高亮度、低发散的相干光特别适合作光雷达的光源，所以现在的光雷达均使用激光器作光源，名称也就统称为激光雷达了。
[工作原理] 激光雷达最基本的工作原理与无线电雷达没有区别，即由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率而求得速度，这也是直接探测型雷达的基本工作原理。由此可以看出，直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距机颇为相近。
因为光速是已知的，所以根据发射光的发出时间和后向散射光的接收时间的时间差就可计算出激光器与污染剂的距离。这就是激光雷达能测距的原理。
激光雷达测污的基本作用过程是，作为光源的激光器发出特定波长的光束，射向污染剂(或毒剂云团)，该波长的光同污染剂相互作用后，有一部分光以与发射光束相反的方向反射回接收装置，经探测后便可获知有关污染剂的信息。 chinageog
激光雷达探测大气污染剂在遥感中属主动式方法。还有被动式方法。被动法本身没有人工光源，本身不发射光束，只接收来自目标云团自身的热辐射或天然光源(太阳)的辐射，然后进行分析测定而得出结论。
[分类]激光雷达可以按照所用激光器、探测技术及雷达功能等来分类。目前激光雷达中使用的激光器有二氧化碳激光器，Er:YAG激光器，Nd：YAG激光器，喇曼频移Nd：YAG激光器、GaAiAs半导体激光器、氦-氖激光器和倍频Nd：YAG激光器等。其中掺铒YAG激光波长为2微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间。
根据光与污染剂分子作用原理不同，激光雷达可分为如下几种。
1.基于吸收原理的激光雷达。几乎所有的由多种原子组成的污染剂(包括化学战剂)都能吸收特定波长的光，不同的化合物吸收的光波长也不一样。要测哪种污染剂，就让激光器发出该污染剂最强烈吸收的那个波长的光。发射光被吸收掉一部分后，总有一少部分反射回探测器，分析接收到的光强度的变化就能察知污染剂的浓度大小。如将激光器发出的光束波长调谐到与待测污染剂的吸收波长相重合并使其频宽小于该污染剂的吸收线宽，这时，就将产生最强烈的吸收效应。这叫共振吸收，基于测量共振吸收的激光雷达叫共振吸收激光雷达。共振吸收时，除产生热能外，还产生荧光。基于测量共振吸收时所产生的荧光强度的激光雷达叫共振荧光激光雷达。中国*地理网
如果使激光器发出两束波长不同的光，其波长分别位于待测污染剂吸收峰和吸收谷的位置，测量两束光通过污染剂后各自的强度，从而计算污染剂浓度，这种方法叫作差分吸收法，用此原理工作的雷达叫差分吸收激光雷达。
2.米氏散射激光雷达。光波与污染剂分子相互作用除了上述的吸收效应外，还有散射效应。所谓散射是指光在不均匀介质中传播时偏离原来的方向而向各个方向散开的现象。这一现象的产生是因为介质中混杂有折射率各不相同的微小粒子(原子、分子、微粒)之故。如果粒子的径度与光束波长大小相等或稍大于波长，则引起的散射叫米氏散射。米氏散射中入射光波长与反射光波长相等。利用米氏散射原理的激光雷达叫米氏散射激光雷达。
3.喇曼散射激光雷达。如果用一束频率为υ0的单色光照射污染剂，则在散射光中除了频率为u0的成分之外，还有频率为υ0 Δυ和频率为υ0-Δυ的成分，使入射光频率发生位移的这种散射叫喇曼散射。分子种类不同，其喇曼散射光的频率位移值Δυ也不同，与入射光频率υ0无关。可见，探测后向散射光中的Δυ就可推断是哪种污染剂分子存在。利用这个原理的雷达叫喇曼散射激光雷达。
根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。其中直接探测型激光雷达采用脉冲振幅调制技术（AM），且不需要干涉仪。相干探测型激光雷达可用外差干涉，零拍干涉或失调零拍干涉，相应的调谐技术分别为脉冲振幅调制，脉冲频率调制（FM）或混合调制。按照不同功能，激光雷达可分为跟踪雷达，运动目标指示雷达，流速测量雷达，风剪切探测雷达，目标识别雷达，成像雷达及振动传感雷达。

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相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共同在所谓单稳态系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径。并由发射/接收（T/R）开头隔离。T/R开关将发射信号送往输出望远镜和发射扫描系统进行发射，信号经目标反射后进入光学扫描系统和望远镜，这时，它们起光学接收的作用。T/R开关将接收到的辐射送入光学混频器，所得拍频信号由成像系统聚焦到光敏探测器，后者将光信号变成电信号，并由高通滤波器将来自背景源的低频成分及本机振荡器所诱导的直流信号统统滤除。最后高频成分中所包含的测量信息由信号和数据处理系统检出。双稳系统的区别在于包含两套望远镜和光学扫描部件，T/R开关自然不再需要，其余部分与单稳系统的相同。
[概况] 美国陆军1958年就宣告研制成功第一台主动式毒剂遥测仪〔１〕，名叫LOPAIR，是一种基于含磷毒剂对9,8μm波长红外线差分吸收原理的光雷达，但光源不是激光器(世界第一台激光器1960年研制成功)，LOPAIR总重54磅，探测距离400米，对0.01μg/l浓度的神经毒剂有响应。但由于性能不佳，未装备部队。70年代，美国陆军曾探索性地研制过同位素CO2激光雷达〔２〕。作用原理同LOPAIR。为它规定的主要性能要求是：探测距离1km，可探测神经毒剂和模拟剂，灵敏度CL=500mg/m2。但至今未见这种激光雷达研制情况的进一步报道。差不多与此同时，美国陆军当局又同布鲁克工程公司签订合同，研制喇曼散射激光雷达〔３〕，使用一台宇宙线2-J红宝石激光器，全套设备装在一辆拖车上，可在野外不同气候条件下进行污染剂遥感测量，探测距离400米，距离分辨率10米，对SO2的灵敏度300ppm米。后来经改进后，化学兵当局已能用它测量G类和V类神经毒剂，且作用距离增加到2km。还曾计划用它来探测生物战剂。可是，该激光雷达最终也未能装备部队.美国空军80年代研制成功一种差分吸收激光雷达DIAL〔４〕，光源为一只频率可调CO2激光器，该激光器能发出波长位于9~10μm波段(含磷神经毒剂峰值吸收线波长为9.8μm)的60条谱线，以供选择用于照射毒剂。DIAL的作用距离2km，对神经毒剂的灵敏度为0.01mg/m3，对芥子气为0.1mg/m3。计划服役后，每个空军基地机场塔台下的工事中安装2台DIAL，就足以对整个机场实施毒剂监测。1986年，DIAL系统的体积和重量都有所减小，探测距离也增加到了7公里，这更有利于野外使用。还计划将此激光雷达安装在直升机和远程有人驾驶飞机中使用〔５〕。
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