哈工大激光雷达一——激光雷达基本知识.pptx
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1、 激光雷达技术(激光雷达技术(1 1)基本知识、应用前景、发展概况基本知识、应用前景、发展概况哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨工业大学航天学院 王春晖王春晖课课程程主主要要内内容容1.绪论绪论基本知识、应用前景、发展概况基本知识、应用前景、发展概况2.激光雷达基本理论激光雷达基本理论 雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等雷达方程、探测方式、传输特性、天线特性等3.激光成像雷达激光成像雷达 工作原理、设计方法、典型举例工作原理、设计方法、典型举例4.激光测风雷达激光测风雷达 工作原理、设计方法、典型举例工作原理、设计方法、典型举例5.激光差分吸收雷达激光差分吸收雷达 工作原理、设计方法、典型举例
2、工作原理、设计方法、典型举例6.信号处理方法信号处理方法 微弱信号检测、数字化处理与算法微弱信号检测、数字化处理与算法7.数据处理方法数据处理方法 数据反演、显示数据反演、显示1.学时安排:学时安排:20,15周周一、基本知识一一基基本本知知识识1.激光雷达的概念及内涵激光雷达的概念及内涵n“雷达雷达”(RADAR-Radio Detection And(RADAR-Radio Detection And Ranging)Ranging)。传统的雷达是以微波和毫米波。传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达,大约出现作为载波的雷达,大约出现19351935年左右。年左右。n最早公开报道提出激光
3、雷达的概念是最早公开报道提出激光雷达的概念是:1967年美国国际电话和电报公司提出的,年美国国际电话和电报公司提出的,主要用于航天飞行器交会对接,并研制出主要用于航天飞行器交会对接,并研制出原理样机原理样机;1978年美国国家航天局马歇尔航年美国国家航天局马歇尔航天中心研制成天中心研制成CO2相干激光雷达相干激光雷达.n激光雷达激光雷达(LADAR-Laser Detection And(LADAR-Laser Detection And Ranging)Ranging)是以激光作为载波的雷达,以光是以激光作为载波的雷达,以光电探测器为接收器件,以光学望远镜为天电探测器为接收器件,以光学望远镜
4、为天线的雷达。线的雷达。一一基基本本知知识识n早期,人们还叫过光雷达早期,人们还叫过光雷达(LIDAR-Light(LIDAR-Light Detection And Ranging)Detection And Ranging),这里所谓的,这里所谓的光实际上是指激光。现在,普遍采用光实际上是指激光。现在,普遍采用LADARLADAR这个术语,以区别于原始而低级的这个术语,以区别于原始而低级的LIDARLIDAR。n以后世界上陆续提出并实现:激光多普以后世界上陆续提出并实现:激光多普勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、勒雷达、激光测风雷达、激光成像雷达、激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、激光
5、差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。激光相控阵雷达等。一基本知识2.激光雷达与微波雷达的异同激光雷达与微波雷达的异同n激光雷达是以激光器为辐射源的雷达,它激光雷达是以激光器为辐射源的雷达,它是在微波雷达技术基础上发展起来的,两是在微波雷达技术基础上发展起来的,两者在工作原理和结构上有许多相似之处者在工作原理和结构上有许多相似之处n工作频率由无线电频段改变成了光频段,工作频率由无线电频段改变成了光频段,n雷达具体结构、目标和背景特性上发生了雷达具体结构、目标和背景特性上发生了变化。微波天线由光学望远镜代替;接收变化
6、。微波天线由光学望远镜代替;接收通道中微波雷达可以直接用射频器件对接通道中微波雷达可以直接用射频器件对接收信号进行放大、混频和检波等处理,激收信号进行放大、混频和检波等处理,激光雷达则必须用光电探测器将光频信号转光雷达则必须用光电探测器将光频信号转换成电信号后进行处理。换成电信号后进行处理。n信号处理,激光雷达基本上沿用了微波雷信号处理,激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。达中的成熟技术。雷达种类宏观评价综合性能微波雷达微波雷达毫米波雷达毫米波雷达激光雷达激光雷达跟踪测量精度跟踪测量精度下下中中上上作用距离作用距离上上中中下下目标搜索和捕获能力目标搜索和捕获能力上上中中下下目标识别能力目
7、标识别能力下下中中上上全天候工作能力全天候工作能力上上中中下下抗电子干扰能力抗电子干扰能力下下中中上上抗反辐射导弹能力抗反辐射导弹能力下下中中上上抗隐身目标能力抗隐身目标能力下下中中上上低仰角跟踪能力低仰角跟踪能力下下中中上上低截获概率能力低截获概率能力下下中中上上多目标探测和跟踪能力多目标探测和跟踪能力上上中中下下技术成熟程度技术成熟程度上上中中下下表表1-11-1各种频段雷达综合性能的宏观比较各种频段雷达综合性能的宏观比较一基本知识一基本知识3.3.激光雷达的优点激光雷达的优点n工作频率非常高,较微波高工作频率非常高,较微波高34个数量级。个数量级。激光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒激
8、光作为雷达辐射源探测运动目标时多普勒频率非常高,因而速度分辨率极高。频率非常高,因而速度分辨率极高。n工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外,有利于对抗电子干扰和反隐身。频率之外,有利于对抗电子干扰和反隐身。n有效的绝对带宽很宽,能产生极窄的脉冲有效的绝对带宽很宽,能产生极窄的脉冲(纳秒至飞秒量级),以实现高精度(可达(纳秒至飞秒量级),以实现高精度(可达厘米量级)测距。厘米量级)测距。一基本知识n能量高度集中能量高度集中。用很小的准直孔径(用很小的准直孔径(10cm左右)即可获得很高的左右)即可获得很高的天线增益和极窄的波束(天线增益和极窄的波束
9、(1mrad左右),而且无左右),而且无旁瓣,因而可实现高精度测角(优于旁瓣,因而可实现高精度测角(优于0.1mrad)、)、单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像,且单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像,且不易被敌方截获,自身隐蔽性强。不易被敌方截获,自身隐蔽性强。n单色性和相干性好。单色性和相干性好。气体激光器的谱线宽度可达气体激光器的谱线宽度可达10-310-4nm,而且频率,而且频率稳定度能做得很高,可实现高灵敏度外差接收。稳定度能做得很高,可实现高灵敏度外差接收。一基本知识4.激光雷达的基本构成激光雷达的基本构成激光器。激光器。n激光器是激光雷达的核心器件。激光器种激光器是激光雷达
10、的核心器件。激光器种类很多,性能各异,究竟选择哪种激光器类很多,性能各异,究竟选择哪种激光器作为雷达辐射源,往往要对各种因素加以作为雷达辐射源,往往要对各种因素加以综合考虑,其中包括:波长、大气传输特综合考虑,其中包括:波长、大气传输特性、功率、信号形式、功率要求、平台限性、功率、信号形式、功率要求、平台限制(体积、重量和功耗)、对人眼安全程制(体积、重量和功耗)、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等。度、可靠性、成本和技术成熟程度等。n从目前实际应用来看,从目前实际应用来看,Nd:YAGNd:YAG固体激光器、固体激光器、COCO2 2气体激光器和气体激光器和GaAlAsGaAlAs
11、半导体二极管激光半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。器、光纤激光器等最具有代表性。一基本知识光电探测器。光电探测器。n适合于激光雷达用的光电探测器主要有适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电光电二极管、硅雪崩二极管二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉、光电导型碲镉汞汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器探测器和光伏型碲镉汞探测器 光学天线光学天线n透射式望远镜(开普勒、伽利略)透射式望远镜(开普勒、伽利略)n反射式望远镜(牛顿式、卡塞哥伦)反射式望远镜(牛顿式、卡塞哥伦)n收发合置光学天线收发合置光学天线n收发分置光学天线收发分置光学天线n自由空间光路自由空间
12、光路n全光纤光路全光纤光路n波片(四分之一、二分之一)波片(四分之一、二分之一)n分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片一基本知识光学扫描器。光学扫描器。n多面体扫描器,利用多面体(多面体扫描器,利用多面体(6-12面)的转面)的转动来扫描,优点是扫描线性好、精度高,动来扫描,优点是扫描线性好、精度高,缺点是体积大、价格高;缺点是体积大、价格高;n检流计式振镜扫描器,扫描角检流计式振镜扫描器,扫描角 15;n声子偏转器,利用声光效应使入射光线产声子偏转器,利用声光效应使入射光线产生偏转而实现光扫描,声光偏转器的扫描生偏转而实现光扫描,声光偏转器的扫描角不大,一般在角不大,一般
13、在 3 左右左右 n压电扫描器,利用逆压电效应产生摆动的压电扫描器,利用逆压电效应产生摆动的新型扫描器;新型扫描器;n全息光栅扫描器。全息光栅扫描器。n光学相位扫描光学相位扫描nMEMS扫描器扫描器 一基本知识5.激光雷达的基本体制激光雷达的基本体制n同微波雷达一样,可以依据信号形式、同微波雷达一样,可以依据信号形式、探测方式和测量原理等对激光雷达体制探测方式和测量原理等对激光雷达体制进行分类。进行分类。n按不同信号形式按不同信号形式:脉冲脉冲 连续波连续波 每一类中又有不同的信号波形。每一类中又有不同的信号波形。n按不同探测方式按不同探测方式:直接探测(能量探测)直接探测(能量探测);相干探
14、测(外差探测)相干探测(外差探测)一基本知识n按不同功能按不同功能:跟踪雷达(测距和测角)跟踪雷达(测距和测角);测速雷达(测量多普勒信息)测速雷达(测量多普勒信息);动目标指示雷达(目标的多普勒信息)动目标指示雷达(目标的多普勒信息);成像雷达(测量目标不同部位的反射强成像雷达(测量目标不同部位的反射强度和距离等信号)度和距离等信号);差分吸收雷达(目标介质对特定频率光差分吸收雷达(目标介质对特定频率光的吸收强度)等。的吸收强度)等。n用微波相控阵原理的激光相控阵雷达用微波相控阵原理的激光相控阵雷达n利用微波合成孔径原理的激光合成孔径利用微波合成孔径原理的激光合成孔径雷达。雷达。一基本知识6
15、.激光雷达的应用激光雷达的应用跟踪跟踪成像制导成像制导三维视觉系统三维视觉系统测风测风大气环境监测大气环境监测主动遥感主动遥感一基本知识7.研究内容及关键技术研究内容及关键技术激光器技术激光器技术探测器及探测技术探测器及探测技术大气传输特性大气传输特性激光雷达理论激光雷达理论信号处理技术信号处理技术数据处理技术数据处理技术控制技术控制技术光学系统设计与加工技术光学系统设计与加工技术机械设计与加工技术机械设计与加工技术二、应用前景二二应应用用前前景景1.侦察用成像激光雷达侦察用成像激光雷达 2.障碍回避激光雷达障碍回避激光雷达 3.大气监测激光雷达大气监测激光雷达 4.制导激光雷达制导激光雷达
16、5.化学化学/生物战剂探测激光雷达生物战剂探测激光雷达 6.水下探测激光雷达水下探测激光雷达 7.空间监视激光雷达空间监视激光雷达 8.机器人三维视觉系统机器人三维视觉系统9.其他军用激光雷达其他军用激光雷达 弹道导弹防御激光雷达弹道导弹防御激光雷达 靶场测量激光雷达靶场测量激光雷达 振动遥测激光雷达振动遥测激光雷达 多光谱激光雷达多光谱激光雷达 三、发展概况火火池池激激光光雷雷达达n“火池火池”(Firepond)激光雷达,是由美国激光雷达,是由美国麻省理工学院林肯实验室麻省理工学院林肯实验室(MIT)于于60年代年代末研制的。末研制的。70年代初,林肯实验室演示年代初,林肯实验室演示了火池
17、雷达精确跟踪卫星的能力。了火池雷达精确跟踪卫星的能力。n80年代末的火池激光雷达,采用一台高年代末的火池激光雷达,采用一台高稳定稳定CO2激光器作为信号源,经一台窄激光器作为信号源,经一台窄带带CO2激光放大器放大,其频率则由单激光放大器放大,其频率则由单边带调制器调制。孔径为边带调制器调制。孔径为1.2m的望远镜的望远镜发射接收。发射接收。n氩离子激光与上述雷达波束复合,用于氩离子激光与上述雷达波束复合,用于对目标进行角度跟踪,而雷达波束的功对目标进行角度跟踪,而雷达波束的功能则是收集距离能则是收集距离多普勒影像,实时多普勒影像,实时处理并加以显示。处理并加以显示。火火池池激激光光雷雷达达火
18、火池池激激光光雷雷达达n美国战略防御局和麻省理工学院于美国战略防御局和麻省理工学院于19901990年年3 3月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西月用上述装置对一枚从弗吉尼亚大西洋海岸发射的探空火箭进行了跟踪实验。洋海岸发射的探空火箭进行了跟踪实验。n在二级点火后在二级点火后6 6分钟,火箭进入亚轨道,分钟,火箭进入亚轨道,即爬升阶段,并抛出其有效负载,即一即爬升阶段,并抛出其有效负载,即一个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞个形状和大小均类似于弹道导弹再入飞行器的可充气气球。目标最初由行器的可充气气球。目标最初由L L波段跟波段跟踪雷达和踪雷达和X X波段成像雷达进行跟踪。并将波段成像雷达进行跟踪
19、。并将这些雷达取得的数据交给火池激光雷达,这些雷达取得的数据交给火池激光雷达,后者成功地获得了距离约后者成功地获得了距离约800800千米处目标千米处目标的图像。的图像。激激光光成成像像雷雷达达1.激光成像雷达激光成像雷达 激光雷达分辨率高,可以采集三维数据,激光雷达分辨率高,可以采集三维数据,如方位角如方位角-俯仰角俯仰角-距离、距离距离、距离-速度速度-强强度,并将数据以图像的形式显示,获得度,并将数据以图像的形式显示,获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等,有潜力成为重要的侦察手段。度图像等,有潜力成为重要的侦察手段。2.2.扫描激光成像雷达扫描
20、激光成像雷达 非扫描激光成像雷达非扫描激光成像雷达激激光光成成像像雷雷达达1.1.激光成像雷达的优点激光成像雷达的优点:n分辨率高,具有很高的角度、距离、速度和图分辨率高,具有很高的角度、距离、速度和图像分辨率,因而能探测飞行路径中截面积小的像分辨率,因而能探测飞行路径中截面积小的障碍物如电线、电线杆等;能使巡航导弹具有障碍物如电线、电线杆等;能使巡航导弹具有地形跟随和障碍物回避的能力,有利于低空入地形跟随和障碍物回避的能力,有利于低空入侵,特别是在夜晚和坏气象的条件下。侵,特别是在夜晚和坏气象的条件下。n图像稳定。激光雷达图像所记录的是目标的三图像稳定。激光雷达图像所记录的是目标的三维本性,
21、不受昼夜、季节、气候、温度、照度维本性,不受昼夜、季节、气候、温度、照度变化以及各种干扰的影响。根据稳定的激光雷变化以及各种干扰的影响。根据稳定的激光雷达三维图像所预测的目标特征和所发展的目标达三维图像所预测的目标特征和所发展的目标识别算法软件,真实、准确和可靠,使导引头识别算法软件,真实、准确和可靠,使导引头能以极低的虚警率可靠地自动识别目标。能以极低的虚警率可靠地自动识别目标。激激光光成成像像雷雷达达n能提供目标的三维图像,同时提供目标的距离能提供目标的三维图像,同时提供目标的距离和速度数据。这一特点能使导引头全方位识别和速度数据。这一特点能使导引头全方位识别目标,特别是一些形状大同小异的
22、目标,还能目标,特别是一些形状大同小异的目标,还能在实战中选择最佳的角度接近目标。在实战中选择最佳的角度接近目标。2.2.激光成像雷达的应用激光成像雷达的应用:n巡航导弹、航空导弹、灵巧弹药等精确制导。巡航导弹、航空导弹、灵巧弹药等精确制导。n隐蔽物侦察隐蔽物侦察n移动机器人等三维视觉系统移动机器人等三维视觉系统n航路导引,航路导引,n精确末制导精确末制导n地形跟随和障碍物回避地形跟随和障碍物回避n目标自动识别和敌我识别目标自动识别和敌我识别n目标上瞄准点的选择目标上瞄准点的选择 激激光光成成像像雷雷达达CMAG研究计划研究计划n1977年美国国防部高级研究计划局和美国空军航空系年美国国防部高
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