文档介绍：课 程 主 要 内 容
绪论
基本知识、应用前景、发展概况
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
激光成像雷达
工作原理、设计方法、典型举例
激光测风雷达
工作原理、设计方法、典型举例
激光差分吸收雷达
工作原理、设计方法、典型举例
信号处理方法
微弱信号检测、数字化处理与算法
数据处理方法
数据反演、显示
学时安排:20,1~5周
一、基本知识
一 基 本 知 识
激光雷达的概念及内涵
“雷达”(RADAR-Radio Detection And Ranging)。传统的雷达是以微波和毫米波作为载波的雷达,大约出现1935年左右。
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,主要用于航天飞行器交会对接,并研制出原理样机;1978年美国国家航天局马歇尔航天中心研制成CO2相干激光雷达.
激光雷达(LADAR-Laser Detection And Ranging)是以激光作为载波的雷达,以光电探测器为接收器件,以光学望远镜为天线的雷达。
一 基 本 知 识
早期,人们还叫过光雷达(LIDAR-Light Detection And Ranging),这里所谓的光实际上是指激光。现在,普遍采用LADAR这个术语,以区别于原始而低级的LIDAR。
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、激光差分吸收雷达、拉曼散射激光雷达、微脉冲激光雷达、激光合成孔径雷达、激光相控阵雷达等。
一 基 本 知 识
激光雷达与微波雷达的异同
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,两者在工作原理和结构上有许多相似之处
工作频率由无线电频段改变成了光频段,
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。
信号处理,激光雷达基本上沿用了微波雷达中的成熟技术。
雷
达
种
类
宏
观
评
价
综
合
性
能
微波雷达
毫米波雷达
激光雷达
跟踪测量精度
下
中
上
作用距离
上
中
下
目标搜索和捕获能力
上
中
下
目标识别能力
下
中
上
全天候工作能力
上
中
下
抗电子干扰能力
下
中
上
抗反辐射导弹能力
下
中
上
抗隐身目标能力
下
中
上
低仰角跟踪能力
下
中
上
低截获概率能力
下
中
上
多目标探测和跟踪能力
上
中
下
技术成熟程度
上
中
下
表1-1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
激光雷达的优点
工作频率非常高,较微波高3~4个数量级。
激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。
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。
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(可达厘米量级)测距。
一 基 本 知 识
能量高度集中。
用很小的准直孔径(10cm左右)即可获得很高的天线增益和极窄的波束(1mrad左右),而且无旁瓣,因而可实现高精度测角()、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。
单色性和相干性好。
气体激光器的谱线宽度可达10-3~10-4nm,而且频率稳定度能做得很高,可实现高灵敏度外差接收。
一 基 本 知 识
激光雷达的基本构成
激光器。
激光器是激光雷达的核心器件。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)、对人眼安全程度、可靠性、成本和技术成熟程度等。
从目前实际应用来看,Nd:YAG固体激光器、CO2气体激光器和GaAlAs半导体二极管激光器、光纤激光器等最具有代表性。
一 基 本 知 识
光电探测器。
适合于激光雷达用的光电探测器主要有PIN光电二极管、硅雪崩二极管(SiAPD)、光电导型碲镉汞(HgCdTe)探测器和光伏型碲镉汞探测器
光学天线
透射式望远镜(开普勒、伽利略)
反射式望远镜(牛顿式、卡塞哥伦)
收发合置光学天线
收发分置光学天线
自由空间光路
全光纤光路
波片(四分之一、二分之一)
分束镜、合束镜、布鲁斯特窗片