激光雷達原理

激光雷達原理讀書筆記激光雷達原理 讀書筆記99121-19鄧洪川一.概念:“雷達”(RadioDetectionandRange,Radar)是一種利用電磁波探測目標位置的電子設(shè)備.電磁波其功能包括搜索目標和發(fā)現(xiàn)目標;測量其距離,速度,角位置等運動參數(shù);測量目標反射率,散射截面和形狀等特征參數(shù)。傳統(tǒng)的雷達是微波和毫米波波段的電磁波為載波的雷達。激光雷達以激光作為載波.可以用振幅、頻率、相位和振幅來搭載信息，作為信息載體。激光雷達利用激光光波來完成上述任務。可以采用非相干的能量接收方式，這主要是一脈沖計數(shù)為基礎(chǔ)的測距雷達。還可以采用相干接收方式接收信號，通過后置信號處理實現(xiàn)探測。激光雷達和微波雷達并無本質(zhì)區(qū)別，在原理框圖上也十分類似，見下圖微波雷達激光雷達激光雷達由發(fā)射，接收和后置信號處理三部分和使此三部分協(xié)調(diào)工作的機構(gòu)組成。激光光速發(fā)散角小，能量集中，探測靈敏度和分辨率高。多普勒頻移大，可以探測從低速到高速的目標。天線和系統(tǒng)的尺寸可以作得很小。利用不同分子對特定波長得激光吸收、散射或熒光特性，可以探測不同的物質(zhì)成分，這是激光雷達獨有的特性。目前，激光雷達的種類很多，但是按照現(xiàn)代的激光雷達的概念，常分為以下幾種：(1)按激光波段分，有紫外激光雷達、可見激光雷達和紅外激光雷達。(2)按激光介質(zhì)分，有氣體激光雷達、固體激光雷達、半導體激光雷達和二極管激光泵浦固體激光雷達等。(3)按激光發(fā)射波形分，有脈沖激光雷達、連續(xù)波激光雷達和混合型激光雷達等。第1頁共9頁激光雷達原理讀書筆記（4）按顯示方式分，有模擬或數(shù)字顯示激光雷達和成像激光雷達。（5）按運載平臺分，有地基固定式激光雷達、車載激光雷達、機載激光雷達、船載激光雷達、星載激光雷達、彈載激光雷達和手持式激光雷達等。（6）按功能分，有激光測距雷達、激光測速雷達、激光測角雷達和跟蹤雷達、激光成像雷達，激光目標指示器和生物激光雷達等。（7）按用途分，有激光測距儀、靶場激光雷達、火控激光雷達、跟蹤識別激光雷達、多功能戰(zhàn)術(shù)激光雷達、偵毒激光雷達、導航激光雷達、氣象激光雷達、偵毒和大氣監(jiān)測激光雷達等。激光雷達的波長比微波斷好幾個數(shù)量級，又有更窄的波束。因此，于微波雷達相比，激光雷達具有如下優(yōu)點：（1）角分辨率高，速度分辨率高和距離分辨率高。采用距離-多普勒成像技術(shù)可以得到運動目標的高分辨率的清晰圖象。（2）抗干擾能力強，隱蔽性好；激光不受無線電波干擾，能穿越等離子鞘，低仰角工作時，對地面多路徑效率不敏感。激光束很窄，只有在被照射的那一點，那瞬間，才能被接收，所以激光雷達發(fā)射的激光被截獲的概率很低。激光雷達的波長短，可以在分子量級上對目標探測。這是微波雷達無能為力的。在功能相同的情況下，比微波雷達體積小，重量輕。當然，激光雷達也有如下缺點：激光受大氣及氣象影響大。大氣衰減和惡劣天氣使作用距離降低。此外，大氣湍流會降低激光雷達的測量精度。激光束窄，難以搜索目標和捕獲目標。一般先有其他設(shè)備實施大空域、快速粗捕目標，然后交由激光雷達對目標進行精密跟蹤測量。二.激光雷達作用距離方程激光和微波統(tǒng)屬電磁波，激光雷達作用距離方程的推導與微波雷達的推導是相似的。從微波雷達作用距離方程可以導出激光雷達方程：PG5 兀D2P=—L_乙XXX"HR 4兀R2 4兀R2 4AtmSys式中，PR是接收激光功率（W）；PT發(fā)射激光功率（W）；gt是發(fā)射天線增益；。是目標散射截面；D是接收孔徑（m）；R是激光雷達達到目標的距離（m）；nAtm是單程大氣傳輸系數(shù)；nsys是激光雷達的光學系統(tǒng)的傳輸系數(shù)。定義A「nD2是有效接收面積（m2）.式中還有：其中兩式中，0T是發(fā)射激光的帶寬；人是發(fā)射激光的波長；Ka是孔徑透光常數(shù)。經(jīng)過整理，式（1）變?yōu)?&第2頁共9頁激光雷達原理讀書筆記PoD4P二j刀刀R 16-2K2R4 AtmSys目標的散射截面為4兀八

o=——pdAQT式中，。是目標的散射立體角；dA是目標的面積；。丁是目標平面反光系數(shù)。激光雷達作用距離可以看成發(fā)射一定功率激光后的激光大氣傳輸、目標特性、光學系統(tǒng)傳輸特性和接收機四項因子的乘積形式。但是，對于不同的目標，雷達作用距離方程有不同得意義和形式：.點目標如果激光雷達探測到的能量包含從目標上被照亮的光斑點反射回的所有能量，那么在作用距離方程計算中，要用目標上整個被照亮的區(qū)域來計算。計算時要用到激光雷達照射目標時的散射截面。對于一個朗伯散射的點目標。被照射的面積元dA,該截面qpt簡化為o=4pdA式中，ppt是點目標的平均反射系數(shù)。代入作用距離方程標準形式中，便得出點目標反回來的接收信號功率為PpD4dAP=TT ""R 4R4K212 AtmSysa方程中，均假設(shè)發(fā)射和接受的光波有相同的波長。.擴張目標如果接收到目標的全部回波光束，就可認為是一個與目標大小有關(guān)的擴展目標，并且光斑附近的目標的所有輻射都能反射。在近程探測時，一般看成擴張目標。當圓光斑照射時，照射的面積為兀R402dA= t-4式中，eT是發(fā)射激光的衍射極限角。對擴展目標的朗伯散射目標有o=npR202Ext ExtT于是有兀PpD2PR'YRknAtmnSys式中，PExt是擴展目標的平均反射系數(shù)。注意，在近程作用下，大氣影響可近似考慮為單程傳輸影響。.線形目標第3頁共9頁激光雷達原理讀書筆記如一般電線，她的長度大于一個被照亮區(qū)域的長度，而寬度卻小于被照區(qū)域?qū)挾??？紤]到一個漫射的線性目標，線徑為d和長度為R0T，一個與距離R3成反比的關(guān)系就可以推出來。0T仍是發(fā)射激光極限角。 T目標在激光光斑中截面可以近視表示為o=4pR0d于是有PpdD3P=TWHHr 4R3K/AtmSysa式中，PW是線形目標的平均反射系數(shù)。三.激光雷達作用距離方程的能量形式將激光雷達作用距離方程中的接收和傳輸功率變成能量，于是得到激光雷達作用距離方程的能量形式。基本關(guān)系下圖T RR式中，ER是接收機收到的目標返回的能量；Et是發(fā)射機的激光能量；R是發(fā)射機到目標的距離；\是接收機到目標的距離；。是目標達平均反射率；nT為包括大氣影響的發(fā)射光束的單程傳輸系數(shù)；nR為包括大氣影響的接受光束的單程傳輸系數(shù)；Qt為發(fā)射光束的發(fā)散角；Qr為返回光束的發(fā)散角，其中Q取立體角：Q=面積/距離2=A/R2%是目標截面：A=，R2Q2T4T第4頁共9頁

激光雷達原理讀書筆記Ac是接收機的接收孔徑面積：Ac<R2Qr在許多情況下，還需要確定在特定的接收功率下（或系統(tǒng)的最小可探測公率）的最大作用距離.對這種反問題的求解時，由于激光雷達作用距離方程的非線性，代數(shù)求解是困難的。通過牛頓迭代法等可以求反問題的解，得到作用距離方程：八PpdAD4 ]1/4R: nH4PK2Z2AtmSysRRa 」四.激光雷達探測原理激光雷達最重要的性能參數(shù)是系統(tǒng)信噪比（SNR）。圖（三）給出了激光雷達的非相干和相干接收機方框圖。非相干接收非相干接收背景噪聲非相干接收機除了信號光功率Ps以外，還有附加項，即背景光功率Pbk。。它是由太陽光和物體的自身輻射，物體對輻射的反射、漫反射和閃爍等引起的不必要的噪聲信號在接收機非線性光探測器中變?yōu)殡娦盘柡捅环糯?，?jīng)過匹配濾波器和其他抑制噪聲的措施后，產(chǎn)生一個視頻帶寬的有效信號。相干接收機中，除了激光器所發(fā)出的頻率為f°的信號光外還有經(jīng)過光束分束器的本振光。信號光的回波和本振光一同耦合到光探測。除了接收到光信號光功率Ps，外本地震蕩光功率PLo，它們一同與背景噪聲項Pbk相競爭，結(jié)果就壓抑了噪聲。 L°背景噪聲有：物體的黑體輻射：￡OT4AXQAp=trrnnBb 兀 AtmSys第5頁共9頁

激光雷達原理讀書筆記陽光的后向散射：p『Rr*rp%4陽光的大氣散射：P=kSAXQInANs1IRRRSSysR上式中，￡是目標的輻射系數(shù);。是目標的反射系數(shù);T是目標的溫度(K);A人是光波長范圍(um);AR是接收機探測器敏感面面積(m2);k1是太陽光通過大氣的透過系數(shù);SIRR是太陽的輻射度(卬?m2.Rm-i);is是大氣的散射系數(shù);nSys是系統(tǒng)的光學效率;QR是輻射體輻射的能量的立體角;。T是斯特藩-玻耳茲曼常數(shù).信噪比的表達i2SNR二 s i2+i2+i2+i2+i2SNTHBKDKLo式中,i2是信號電流的均方值；i2是散彈噪聲電流的均方值；i2是熱噪聲電流的均方值;S TH BKiDK是背景噪聲電流的均方值；iLo是暗電流的均方值;是本振電流的均方值.將以上電流代入信噪比SNR方程可以得到非相干和相干激光雷達信噪比方程非相干激光雷達的信噪比SNR方程可以表示為：SNR=_hvnpSNR=_hvD|SJfKkK「TH相干激光雷達的信噪比SNR方程表示為SNRnppSNRhvB[(PS+Pk+P0)]+KPDk+K4PTH式中,SNR是激光雷達系統(tǒng)的功率信噪比；nD是探測器的量子效率;h是普朗克常量；v是激光頻率;B是電子帶寬;Ps是接收信號光功率;PBk背景光功率；PDk是探測器暗電流功率；PTH是等效熱噪聲功率；PL。是本振光功率.第6頁共9頁激光雷達原理讀書筆記五.激光的大氣傳輸特性激光的的大氣傳輸和目標的特性有密切關(guān)系.大氣傳輸?shù)挠绊懼饕憩F(xiàn)在以下幾個方面:(1)大氣層某些氣體分子對激光的選擇性吸收引起的衰減.比如:對于入射功率為P(入)的激光光束通過x的路程后，激光功率將由大氣組分的吸收衰減為PQ,x)=PQ,0)exp*Q)x]式中,k(人)為吸收系數(shù);P(入，x)是經(jīng)過x路程后透射出的激光功率.(2)大氣中懸浮微粒對激光的散射引起的衰減.對波長為人的單色激光光束,在不均勻的介質(zhì)中傳播距離x后，由于純散射作用,將使激光光束延x方向的衰減為P%(x)=々(0)ex)[-y(九)x]上式中，々(x),々(0)分別是在散射前和經(jīng)過x距離散射后的單色激光光功率；y(九)是散射系數(shù),它可以表示為y(九)=\0)+y0)\0)和ya(九)分別表示分子散射系數(shù)和懸浮微粒的散射系數(shù).(3)大氣物理性質(zhì)的劇烈變化,導致閃爍引起的照度的變化和調(diào)制.(4)大氣分子和懸浮微粒本身的物理性質(zhì)的變化引起的激光光束性質(zhì)的變化.(5)大氣湍流使光學折射率發(fā)生隨機變化開機光束經(jīng)過時，引起的波前畸變,改變激光的強度和相干性.大氣湍流是大氣中大氣分子團相對于大氣整體平均運動的一種不規(guī)則的運動，對激光傳輸?shù)挠绊懯谴髿夥肿訄F的折射率的隨機變化所致的閃爍效應引起的.它導致了光束強度起伏、相位起伏、光束擴展、光束漂移和相點抖動等現(xiàn)象...激光雷達的發(fā)射機和接收機激光發(fā)射機以一定的波長和波形,通過光學天線發(fā)射一定功率的激光.激光接收機通過光學天線收集目標的回波信號，進過光電探測轉(zhuǎn)換成電信號,再經(jīng)過放大和信號處理獲得距離、方位、速度和圖象信息,完成一定的判斷功能，輸送到顯示和控制系統(tǒng).激光接收機由激光器、調(diào)制器、冷卻系統(tǒng)、發(fā)射天線和激光電源組成.相干激光雷達的發(fā)射機還有激光穩(wěn)頻系統(tǒng)，頻率控制系統(tǒng)和偏振控制系統(tǒng).接收機有非相干接收技術(shù)和相干接收技術(shù)兩大類.非相干接收技術(shù)是接收能量的直接形式.它的優(yōu)點是技術(shù)簡單和成熟,相干接收技術(shù)，有外差接收、自差接收和零差接收等方式.它的接受靈敏度，速度分辨率高，但是，需要接收機的頻帶特別寬，對激光發(fā)射的頻率穩(wěn)定度的要求也高,對光學天線系統(tǒng)和機內(nèi)光路的校準的要求更嚴格，信息處理單元更復雜，所以，應該根據(jù)第7頁共9頁激光雷達原理讀書筆記具體的使用要求確定采用那種接收方式..激光雷達的機制激光雷達系統(tǒng)的收發(fā)體制的核心問題是激光的發(fā)射波形.激光的發(fā)射波形可以有調(diào)幅連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波和窄脈沖.目前比較流行的論點是激光發(fā)射波形采用三角形或者線性調(diào)頻連續(xù)波，后置信號處理采用脈沖壓縮技術(shù).進來由于可調(diào)諧激光技術(shù)和高度重復頻率的窄脈沖技術(shù)的發(fā)展，顯示了許多優(yōu)點，引起人們的重視.在選定激光波長和所需的功率后,調(diào)制形式是激光雷達設(shè)計中，最有挑戰(zhàn)性的任務.下表給出了窄脈沖和調(diào)頻連續(xù)脈沖的發(fā)射波形的性能比較.因此，兼顧作用距離和分辨率兩方面的要求,應采用大的時寬與帶寬之積信號.窄脈沖和調(diào)頻連續(xù)波的發(fā)射波形的性能比較波形相干探測（相同測距分辨率和一定功率限制條件下）測距分辨率測速分辨率成像速率窄脈沖難