成像激光雷达技术概述

摘要：简要介绍了成像激光雷达技术的应用特点，阐述了成像激光雷达可采用的几种成像技 术及部分单元技术包括激光器和可用的扫描系统技术。概括了成像激光雷达在军事和国民经 济中的应用。 

关键词：激光雷达；成像技术；二元光学；扫描技术 

1.引言

激光雷达的研究最早是从军事应用中开始的，其中一个重要应用是目标识别。主动成像激光雷达系统可以直接获得目标的轮廓和位置信息(即强度像和距离像)，可以很容易地识别目标[1]。分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达两种。在军事、航空航天、工业和医学等领域有广泛的应用。本文将结合成像激光雷达的系统要求和技术指标，分别论述成像激光雷达中扫描成像和非扫描成像的优点和局限性，讨论激光器、探测器和扫描器等元器件的选取及其理论依据。最后将简要介绍主动成像激光雷达技术的主要应用。

2.成像技术

采用直接探测的成像激光雷达系统一般可采用三种技术：

(1)采用单元探测器，每次只探明一个像素大部分成像激光雷达的研究都是采用这种技术，原因是探测器技术和激光器技术都比较成熟。激光器发出一个脉宽很窄的脉冲(一般为ns量级)，经过测量光波的往返时间，确定目标的距离。扫描光学系统(扫描器)将发射脉冲指向目标，回波强度反映目标的反射率特性。扫描器按照一定的扫描图样如光栅扫描将光束指向目标上的不同位置，这样，就可以通过接收系统得到目标的角度-角度-强度图像和角度-角度-距离图像(Angle-Angle-Range-AAR)，AAR又称三维图像。

这种成像技术要求激光的重复频率要高、脉冲宽度要窄，单脉冲能量要大。

(2)采用面阵探测器，每次探测所有像素一般来说，成像激光雷达存在着高成像速率和高分辨率(高像素数)的矛盾，即不可能使成像分辨率达到很高的同时，还使成像速率也达到很高。这种矛盾对采用单元探测器的激光雷达尤为突出。因此，必须折衷考虑两者的关系。在成像像素数要求很高而成像速率要求不很高的情况下，可采用这种技术。通过控制发射激光，使发射光能同时覆盖整个目标，然后用一个二维阵列探测器接收回波信号。这种方法一般需要对发射光进行调制，对接收信号进行解调，才能测量到距离信息。这种技术的优点是不需要扫描器，缺点是要求激光器发射功率要足够大，无法采用高灵敏度的APD探测器。

(3)采用阵列探测器，每次探测几个像素这种技术可以作为上述两种技术的折衷。将发射光分为x束，同时照射目标上x点。从x点反射回的信号投射到对应的x元探测上，通过处理可得到x个像素数的距离信息和强度信息。通过扫描器扫描，直到探测到所要求的像素数时，成像显示。这种技术较为新颖，比较有发展潜力，难度也较大。目前这项研究才刚刚起步，用于这项研究的高灵敏度阵列APD探测器线列维数可达32维，面阵APD可达8×8。将一束光分为几束光同时照射目标，用相同维数的探测器探测对应的回波信号，就可以实现高速高分辨率成像。这项研究难度较大，对扫描器的要求较高，信号的探测也较为困难。以上是三种不同的成像技术，必须根据实际要求来选择不同的方法。