成像激光雷达

美国Arete 机构研制了一种最新的、高分辨率的条纹管成像激光雷达STIL， 使上述情况得到改善。STIL 技术应用极短的脉冲， 这种系统即便在散射率很高的媒质也能给出相当精确的测量精度。条纹管比较低的背景噪声和暗电流噪声使每一像素的滞留时间很短(≤1ns)， 这样就克服了仅靠扩大CCD阵列的尺寸和帧频率来提高成像像元素和帧频速率的限制。条纹管通过静电扫描获得不同的距离信号， 并被CCD 阵列捕捉成像。STIL 系统有很广的应用领域， 如医疗成像、电光鉴别、高分辨率的海洋摄像、空中监控， 等等。90年代末， 美国空军研究实验室与Arete 合作， 将这项技术应用到目标自动识别的巡航导弹上， 条纹管能利用激光的高重复频率(10 -20KHz)， 使得CCD 阵列上每一单元堆积较多的脉冲数， 并以不太高的帧频(150Hz)读出信噪比改善的像信号， 这就不需要激光器具有太高的能量， 从而压缩了激光器的尺寸， 减少了重量， 降低了成本。其性能参数可达到如下数据:视场角47 .6°， 像元数256 *1024 ， 平均功率10W ，脉宽8ns ， 重复频率20KHz ， 距离分辨率约15cm ， 作用距离能达到1 -2km。同时，Arete 正在研制一种新的运算规则， 它被用于红外探测器来探测和跟踪贴海面飞行的亚音速巡航导弹， 这种探测器能够监控导弹位置和速度的变化， 能最大化地提探测概率，极大地降低虚警概率。 

这里的线性调制脉冲信号是一个简单的正弦波， 它的频率在经过周期T 后增加ΔF ， 然后又返回到原来的频率值。距离分辨率ΔR =c/(2ΔF);fif =ΔF(τ/T)， τ=2(D/c)， D 为目标到探测器的距离， 因此， fif =2ΔF(D/cT)， 可以看出fif正比与目标到探测器的距离;通过对fif傅立叶变化可以得到我们所需要的距离信息。将这种技术应用到调制频率为1 -2GHz ， 输出功率为4W 的半导体激光雷达上， 距离分辨率小于0 .3m， 作用距离可达几千米。

2.3.二极管泵浦固体成像激光雷达

二极管泵浦固体激光器(DPL)的发展， 给固体激光雷达技术注入了新的活力。二极管泵浦固体激光器大大提高了效率和重复频率， 克服了热效应等缺点， 实现单模稳定运转、高稳频、高功率、高效率和高光束质量， 并使器件向小型化发展。正是由于二极管泵浦固体激光器本身的优点和近几年来固体激光技术的重大突破， 固体激光雷达在成像、远程目标跟踪和识别等领域呈现出巨大的发展潜力。美国率先进行了二极管泵浦固体激光制导技术的研究。20世纪90 年代初期， 美国Hercules 防御中心成功研制一台用于战场监视的1 .32um 固体激光成像雷达，采用光栅扫描成距离像、InGaAs 雪崩二极管探测器，最大距离为2km ， 距离分辨率为0 .25m。与此同时，美国Fibertek 公司研制用于直升机防撞的样机， 激光波长为1 .54um， 脉冲重复频率为15kHz ， 脉冲能量为100uJ ， 脉冲宽度为5ns ， 扫描方式采用圆周平移扫描， 已在直升机上进行了两次试验。最近美国Intevac 公司开发一种距离选通激光照明二维成像系统， 它工作在对人眼无害的新波段。该系统采用传输电子光电阴极(TEPhotocathode)， 工作波段为1500 -1600nm 。采用激光脉冲照射目标区域(FLIR 或SAR 确定的目标)， 可以实现远距离侦察。LIVAR 采用闪光灯泵浦，OPO 移相Nd∶YAG 激光器， 能量为6mJ ， 波长为1570nm， 重复频率为30Hz ， 与带有TE 光电阴极的EBCCD 组成的原形样机， 可以识别5km 之外的目标。对要求中等以上功率的应用而言， 二极管激光泵浦固体激光主动成像雷达有很大的应用前景。这种固体激光主动成像雷达有输出功率高、脉冲重复频率高、体积小、质量轻、可靠性高等优点。脉冲激光信号经扩束至目标， 再经目标反射进入接收光学系统， 回波信号经场镜会聚至APD 光敏面。　MIT Lincoln lab 一直潜心研究APD ， 它可以用精确的光子计数代替传统的光强测量， 现在实验室正在通过加大APD 的电压水平使其产生失控效应， 从而达到更高的灵敏度。探测器前放的输出信号送入数据采集系统， 采样后送入计算机， 进行必要的滤波和信号处理， 提取信号， 获得测量值。为了减小背景噪声及其他噪声的影响， 在APD 前面还加了一个窄带滤光片。整个系统都是在计算机的控制下实时进行的。通常， 激光雷达回波信号的获取是采用瞬态记录仪。对一个高重复频率的激光雷达系统来说，瞬态记录仪已经不能满足处理的要求， 因此， 在高重复频率的二极管泵浦固体激光雷达系统的研究中，研究采用高速数据采集系统(数据系统)是非常必要的。特殊的Ladar 系统采用数字滤波器， 如有限冲击响应滤波器(FIR)， 用于从回波信号的数字采样中提取距离信息过程中信号的相关和卷积。FIR 滤波器是一个离散线性时变系统， 它的输出是基于过去有限个输出的加权和。FIR 滤波器完成卷积， 或回波信号的数字化脉冲与另外一个信号的卷积。卷积的结果就是回波信号和模板的相关。LADAR 系统可以通过测定哪个离散采样与模板有最大的相关， 从而确定距离。另外应用可调谐固体激光器和倍频固体激光的波长可调， 又开辟了许多新的应用领域。虽然DPL 成像激光雷达的发展历史还很短， 但其发展潜力是不容置疑的。目前， DPL 全固态成像激光雷达已成为各国研究的热点， 也是今后成像激光雷达的一个发展趋势。