多功能激光雷达

・激光技术・　电光系统２００２．Ｎｏ．１（总第９９期）　１５　多功能激光雷达　蒋谱成刘英芝　洛阳０６１信箱　摘　要　激光雷达以其发射波束窄，波长短．可获得极高的角分辨率和距离分辨率。井能得到清　晰的目标图像。同时利用多普勒技术。还可以获得很高的速度分辨率。因此激光雷达广泛地应用于　军事上的障碍物探测、目标识别、地形绘制、精确制导．大气监测等。本文针对一种典型的人眼安全　多功能激光雷达系统进行讨论。介绍其组成特点和应用　关键词　激光雷达人跟安全　目标成像　目标识别　一套大型硬盘驱动器，产生并记录激光雷达　１　引言　激光雷达的突出优点及其独有的特点早　数据、地面实况视频信号和航空电子信号。地　面系统主要用于障碍物探测计划、压缩数据　以便向其它系统输出，并可以向各地其它系　已被人们所接受，并把其应用于军事及其它　的各个领域。人们在应用的同时，对其不断地　进行研究和开发，使激光雷达具有应用范围　统发射数据、接收数据，达到资源共享和建立　多种数据库。　广激光发射机　广、功能多、战技指标高、机动性能好、可靠性　强。　ｌ激光接收机　Ｉ　鲁譬器吊舱　Ｌ＿　一『一　Ｌ　航空屯子设备　其中，美国陆军通信与电子司令部和日　本国防局的技术研究研制协会于１９９６年开　始合作了一项人眼安全多功能激光雷达技术　项目（ＣＥＩ　ＲＡＰ）。目前，该合作项目研制的人　眼安全多功能激光雷达系统已经在日本和美　国进行了广泛的实验室和外场试验。该多功　能擞～光学系坑一ｌ一扫　一　｝　｝　ｌ　ｌ　｝ｒ系统控制器　光雷　【　Ｉ　　飞行电　ｉ子设备　数据记录设备　Ｌ一实时数据显示器　ｒ　Ｈ算机工怍站　Ｌ一大型数据存储、转发设备　能激光雷达主要实现了：提高目标探测能力，　使轻型装甲车的杀伤力增强．缩短搜索时问，　从而进一步提高战车的生存能力；提高激光　雷达的传感器自动探测、识别目标的能力，使　之快速大范围跟踪目标，以适应于空中和地　面各种武器平台。下面对该多功能激光雷达　的组成和性能进行介绍。　｛　地面　Ｉ　数字视频输＾、辖出设备　系统　ｆ一显示设备　图１　多功能激光雷达系统组成图　２．１激光器　激励激光器是激光发射的主要部件。激　光发射机由桑得斯公司制造。激励激光器是　一套Ｎｄ”：ＹＡＧ振荡器和放大器系统，输　２系统组成　多功能激光雷达由飞行系统和地面系统　组成，具体组成如图１所示。其飞行系统中有　出１．０６４￣ｍ的激光脉冲，脉冲宽度为１５～　２０ｎｓ，平均功率为２０Ｗ。　为补偿应力二次光折射，激励激光器的　振荡器和放大器由７个锯齿形反射板（长　维普资讯 http://www.cqvip.com

１６　电光系统　２００２．Ｎｏ．２（怠第９９期）　６２ｍｍ，截面积为４．９ｍｍ　）组成，每个反射板　被５组１　３巴的２Ｄ高温二极管阵激励，占空　系数为３．５　。为达到峰值激励效率，选择这　种二极管可使工作波长在４５℃时为最优化。　４５　Ｃ是用以冷却二极管安装平台的稳定液体　的工作温度。谐振腔由两个正交ｐｏｒｔｏ棱镜　反射器组成，采用Ｉ　ｉＮｂＯａ光电Ｑ开关。整个　激励激光器被封装在一个光学装置上，该光　学装置与锯齿形反射板和二极管冷却平台采　取了热隔离　操作控制面板可使用，也可利用　Ｉ　ａｂｖｅｉｗ与便携式计算机连接起来。激励激　光器可由外部激发，直至达到指定占空系数，　能执行指定代码，设计扫描器的扫描模　式。　试验时，该激光器与适用于外场，与激光　器兼容的一个结构紧凑装置相连。电源和冷　却设备放置在距离较远的支架上，支架很坚　固，可用车辆和飞机运往野外。根据需要选择　激光器与支架之间的缆线长度，从而使电源　损耗降到最低　主电源为２４～２８伏直流电。　该系统没有致冷设备，工作温度范围是Ｏ　～　４０　Ｃ，存储温度范围为一２０。～＋６Ｏ　Ｃ。　２，２光参■撮荡器（０ＰＯ）　激光器头中有两个的磷酸钛钾光参　量振荡器（ＫＴＡ　ＯＰＯ），每个振荡器对应一个　激励脉冲能量。这种设计使每个振荡器可较　好地工作。两个振荡器都是单通激励能　量，使反馈到激励激光器中的激励能量最小。　光参量振荡器利用磷酸钛钾（ＫＴＡ）作为晶　体检波器，将波长１．０６４￣ｍ的激光脉冲转移　为对人眼最安全的波长为ｌ１　５４　ｍ的脉冲。　这里借助计算机建模设计出能产生高亮　度人眼安全辐射的非稳定谐振腔光参量振荡　器。利用Ａｃｕｌｉｇｈｌ公司开发的计算机编码可　以设计出驻波谐振腔光参量振荡器的径向对　称模型　三种波的衍射和相互之间的强能量　转移包含在三种波的混频处理中。将强度和　相位波动施加到入射激励光束上就可以模拟　出产生弱亮度光束的激励振荡器。计算机模　型的输出为径向对称激励信号和闲额信号电　场，它们是半径和时间的函数，由此可计算出　脉冲能量、瞬时脉冲形状、电源频谱和光束质　量。　将输出信号的光束亮度作为光束质量因　数定义为　一　一　丝　（Ｍ　）　式中Ｂ为光束亮度，Ｅ是人眼安全（信号）能　量，　是波长，Ｍ。是光束质量因子。对于差质　量光束即弱亮度光束，Ｍ　＞１。光束亮度可　作为晶体检波器长度、谐振腔长度、镜面曲率　和反射率的函数计算得出，这样就得到了　２２５Ｈｚ和ｌ１　５Ｈｚ工作模式下的最佳设计。　图２示出了一种基于计算机建模的非稳　定谐振腔光参量振荡器。入射镜与水平面成　４５。角，放置一个曲面镜可以减小入射镜上的　有效激励能量密度，最大限度地减小了对输　入耦台器的损伤。输入耦台器覆盖３个波段，　对激励信号和闲频信号进行高速传输，对信　号波长有较高的反射率。输出镜面对信号波　长有近５ｏ　的反射，对闲频信号波长可高速　传送，对激励信号有较高的反射率。镜面将反　射信号通过谐振腔送至双通激励器。计算表　明，双通激励设计与单通激励设计相比，光束　亮度因数约大２。这是因为双通激励设计允　许采用相对短些的谐振腔（启动光参量振荡　器较快），并且由于闲频信号是在通道间被激　励的，减少了后面的转换。亮度最高的光束是　采用放大率约为１．２的谐振腔和长度为２ｃｍ　晶体检波器，当峰值激励能量密度约为　１．２５Ｊ／ｃｍ。时得到的。计算机模拟结果表明，　与采用平面镜的光参量振荡器相比，这种非　稳定谐振腔光参量振荡器设计将产生较高亮　度的人眼安全辐射。　２　３光学部件　发射机的光学系统部分由激光源、光束　扩展光学部件、扫描器和系统窗口组成。接收　维普资讯 http://www.cqvip.com

蒋谱成　刘荚芝　多功鹾激光雷达　１７　ＨＴ　ＯＰＯ　ＯＵｂ毗　●　图２可产生高亮度人眼安全辐射的非　稳定谐振腔ＫＴＡ光参量振荡器　机的光学系统部分由接收探测器阵、光束聚　光部件、带通滤波器、扫描器和系统窗口组　成。　大型光学系统往往会出现散射回波大的　问题。该系统中，相对较多的发射机脉冲能量　会在扫描光学器件、望远镜和系统窗口上也　产生相当大的散射回渡。早先，很多美国陆军　激光器雷达系统的接收机和发射机都共用光　学器件　但实践证明，接收机容易饱和，致盲　时闾为几十甚至上百纳秒，从而导致０ｋｉｎ至　１千甚至几千米的盲区　对于测距机和火控　系统，这样小的盲区不是太大问题，因为视觉　常常能准确估计出短距离。但是障碍物探测　系统要探测的是缆线和其它即使在近处视觉　也难发现的障碍物，这种盲区将使之无法工　作。因此，为了缩小盲区，设计时需要将发射　机的光学通路和接收机的光学通路分开。　在扫描器部分将接收机的光学通路与发　射机的光学通路分开的同时要保持光学配　准，这是个工程难题　解决办法是接收机和发　射机采用各自的光学扫描器件　为确保配准，　扫描器件在物理上是相连接的。　由于实现障碍物探测功能所需的视场与　实现目标成像功能所需的视场相差几个数量　级，所以分别采用不同的光学系统。总之，目　前采用的是两个不同的发射机光学系统和两　个不同的接收机光学系统，共计４个光学系　统。　２．３．１扫描器　该雷达障碍物探测视场至少是方位角　２０。，仰角１２。。视场扫描速度至少为１帧／秒。　该雷达还通过分解扫描图像、扫描器以约　４Ｈｚ的工作频率进行扫描的方法配合障碍物　探测算法。目标成像视场大约为１．６×　５ｍｒａｄ。　较早的美国陆军激光障碍物探测系统，　如诺思罗普公司的障碍物回避系统　（ＯＡｓＹｓ）和ＨＩ　Ｒ，都采用单个接收机和摆　线（ｅｙｅｌｏｉｄａ１）或帕尔默（Ｐａｌｍｅｒ）扫描。而美日　合作研制的这种多功能激光雷达采用的是美　国陆军第一个大型并行距离接收机系统，其　工作波长为１．５４，ｕｒｎ，由１２８个按线性阵列排　列的距离接收单元组成。为了与接收机单元　相匹配，发射机的光束为线扫描成像，垂直发　散角为１２。，水平发散角较小（２ｍｒａｄ）。为覆　盖视场，光束沿方位角方向扫描。　（１）障碍物探测扫描器　由于系统只在一个轴上扫描，所以采用　的是简易扫描系统。目前美国还在考虑几种　不同扫描方法。值得注意的一点是，镜面系统　的旋转惯性给接收机形成一个Ｂｅｒｎ的明显　孔径，给发射机形成一个３×６ｅｍ的明显孔　径　尽管如此，仍有几种基于检流计的民用激　励器满足系统要求。除这种检流计扫描器外，　正在研究的还有基于万向接头装置和横向折　射介质的扫描系统。　（２）目标绘图扫描器　目标成像扫描器的扫描角大概比障碍物　探测扫描器的扫描角小４０倍。如果扫描角再　小些，扫描光学器件就可以内置于望远镜中。　将扫描光学组件放置于光束直径小的望远镜　中能减小扫描光学组件尺寸、简化光学部件　设计＋降低组件数量。　２．３．２接收机望远镜　接收机光学系统有两个通道：用于探测　障碍物和绘制地形图的宽视场光学通路和用　于目标成像的窄视场通道。该多功能激光雷　维普资讯 http://www.cqvip.com

１８　电光系统２００２．Ｎｏ　２（总第９９期）　达系统采用Ｆ＃２．０，焦距为１２１．８ｒａｍ的障　碍物探测接收机望远镜，它包括两个凹凸透　镜，安装于可进行交叉扫描和水平扫描镜面　的后面，使１．５４；￣ｍ单色激光可以成像于１２８　个线性排列的象素探测器阵上。障碍物探测　接收机望远镜的台成视场大约为ｌ２　。由于　雷达与目标之间的距离未知，采用这种设计　的焦平面是近似远心的，它要求阵列的性能　要均匀。　目标成像接收机望远镜是一套Ｆ＃　１３．３，焦距为ｌＯ００ｍｍ的装置，使１．５４　ｍ单　色激光成像于３２个线性排列的象素探测器　阵上。台成视场大约为１　６ｍｒａｄ，从而形成了　窄视场。　２．３．３发射机光束发散器　理论上二，障碍物探测远场绘图发射机光　束在水平轴向由于衍射而减弱，甚至还分布　到垂直视场上　但是发射机光束不符台基本　的ＴＥＭ　。高斯谐振方式，光参量振荡器光束　并不均匀，由于衍射，光束质量（Ｍ　）大约降　低了７次。因此，光束发散器光学系统包括折　射、反射、衍射和混和光学部件等组件。折射　面和反射面包括球面、非球面、抛物面和离轴　抛物面。　２．４接收机／处理器　为了用准连续渡激励、频率低于１Ｈｚ的　激光器实现障碍物探测功能，该雷达探测器　采用线性探测器阵。该线性阵有１　２８个象素，　每个象素的瞬时视场（ＩＦＯＶ）为２．０ｍｒａｄ，障　碍物探测视场为２０。（ｗ）×１２。（ｈ）（３５０×　２１０ｍｒａｄ）。输出激光脉冲在远场被转换成　１２８：１纵横比，线扫描成像．探测器阵进行　小孔观｛硐４，单轴扫描器以１Ｈｚ的帧速率扫描　整个视场。对直径为１０ｒａｍ的缆线的标准障　碍物探测距离为３００ｍ。目标绘图功能通过　３２个象素线性排列的阵列完成，每个象素的　瞬时视场为５０ｇｒａｄ。　，　处理器实际是光探测阵组成的大型并行　的距离处理电子阵列。它是由３２个象索线性　阵和１２８个距离处理信道组成。３２个象紊线　性阵用于完成目标成像功能，而１２８个信道　用于完成障碍物的探测，因为在障碍物探铡　中，每个单元均需要有自己的距离处理器，因　此需要１２８个距离信道。距离处理器示意图　如图３所示。　国国国　篡ｌ　ｌ　ｔ　■　【●　三三　＊　■＆　■　ｔ埠）　ｌ圈圈囚　　：　ｌ　：　ｌ　图３距离处理器示意图　２．５定位　从一维或两维距离数据流构建三维距离　图像可以通过算法实现。算法以数字形式将　距离数据定位到与目标（或障碍物）位置相应　的点上。如果实物对传感器平台的相对运动　为零，就必需精确确定传感器平台的位置和　姿态信息。　根据定位观点，最佳三维激光雷达传感　器系统应该是三维凝视传感器。凝视激光雷　达传感器采用单个脉冲获取整个视场，因此，　视场内物体的相对位置能准确测得。为得到　精确的三维距离图像，需要二维线扫描技术　精确判定每条线扫信号，一维象紊（光栅扫描　或帕尔默扫描）扫描技术为每个象紊获取传　感器平台的精确位置以形成台成的三维距离　图像　定位系统的精度是由三维激光雷达图像　的分辨力和传感器平台的整体性能决定。对　于障碍物探测．得知障碍物存在的信息比精　确距离更重要．精确位置更次之。但是，算法　进行精确定位的性能比分选潜在障碍物的性　能要更好。　维普资讯 http://www.cqvip.com

蒋谱成　刘英芝　多功能激光雷达　ｌ９　目标成像所需的定位精度比分辨目标特　征所需的精确度更为严格　当要求有关目标　运动的信息精确到米以下时，传感器平台的　位置必须扳精确，如果平台正改变航线或扫　描一个偏轴目标，还必须获得精确的平台姿　态（如偏航、俯仰角和倾斜角）。对灵活平台　（如旋转翼飞机和其它ＶＴＯＩ　飞机）尤其如　此。　次、第二次和末次返回飞行时间、脉宽和首次　返回的相对亮度，数据流速率也仅为２８８ｋＢ／　ｓ。任何情况下，激光雷达数据速率相对视额　数据流速率都很小。　数字数据记录设备是ＣＯＴＳ，但是利用　系统硬件和软件将数据数字化并记录下来仍　是一项具有挑战性的长期工作。　２．７地面站　为获得三维图像，运动传感器平台位置　和姿态的精度比距离和角度分辨力所需的精　度更高。　用于目标绘图的角分辨力大约在±１００ｔ＊　地面站处理大量飞行数据，在实际系统　“飞行”期间并不使用，而是在完成飞行后，被　用来转换、显示和存储飞行数据，包括激光雷　达数据、地面实况视频信息和系统信息。此　弧度以内。也就是距离５ｋｍ时，水平方向精　度为±０．５ｍ。假定水平和距离精度均为　±０．５ｍ，那么定位系统对经度、纬度和高度　精度的最低要求是±５０ｅｒａ．对角精度的最低　要求是±１（）【）　弧度。目前，现代化的航空电　子系统不只比需求精度低一个数量级。　２．６数字数据记录　外，地面站还被用来对障碍物探测、分选算法　及目标成像算法进行最优化。　地面站采用相互协作数据格式（ＩＯＤＦ）　对不同激光雷达系统间的数据进行转换，因　此，需要将算法与获取数据的源系统对照起　来。ＩＯＤＦ包括三个部分：链接的指挥信息库　（１｜ＣＩ　）、激光雷达数据文件（ＬＤＦ）和地面实　况无源视频（ＰＶ）。链接的指挥信息库用以定　义激光雷达数据文件包含的数据格式，包括　运算对象格式、数据长度、运算对象限定和用　户限定运算对象，限定的数据包括实际激光　雷达数据、定时、同步、定位和系统数据。地面　实况无源视频是数字式地面实况图像数据文　件．它与激光雷达数据文件通过记时打印机　同步。　为了再现视场目标和结果处理，数据和　地面实况图像均被记录下来。数据包括激光　雷达、定时、定位、扫描器位置和其它系统参　数，在单独介质的数字文件中保存所有飞行　数据信息。介质可选择大型可拆卸硬盘（如　Ｊａｚｚ）、可拆卸硬驱动器、ＣＤ盘和数字通用硬　盘（ＤＶＤ）。　目前，地面实况视频数据在各种数据流　中是最大的。未压缩的视频数据流由ＣＣＩＲ　一６０１（一维）７２０×４８０象素ＭＴＳＣ视频数据　３系统技术参数　多功能激光雷达在理想距离探测缆线或　目标的关键参数是象素激光能量、接收机孔　径和探测器的灵敏度。　组成，４：２：２一维视频数据流速率为　５０ＭＢ／ｓ。如果在一张１０ＧＢ的硬盘上记录这　些未压缩的一维视频数据，存储时问大约为　３分钟。如果采用实时压缩技术将视频数据　流压缩到方便管理的速率，则要用许多硬盘　花１小时或更长的时间记录数据。　如果探测缆线，接收机采用ＩｎＧａＡｓ　ＰＩＮ　探测器阵，孔径为６０ｍｍ．当每个象素能量为　１００＞Ｊ时可最远在３００ｍ处探测ｌｃｎｌ的缆　线。　在障碍物探测工作方式中．激光雷达数　据速率最高。以２２５Ｈｚ平均重复速率进行线　扫描时，采用２比特距离码和１２８个信道，激　光雷达数据流速率仅５８ｋＢ／ｓ。即使要包括首　如果在距离为４ｋｍ处对目标进行成像，　接收机仍采用ｌｎＧａＡｓ　ＰＩＮ探测器阵，当孔　维普资讯 http://www.cqvip.com

２ｏ　电光系统２００２　Ｎｏ．２（总第９９期）　径为７５ｍｍ时，每个象紊需要近１００　的能　量。　重量轻，传统雷达无法与之相比。因此，不但　应用于军事，它还应用于其它各个颁域，具有　广泛的应用前景。主要应用于障碍物探测、目　标绘图、地形绘制的三维成像和目标跟踪及　各种测距。　多功能激光雷达激光发射机的主要技术　参数如表ｌ所示。　表１激光发射器的技术参数　功能　重复鞭卓　’敷　１．０　４ｕｍ　】－５ｕｍ　眯冲瞳　≥”５　／酥肆　≥３ＳｍＪｌ　冲　虽然在１９６１年科掌家就提出了激光雷　达设想与概念，并不断地为此进行努力，但到　目前为止，激光雷达仍旧处于研究和发展之　中，在实际使用中还存在许多有待研究和解　距　单态　柬质量ｌ￣２０ｍｍ，ｍｍｄ　≤１５…脒宜　　悻本能量　≥１　７５ｒ￣ｄ／酥冲　≥￣Ｓｍｌ／脉冲　决的问题。但激光雷达的作用已经教人们所　认识并广泛应用。在军事上，如激光雷达可甩　束质量　≤２０ｒａｍ…ｄ　≤１　Ｓｍｍ－ｍｒ￣ｄ　｛Ｉ导　抹竟　平均功串　脉冲艟■　≥１￣５－ｄ／脉冲　≥３５ｍｌ／脉冲　目标成坤　于战场侦察、火力控制、精确制导、障碍回避、　毒剂侦测、气象观测、水下探测、空间监视等｝　在民用领域激光雷达可实施大气测量、污染～　监测等　由于激光雷达涉及激光、光电探测　≥２　ｗ　≥４ｗ　束质量　≤２Ｃ，ｍ￣抹竟　平均功事　ｕｄ　≤１５一日ｌＴＢｄ　光束控制、信号处理等多种技术，是技术密　咏肆健量　≥９Ｏｍ』／酥冲　≥１５ＩＩＬ】，酥肆　幸爵橱棹　把柬质量　≤４１￣ｍ－ｍ　ｄ　≤４０ｎｕ口　ｍｒｕｄ　２５Ｈｚ　舅和，乜形　２　蛙制　脉宽　＜１０噼　平均功辜　≥ｚ　ｗ　４ｗ　集、技术难度相当大的高新技术产品，因此，　激光雷达的研究和发展还存在无穷的空间和　广闶的应用领域。　参考文献　４结束语　美日合作研制的该多功能激光雷达由于　角度、距离和速度分辨率都很高，能够获得清　ｌ　Ｊ．Ａｎｄｔｅｗ　Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，Ｃ．Ｗａｒｄ　ＴｒｕｓｓｅＩ１．Ｍｕｈｉ－　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ．Ｐａｒｔ　ＤＩ　ｔｈｅ　ＳＰｌＥ　Ｃｏｎｆｅｆｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｌａｓｅｒ　Ｒａｄａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓⅣ．　１９９９，４　２　杜木．发展中的激光雷选（上）．现代兵器，２００１　年２期　晰的目标图像，而且抗干扰能力强，体积小，　简讯・　・ＧＧ２时间频率同步系统获人网许可证　信息产业部电子第二十七研究所研制、开发的ＧＧ２时间频率同步　系统，是具有高新技术的数字通信同步设备。经过科研人员的精心研　制，相继通过了样机检测和信息产业部组织的技术鉴定，已于２００１年　１Ｏ月获得部电信总局颁发的电信设备入网资格许可证。