CO2激光成像雷达技术的进展 蔡喜平 乔立杰 刘立宝 刘剑波+++
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：1 引 言 CO2激光器有很多优越的性能，能很好地满足未来战场对军用激光系统多种应用的需求。长期�
CO2激光成像雷达技术的进展 蔡喜平 乔立杰 刘立宝 刘剑波++++laotun
(2698字)
帝国骑士
(235147)
于2003/08/22(16:20:12)..
1 引 言
CO2激光器有很多优越的性能，能很好地满足未来战场对军用激光系统多种应用的需求。长期以来，人们一直认为CO2激光器是激光成像雷达最理想的光源，这是因为CO2激光器效率高，不良气候条件下大气传输性能好。波长适中，易于实现高灵敏度外差探测和三维成像，信息处理技术比较成熟。因此，在其它激光源无法与CO2激光抗衡时，早期的激光成像雷达几乎清一色地采用CO2激光器。
CO2相干激光成像雷达的研究始于七十年代，于1978年研制出第一台三维成像外差激光雷达样机，突破了传统的成像观念，引起了广泛的兴趣和重视。随差小型化、高性能CO2激光器和图像处理技术的发展以及军事的需求，使得多功能CO2激光相干成像雷达在整个八十年代获得了迅速发展，到九十年代初，已有数种样机问世并开始进行演示性试验。比较典型的样机如美国麻省理工学院研制的IRAR技术红外多功能激光雷达、美国联合技术研究中心研制的LOTAWS激光障碍物和地形回避警戒系统、美国雷锡恩公司和休斯公司研制的巡航导弹制导激光雷达等。
九十年代，美国五角大楼在其战略防御计划(SDI)的雷达技术方案中，将CO2激光雷达列为其主要内容之一［1］。CO2激光雷达以发展跟踪系统、成像系统和拦截系统为主。成像系统是该计划中最重要部分。
本文以几种最新的CO2激光成像雷达为例，介绍了CO2激光成像雷达的最新发展动态及探测技术。
2 超小型锁模CO2激光雷达
超小型锁模CO2激光雷达的研究是根据美国弹道导弹防御组织(BMDO)的合同进行的［2］。该组织于1992年投资开展了“先进传感器技术(ASTP)”和“有鉴别力的拦截导弹技术(DITP)”，主要研究超小型锁模CO2激光雷达和锁模掺钕光纤雷达。所研究的激光雷达将与被动传感器或雷达一起使用以提高截击导弹的鉴别能力。
DITP的重点是导弹自动寻的弹头技术的研究，ASTP的重点是警戒传感器技术的研究。最终目的是将激光雷达和被动传感器复合以提高对目标的识别能力，即获得精确的目标距离、角度和多普勒信息。
锁模CO2激光器产生相干窄脉冲列，脉宽从1.3ns到2.9ns。所对应的距离分辨率为20cm到44cm。在外大气层中的工作频率为28，300GHz(10.6μm)，在稠密大气层中的工作频率为26，900GHz(11.15μm)。钕∶光纤激光器的工作频率为283，000GHz(1.06μm)。
所采用的成像技术为“距离-多普勒成像”或“逆合成孔径雷达成像(ISAR)”技术。已进行了多方面的研究工作，包括：成像技术、目标特性、雷达散射截面、大气湍流、瞄准误差及目标识别技术的研究等。
所研究的激光雷达将主要用于战场导弹防御体系(TMD)和美国国家导弹防御体系(NMD)中。
3 空基CO2多模激光成像雷达
英、法两国政府于1993年达成协议，由英国的DERA(Defence Evaluation and Research Agency)和法国的DGA合作研究一种空基CO2多模激光成像雷达［3］。称为CLARA(小型化激光雷达)，采用相干探测方法。系统如图1所示。所用的激光器为波导CO2激光器，连续波输出，也可以通过“Q开关”用于脉冲操作，脉冲频率可达100kHz(prf)。该激光雷达主要用于完成以下任务：
图1 CLARA系统结构框图
(a)障碍物回避；(b)地形跟随；(c)测距；(d)目标二维成像；(e)动目标识别；(f)目标振动识别；(g)真实空速探测。
这项研究共历时四年半，研制了两个吊舱，一个用于英国进行固定机翼试验和检验，另一个用于法国直升机上进行试验和检验。吊舱大小为520mm(直径)×3.6m(长)。
法国已将此吊舱装在了HS748和“美洲豹”直升机上进行了试验，英国也计划将其装在“Tornado(狂风)”飞机上试验。下一步的主要工作一个是小型化，另外是将其与FLIR(前视成像雷达)集成以使用统一窗口。另外他们也计划采用更短波长，以用于近距离测量，然而他们将仍然保留使用CO2激光雷达，因为其具有较高功率和较好的大气穿透能力。
4 空腔波导集成光学系统
空腔波导集成光学系统是英国DERA研究的用于10.6μm相干激光雷达的光学系统［4］。采用5～20W连续波导CO2激光器。他们的主要目的是：使激光雷达小型化，提高测量精度，使制造更为简单，降低成本。这也是激光雷达发展的必然趋势。
图2是他们所研究的空腔波导集成光学系统框图。其中只有光学收发天线不包括在此集成光学系统内。
图2 空腔波导集成光学系统框图
5 阵列探测相干雷达
HgCdTe探测器是用于CO2相干激光雷达研究中的探测器，已经可以制造出二维多元阵列HgCdTe探测器，如640×480元阵列，为阵列探测CO2相干激光雷达的研究提供了保证。
美国Oak Ridge国家实验室研究了工作于10.6μm的阵列探测相干激光雷达［5］，提出了采用二维阵列HgCdTe探测器进行相干成像，并用一个30×30元二维HgCdTe探测器进行了实验研究。图3是他们所研究的相干成像激光雷达的光学结构图。
采用单元探测器的外差接收机通常接收的本振光是高斯光束。对阵列探测接收机，则要求高斯型的阵列本振光，而且要求本振光阵列与探测器阵列能够完美地匹配，这样才能对像平面上的目标正确采样，从而实现相干成像。
焦平面阵列上本振光的实现是通过一个栅格掩模，本振光通过此掩模后，即可形成许多与探测器阵列相对应的小的高斯光束元。高阶衍射会产生一些近似高斯互相干本振光，通过调整孔径尺寸和光学f数，即可空间滤掉这些高阶衍射。
图3 相干成像雷达的光学结构图
6 结束语
CO2相干激光雷达的研究已经历了近三十年的时间，也取得了很大突破。目前，美国和英、法等国依然在积极地进行着这方面的研究工作，特别是小型化、多功能激光雷达的研究。我国在这方面的研究，虽然取得了一定的成绩，但与上述国家相比，差距很大。激光雷达如果要应用于实际中，应满足：
6.1 高可靠性、小型化 比如采用集成光学系统技术，光纤集成化技术等；
6.2 高抗干扰性 抗干扰技术包括雷达收发杂散光的隔离、大气后向散射杂波干扰、人为有源干扰及假目标和多目标的识别等。以及大气传输特性和目标特性等。
6.3 实时成像和精确测量 激光成像雷达必须能够实时提供目标的距离、速度和强度像，能够精确测距和测速、测角及角速度，具有图像识别、成像跟踪等功能。发展具有高速数字信号处理和先进跟踪算法的激光主动成像导引头，在实时性、可靠性和准确性方面不断进行完善，以满足战术需求。一方面，可以通过提高扫描速率、采用高速信号处理和先进图像处理技术；另一方面，可试图采用阵列探测技术
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香奈尔
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于2003/08/24(12:00:43)..
◎
太多了，一时消化不了！
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jason770
(235168)
于2003/08/22(16:36:30)..
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