| 激光测距仪/目标指示器——laotun作品 |
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精华序号：40
来自论坛：小熊在线 《武器军事论坛》
内容说明：1 前 言
近四十年来，激光测距仪/目标指示器已成为军用火控系统的标准产品，并已在多次局部战争�
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laotun(2774字) 帝国骑士 (235136)于2003/08/22(16:13:58)..
1 前 言
近四十年来，激光测距仪/目标指示器已成为军用火控系统的标准产品，并已在多次局部战争中发挥其重要的作用。激光雷达或光雷达，就是激光在雷达系统中的应用，也是微波雷达和光学相结合，其频率在30～1000THz内，而且具有极好的空间和时间相干性、大的孔径增益、高强度照明、高的空间和时间分辨率，可以进行直接探测和相干探测。
众所周知，林肯实验室在美国海军和弹道导弹防御组织(BMDO)支持下在火池激光雷达研究实验室研制和演示了若干激光雷达。1990年4月宽带CO2激光雷达首次成功地采集到轨道卫星的距离-多普勒图像。1990年10月成功地完成了第二次激光雷达成像实验，并首次采用直接探测二极管泵浦Nd∶YAG激光雷达。这次实验不仅证实了第一次火飞试验结果，而且演示了传感器数据融合能力。因此，高功率宽带火池激光雷达的建造和试验无疑是相干激光雷达技术历史的一个重大里程碑。
短波长(1μm)相干激光雷达可以提供极大的后向散射多普勒频移2MHz/m/s，而波长1cm的激波雷达只有200Hz/m/s，这样可以在单脉冲测距期间精确地测量运动目标速度。激光束的调制，加上同轴被动热像仪，就可以测量目标的距离、速度和温度。如果激光束对目标进行方位和俯仰扫描，并对接收的信号依次进行信号处理，就能对目标进行捕获、跟踪和成像。若用计算机对这些数据进行处理，就能使每个像元具有6维数据，即具有方位角、俯仰角、距离、速度、反射率和温度数据，从而能利用这些数据进行多维成像。用激光照明，反射图像就是目标的普通图像。距离成像只对每个像元提供距离数据，而获得距离选通图像，排除了大气和地面杂波。可以利用距离测量分离静止目标，并提供它的形状和尺寸，而热图像描绘出景像的热和冷的分布。多普勒成像，提供运动目标的图像，而且测量每个像元的速度，对空间高分辨目标成像，要求有效孔径太大而不切合实际，但可以利用倒相合成孔径(ISA)波形产生硬目标的距离-多普勒图像。另外，利用激光差分吸收雷达、激光拉曼频移雷达和激光多普勒雷达等测量大气成份、大气污染、生化毒剂以及大气风等，已经得到广泛的研究，并已开始应用。
将来的系统也许是一组标准的发射机组件通过光纤或经自由空间传播，而后通过二元光学、把输出能量耦合到用电子方法可成形的相控阵孔径上。该孔径能够用电子方法可变焦发射激光束，同时又能收集目标后向散射的能量，并且提供大角度电子扫描。大气引起的光学畸变可用电子方法进行修正，使系统性能最佳。微电子化的雷达接收机和大的时间带宽乘积数字信号处理技术将能够测量6维目标信息。先进的计算机技术可以低成本实时地完成复杂的数学运算。调制器和探测器的宽带能力将实现高精度测距(精度＜1mm)和测速(精度＜1mm/s)。因此，元器件和系统技术的发展，为今后激光雷达应用奠定了坚实的基础。
2 固体激光雷达发射机发展概况
固体激光器具有实用激光雷达所需要的性能，因此，最近激光雷达发展的重点是二极管泵浦固体激光雷达。固体激光器的特点是峰值功率高，平均功率也很高，光谱纯度高、工作寿命长，输出波长范围与现有的光学元件与器件(如调制器、隔离器和探测器)以及大气传输特性相匹配，而且很容易实现主振荡器-功率放大器(MOPA)结构，再加上效率高，体积小、重量轻、可靠性高和稳定性好等导致固体激光雷达优先在机载和天基系统中应用。
目前固体激光器适合于激光雷达的工作波长大多数在1μm和2～3μm范围内。研制最成熟的1.06μm波长激光器有Nd∶YAG、Nd∶YLF和Nd∶YVO4，它们有较好的大气传输特性。掺Tm和Ho的激光器也已得到发展，一般Tm激光器发射波长为2.0μm，而Ho为2.1μm。Ho激光器的2.1μm波长大气影响较小，因此它作为雷达发射机更有用。掺Er玻璃激光器可以产生眼睛安全的1.54μm激光，但受到工作物质热特性影响，很少用作激光雷达发射机。上述波长可通过倍频器和参量振荡器变换到所需的波长。另外，随着二极管泵浦技术的发展，建造高光束质量、高平均功率的MOPA结构变得相应简单，而且有利于满足直接探测和相干探测各种雷达应用的要求。
3 直接探测雷达发射机
3.1 火池测距雷达发射机
作为直接探测激光雷达固体激光发射机的典型例子，是林肯实验室为火池激光雷达实验场研制的二极管泵浦Q开关Nd∶YAG激光器，其基本结构如图1所示，而最后发射机采用二个二极管泵浦Nd∶YAG组件串级组成，在1.06μm波长上产生200mJ、9ns的激光脉冲，重复频率为180pps(36W平均功率)，光束角为7倍的衍射限，倍频输出为90mJ、8ns的激光脉冲。在火池实验中，以每组3个脉冲方式工作，组与组之间间隔为16ms。图2是该雷达的方框图，其中采用四象限光电倍增管系统，以光子计数方式进行测距和跟踪。图3是当Delta卫星通过火池实验场时从它的表面回波(非合作目标)测得的距离数据，分辨率约1m。
图1 直接探测激光发射机方案
图2 直接探测Nd∶YAG激光测距跟踪雷达方框图
1.激光发射机；2.主控计算机；3.触发和定时；
4.数据采集；5.四象限光电倍增管；
6.预处理计算机；7.跟踪和控制计算机
3.2 星载激光测高雷达发射机
美国LLNL研制的空间高分辨成像激光雷达系统由成像通道和测距通道组成。在测距通道中，采用二极管泵浦Nd∶YAG激光发射机和APD激光接收机。图4是发射机的示意图，其中采用图5所示的激光头。Nd∶YAG板条采用单面泵浦和单面散热结构，采用LiNbO3 Q开关，而且用热控制元件使泵浦二级管和增益板条温度保持10℃至22℃范围内。激光发射机性能如表1所示。激光测距机已从640km高度测量在月球表面的距离，需要的激光输出功率为6.8W，重复频率为1Hz。
图4 Nd∶YAG激光发射机示意图
图5 Nd∶YAG激光头光学示意图
3.3 小型激光发射机
图6是林肯实验室研制的耦合腔主动Q开关激光器示意图，其中激光增益介质厚＜1mm，由高反镜和电光调谐标准具构成谐振腔。采用短腔(＜1mm)二级管泵浦固体激光器，就能产生短的脉冲，以适应高分辨率测距。曾用Nd∶YAG和Nd∶YVO4激光介质和LiTaO3电光晶体做过试验、结果表明，Nd∶YVO4吸收泵浦辐射效率要比Nd∶YAG高5倍，因此在相同条件下可以产生更短的脉宽。在机载成像激光雷达实验中曾用峰值功率250W、重频100kHz、1.06μm波长Nd∶YAG激光器，用一维扫描器垂直飞行方向进行扫描，产生了三维地形分布图，分辨率约为0.3m。为了更好的距离分辨率，可在MOPA结构中采用短腔脉冲激光器作为主振荡器，经过放大达到所需要的脉冲能量，又能保持脉宽不变。
- ◎ 这个也要顶(空) jason770 (235170)于2003/08/22(16:38:06)..
- laotun---ZT(1904字) 帝国骑士 (235142)于2003/08/22(16:17:31)..
图6 耦合腔二极管泵浦Q开关激光器示意图
4 相干探测雷达发射机
相干探测雷达可以提供距离-多普勒图像，这是直接探测雷达所不及的。相干固体激光雷达发射机最常用的方法是采用MOPA结构，即在主振荡器中产生频率调制波形而后根据需要进行功率放大。图7是电光调谐单频Nd∶YAG激光器示意图。在相干激光雷达实验中，曾用频率线性调制Nd∶YAG主振荡器实现距离-多普勒成像。线性调频波形通过放大器使能量放大到～0.2mJ。回波信号与单频Nd∶YAG本机振荡器混频。该系统的距离分辨率为0.7m，速度分辨率为0.1m/s。
1.06μm相干激光雷达发射机的典型例子是建于美国红石兵工厂的美国陆军导弹测距(ARMO)系统，如图7所示，能对远场目标进行多普勒的高分辨测试。
图7 1.06μm Nd∶YAG相干探测用发射机
振荡器是连续锁模Nd∶YAG激光器，平均输出功率10W，频率为10Hz，产生50MHz、550ps连续脉冲序列，频率稳定性达±100kHz，雷达系统双通输出为1.2J。本振采用二极管泵浦Nd∶YAG激光器，输出45mW。1.06μm激光发射机现已装在AMOR激光雷达上，用来校准距离和进行多普勒高分辨率目标特征测量。
5 眼睛安全的激光发射机
眼睛安全是激光雷达工作在大于1.5μm波长的主要理由。
5.1 直接探测发射机
采用拉曼频移方法把1.06μm波长激光变为1.5μm波长激光。铒玻璃激光器也可产生1.54μm波长激光，采用掺铒光纤激光器可以做成人眼安全高重复频率激光雷达发射机，例如日本住友电气工业公司开发出最大输出400W的1.5μm波长小型脉冲激光器，其中采用1.48μm波长激光二极管泵浦掺铒光纤，产生重复频率2000pps，脉宽20ns的400W脉冲激光，可供架空线和树木间距的测距使用。
5.2 相干激光发射机
目前为这种应用研究的激光器主要有Tm3+和Tm3+、Ho3+激光器，其工作波长在2μm附近。一般用0.79μm波长的激光二极管泵浦。解决问题的方法是采用1.9μm激光二极管泵浦Ho激光器，虽然国外已开发出1.9μm波长激光二极管，但需要提高其亮度。
图8是二极管泵浦Tm∶Ho∶YAG激光相干雷达系统示意图，其中包括一台二极管泵浦Tm∶Ho∶YAG主振荡器、一台注入子脉冲Tm∶Ho∶YAG从动振荡器和发射机与接收机。美国航宇局于1993年初在肯尼迪航天中心进行的航天飞机着陆前后风速测试，使用了Tm∶Ho∶YAG激光雷达系统。激光雷达位于跑道中部，能够测量机场上方20km机场周围25km远的风速。
图8 二极管泵浦Tm∶Ho∶YAG激光雷达系统
6 固体激光雷达接收机现状
目前固体激光雷达工作波段可在0.5～2μm范围内，无论是直接探测还是外差探测都有苦干种接收器件。在这些波长上，由于成像、光通信和夜视等的应用，已有雄厚的探测器技术基础，其中包括光电倍增管、半导体光电二极管等。
对于微光直接探测，最常用的是光电倍增管，它们不仅有高的增益，而且还可以光子计数方式工作。对于GaAs/AlGaAs光电阴极在波长0.53μm处量子效率可达40%，而GaAsP光电阴极的量子效率可达60%。最近由InGaAlAs吸收层和偏置InP发射体层组成的转移型光电阴极在波长0.95～1.06μm内量子效率可达12～20%。另外，采用光电二极管(APD)或CCD做阳极构成混合型光电倍增管，对于APD做阳极的光电倍增管，其增益可达106，而且可以在大于50MHz频率下进行光子计数。
硅APD在可见光和近红外波段具有高的增益和高的量子效率。在波长0.53μm上它的NEP可达5×10-15W/Hz1/2，在1.06μm波长上为1×10-14W/Hz1/2。在宽频带情况下，1.06μm直接探测的器件是InGaAs APD,它对1.2～1.55μm波长光纤通信接收机是最灵敏的探测器。InGaAs PIN-FET已是光纤通信接收机的主要探测器组件。最近把1.55μm波长掺铒光纤放大器贴到InGaAs PIN探测器，可以提供低噪声光学增益，能使接收机带宽达几吉赫而不会明显损失灵敏度。
对于相干探测而言，在拍频处具有高的量子效率是关键所在。采用PIN光电二极管异质结构，把高吸收限制在空间电荷区内，就能实现这一最佳要求。利用相应成熟的Ⅲ-Ⅴ族半导体外延技术，可以做成0.5～2μm波长范围内适用任何一个激光波长的探测器。在波长0.8～1.6μm范围的光通信接收机中，以GaAs或InP为衬底做成的光电二极管已用作为高性能的光混频器，其频率范围可达几吉赫。若在InP衬底和InGaAs有源区之间加一层缓变的缓冲层，截止波长就能延伸到2.6μm。在Tm∶Ho∶YAG2μm激光雷达实验中，就是采用这种InGaAs PIN光电二极管做混频器。
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已加入精华区 (空) 香奈尔 (235947)于2003/08/24(12:00:26)..
- ◎ 再顶！(空) jason770 (235178)于2003/08/22(16:49:30)..
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