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激光雷达到底能干啥

2019.6.08

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别:向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

工作在红外和可见光波段的，以激光为工作光束的雷达称为激光雷达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到信息处理系统。

激光雷达具备独特的优点，如极高的距离分辨率和角分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等。这使得激光雷达能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。

自1961年科学家提出激光雷达的设想，历经 40余年，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，进而研发出不同用途的激光雷达，如精密跟踪激光雷达、侦测激光雷达、侦毒激光雷达、靶场测量激光雷达、火控激光雷达、导弹制导激光雷达、气象激光雷达、水下激光雷达、导航激光雷达等。激光雷达已成为一类具有多种功能的系统。目前，激光雷达在低空飞行直升机障碍物规避、化学和生物战剂探测和水下目标探测等军事领域方面已进入实用阶段，其它军事应用研究亦日趋成熟。它在工业和自然科学领域的作用也日益显现出来。

技术特点

传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达则是以激光作为载波，可以用振幅、频率和相位来搭载信息，作为载体。因此，激光雷达有优于微波及毫米波的一些特点。

具有极高的分辨率

激光雷达工作于光学波段，频率比微波高2～3个数量级以上，因此，与微波雷达相比，激光雷达具有极高的距离分辨率、角分辨率和速度分辨率。

抗干扰能力强

激光波长短，可发射发散角非常小的激光束，多路径效应小（不会形成定向发射，与微波或者毫米波产生多路径效应），可探测低空或超低空目标。

获取的信息量丰富

可直接获取目标的距离、角度、反射强度、速度等信息，生成目标多维度图像。

不受光线影响

不受光线影响，激光扫描仪可全天候进行侦测任务。它只需发射自己的激光束，通过探测发射激光束的回波信号来获取目标信息。

具体类别

目前，激光雷达的种类很多，大致有七种分类方式。

1、按激光波段分，有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。

2、按激光介质分，有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达、二极管激光泵浦固体激光雷达和光纤激光雷达等。

3、按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。

4、按显示方式分，有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。

5、按运载平台分，有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。

6、按功能分，有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。

7、按用途分，有激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气监测激光雷达、相干多普勒测风激光雷达等。

激光雷达通过测量大气中自然出现的少量颗粒的后向散射，可以检测风速、探测紊流、实时测量风场等。飞机后微爆风切变和尾流，给与其相遇的飞机造成危险。英国国防鉴定与研究局（DARA）的研究人员研制的激光雷达，能测量在飞机后微爆风切变和尾流速度。将这种激光雷达置于跑道上进行实时监测，就可以提高安全性，增加飞机的通过量。

激光束与大气物质相互作用机制是进行大气激光雷达探测的关键。不同的激光与大气相互作用机制对应于不同种类的大气探测激光雷达。

激光与大气相互作用机制有：

米氏散射(Mie Scattering)

激光与大气中各种固态或液态的气溶胶粒子（尘埃、烟雾、云层等）的相互作用主要表现为散射，称为米氏散射。米氏散射的特点是散射粒子的尺寸与入射光波长相近或比入射光波长大。米氏散射的散射光波长和入射光相同，散射过程中没有光能量交换，称为弹性散射。由于米氏散射的散射截面很高，米氏散射大气探测激光雷达的回波信号通常都很强。

瑞利散射(Rayleigh Scattering)

瑞利散射是指激光与大气中的各种原子分子相互作用而被散射的过程，其特征是散射粒子的尺寸比入射光的波长小。瑞利散射也是一种弹性散射过程，即散射波长和入射波长相等。瑞利散射的角向分布比米氏散射的角向分布要对称一些，其前向散射和后向散射相等，而向两侧的散射很小。瑞利散射的截面比米氏散射小，且与入射光波长的四次方成反比。因此，利用波长较短的紫色或紫外激光束激发瑞利散射可获得较强的激光雷达回波信号。

拉曼散射(Raman Scattering)

拉曼散射是激光与大气中各种分子之间的一种非弹性相互作用过程，其最大特点是散射光的波长和入射光不同，产生了向短波或长波方向的移动，且散射光波长移动的幅度与散射分子的种类密切相关。拉曼散射波长的移动幅度与散射分子能级的能量差是一一对应的，而分子能级的能量差是不同种类分子的内部固有特征。因此，从散射波长相对于入射波长的移动量就可以确定参与散射的分子种类。这样利用拉曼散射就可实现辨认大气组分的探测。

激光雷达

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周锦帆