機載激光雷達發展與應用簡介

　　激光雷達是用激光器作為輻射源的雷達系統，工作波長在紅外到紫外光譜段，利用激光束對目標進行探測和定位，具有比傳統雷達波束更窄、測速范圍更廣、抗電磁干擾和雜波干擾能力更強的優點，并且體積和重量都比傳統雷達小得多，更適用于機載平臺。近年來，隨著軍事、民用需求的急劇提升以及光電技術的飛速發展，激光雷達也正越來越多應用于機載平臺，再次成為新的研究熱點。 
　　1 激光雷達分類 
　　按工作時采用的探測技術，激光雷達可以分為直接探測型和相干探測型兩種；按照激光雷達要實現的功能，則可分為跟蹤激光雷達、動目標指示激光雷達、風切變探測激光雷達、目標識別激光雷達、振動傳感激光雷達和成像激光雷達等幾種。 
　　2 機載激光雷達應用 
　　機載激光雷達在軍民用多領域都有廣泛的潛力和前景。 
　　低空和超低空障礙物，比如鐵塔、高桿、電線和阻塞氣球拉線等，是飛機和直升機飛行的嚴重威脅物，但之前飛機上的傳感器，包括肉眼和雷達，發現上述障礙物都很困難，特別是在夜間和惡劣天氣條件下。激光雷達具有更高的角度分辨率，能夠在夜間工作，還能繪制障礙物的三維圖像，提供的圖像信息足以識別目標，因此激光雷達在飛機和直升機上的一個重要的應用就是低空、超低空障礙物預警，對于海上小目標探測也比現有的雷達系統具備更多的優勢。 
　　美國、德國、法國等國都已經發展了飛機和直升機飛行障礙回避系統[1]，早在20世紀末，德國的“Hellas”障礙探測激光雷達就能夠探測300～500米距離內直徑超過1厘米的電線。法國的吊艙載CLARA激光雷達不但能探測標桿和電纜之類的障礙物，還具有地形跟蹤、目標指示和測距以及活動目標指示等功能。 
　　尤其當激光雷達與其他遙感技術、全球定位系統（GPS）技術結合為激光雷達測距系統，可提供地物目標距離信息，再加上飛機慣性測量單元提供的飛機平臺姿態信息，就可獲得地物目標的三維坐標。激光雷達獲取的目標強度信息與其他機載遙感儀器獲得的影像信息相結合，可以作為地物目標分析的光譜數據，因此，有激光雷達參與的機載集成系統在航空偵察、反潛、測繪、勘探和探測領域具有廣闊的應用前景。集激光掃描測距技術、GPS定位技術、慣性導航技術、圖像處理技術和數字攝影測量技術的三維地理信息快速獲取系統，目前是一項新型、尖端的探測系統，即機載激光雷達（Airborne Light Detection And Ranging-Airborne LiDAR）技術，能夠提供低成本、快速度、高密集、高精度的數字表面數據或數字高程數據，因而成為各種測量應用中深受歡迎的高新技術，具有巨大的應用前景，開展機載LiDAR數據精度研究也具有非常重要的理論價值和現實意義。 
　　由于電磁波在水中傳輸能量衰減迅速，之前的水下探測主要采用的是聲吶設備。利用藍綠脈沖的激光雷達，可以實現水下探測和水雷搜索。美軍的“魔燈”水雷探測激光雷達系統和瑞典相繼研制的“手電筒”和“鷹眼”機載海洋激光雷達，都是成功的機載水下探測系統。美國卡曼航天公司研制了機載水下成像激光雷達，可對水下目標成像，顯示水下目標的形狀等特征，便于識別目標。同時，成像激光雷達單個激光脈沖覆蓋面積大，因而搜索效率遠高于非成像激光雷達，這成為成像激光雷達的一大優勢。2002年，中國科學院上海光學精密機械研究所在第一代機載激光測深系統基礎上研制改進，可同時分別探測海底和海面。 
　　激光雷達能夠獲取目標的三維圖像信息和速度信息，便于識別隱身目標，也可用于測量各種飛行目標的軌跡，比如跟蹤測量導彈和火箭初始段、飛機和巡航導彈的低仰角跟蹤測量等。 
　　激光雷達與計算機結合，可對目標進行自動識別，并提供可靠的目標速度信息，和區分特殊目標的目標特征信息，從而提高武器瞄準精度，作為組成自動和半自動瞄準系統的非常重要的裝置，目前激光雷達越來越受到青睞。 
　　激光在大氣中能量衰減較大，大氣中水凝物和顆粒物的吸收、散射會大大降低激光雷達的作用距離，因而激光雷達可用來監測大氣環境，或者利用激光與顆粒物、化學制劑相互作用來遙感探測大氣污染和化學戰劑。大氣激光雷達具有精細的空間分辨率和時間連續性以及較高的探測精度，對實時監測邊界層（0～2千米）大氣成分變化和分析研究氣層結構特征，有著積極的實用意義。利用米散射激光雷達可以對大氣氣溶膠、云等進行監測。 
　　通過相干探測原理，機載激光雷達可以探測風切變和晴空湍流，減小飛機處于起飛和著陸階段風切變和晴空湍流的嚴重威脅，提高飛機的安全性和生存力。激光雷達還可進行直接多普勒探測大氣風場，繪制彈道風，這對于減小和修正風對投彈的干擾意義重大。 
　　另外，利用機載激光雷達數據反演大氣溫度、濕度等重要參數。 
　　3 機載激光雷達局限性和難點 
　　激光雷達的主要局限性如下。 
　　1）探測距離近，激光在大氣中傳輸時，能量受大氣影響而衰減，激光雷達的作用距離在20千米以內；尤其在惡劣氣候條件下，比如濃霧、大雨和煙、塵，作用距離會大大縮短，難以有效工作。大氣湍流也會不同程度上降低激光雷達的測量精度。 
　　2）由于激光雷達的接收孔徑小，波束太窄，所以搜索空域也較小，快速搜索和粗捕獲目標困難，應由其他設備完成上述工作。因此機載激光雷達并不能完全取代傳統雷達，多作為普通雷達的補充。 
　　對于激光雷達系統實現機載，還有一些需要進一步加強研究和改進的關鍵技術，比如： 
　　1）空間掃描體制和方式技術，激光雷達的空間掃描體制分為非掃描和掃描體制，掃描體制下有機械掃描、電掃描和二元光學掃描等方式，采用掃描體制的激光雷達工作時，對于實現不同的功能任務，需要研究相應的具體的技術應用。非掃描體制采用多元傳感器，使設備重量和體積更小，并且作用距離更遠，是機載的理想技術，但由于所需多元傳感器不易獲得，目前該項技術在國內還難以迅速實現工程應用。 
　　2）激光器的發展，目前多數使用的半導體激光器、半導體泵浦的固體激光器和氣體激光器各有優缺點，仍需進一步改進和發展。 
　　3）接收機設計，機載激光雷達的自身特點和工作環境決定接收單元的接收靈敏度需求越來越高，同時要求高回波探測概率和低虛警率，這些都需要在設計環節不斷改進和研制新技術。 
　　4 機載激光雷達應用發展趨勢 
　　自20世紀60年代末激光器首次問世，激光雷達技術就一直是世界各國各界爭相掌握和發展的技術。目前，激光雷達仍在發展中，而機載激光雷達系統的應用也正逐步實現實用化，另外一些激光雷達的應用正在研制探索中。與發達國家相比，我國機載激光雷達技術的應用研究起步晚，發展程度還相對落后，為促進機載激光雷達應用的快速發展，應對機載激光雷達的系統組成、數據和圖像信息處理進行更為深入的研究，積極探索激光雷達新體制，并不斷向激光雷達的遠程化、多傳感器集成化和多功能一體化方向發展。