[科普中国]-激光束遥感

简介

激光束遥感，又称激光遥感，就是利用激光束对被测目标进行远距离感测。将激光用于回波测距和定向，并通过位置、径向速度及物体反射特性等信息来识别目标。它体现了特殊的发射、扫描、接受和信号处理技术。

继可见光、红外和微波遥感技术之后,激光遥感技术以其高精度、主动工作、高分辨率等优点,在三维成像、高精度对地观测和深空探测等领域得到广泛的应用,表现出良好的空间应用前景。

基本原理由激光器分出一束宽脉冲光束，通过调制器将线性调频的激光束发射出去，回波信号与未经调制的固定频率本振光混频后，经匹配滤波器对信号进行压缩，变成一个幅度增大的窄脉冲，接下来和脉冲测距同样方法得到距离，它的特点是发射宽的光脉冲，回波处理后得到的是窄的电脉冲，目的在于缓解探测能力和距离分辨率的矛盾；连续波调频，是发射激光的频率随时间是线性（三角形）变化，经过一段时间的飞行，回波激光相对于本振激光就有了频率变化，两者相干混频，得到的中频信号，中频信号频率跟距离成正比，由频谱分析得到距离和速度。

关键技术光源CO2激光器是最早用于激光雷达的光源,输出功率大,转换效率高,连续输出功率为数十瓦至万瓦,脉冲输出功率为数千瓦至10万瓦,电光效率15%～20%,为适应空基雷达的需要,目前CO2激光器向高可靠、小型化方向发展,进展可喜。

Nd YAG是目前激光雷达中使用最多的激光器,这是一种脉冲激光器,如果探测地物反射回波,激光器工作在1064nm或1053nm波长;如果探测地物荧光回波或用于水下探测,激光器工作在532nm或527nm波长。主要以二极管泵浦为发展主流。

探测器为适应光源的变革,除了经典的光电倍增管,探测器的研究也有新的进展。如果激光是1064nm(1047nm)或532nm(523nm),探测器为Si/APD,这是最成熟的器件;如果激光波长1.5～1.6μm,探测器选InGaAs/APD(或PIN);如果激光波长2.0μm,探测器选InGaAsSb/APD。这些器件由单元器件发展到线阵和面阵器件;工作模式由线性模式发展到Geiger模式。国际上主要的研究机构有PerkinElmer公司和日本滨凇光子公司。ICCD已经直接用于激光雷达回波探测。InGaAs和HgCdTe的焦平面器件被新型的激光成像遥感系统所采用。

主要优点主动测量激光源的相干性、单色性、准直性和偏振作用、高亮度和瞬时行为都是普通光源所无法比拟的。可以说激光的出现为我们提供了一个性质全新的光源:

(1)它给传统光谱学赋予了新的生命力,激光光谱遥感技术的分辨率比现有最好的光谱仪高一千倍,并能实现实时观测处理。红外波段(0.7~34微米)连续可调激光源的发展,大大地促进了红外光谱技术的发展;

(2)它给传统的光学摄影、照相机、记录系统提供了新颖的相干光源,使各种电视摄影照相机的性能大为改观,结构变得极为简单。例如,激光脉冲技术(已达微微秒级)大大地促进了高速摄影技术的发展,当前采用变象管和激光脉冲相配合,已进入到对微观世界的研究;红外激光扫描摄影机能在完全无光的黑夜,拍摄极为清晰的侦察照片;采用红外激光的夜视装置,具有微光夜视、红外夜视所不具备的优点,这种装置不仅能在伸手不见五指的黑夜里从空中(或飞机上)清晰地观察地面情况,而且还可以同时对目标测距,进行炮火控制;激光全息照相的特点是三维成象,立体感强,可在无光的黑夜拍摄,分辨率高,不易损坏,不怕重迭;使用激光源的扫描记录器,可形成高亮度的微小光点,实现单一光谱的记录;

(3)红外波段(0.7~774微米)的激光源,已成为主动红外遥感系统的良好光源。

精度高激光雷达的测距、识别和跟踪的精度高。其角分辨率在理论上比微波雷达高10的10次方倍;激光雷达测距精度高,可达米级,厘米级。例如,发射1微弧度发散角的激光束,打到1000公里处的光点直径仅为1米。通常,采用高速数字计数器,测量发射和接收脉冲之间的时间间隔来获得距离的;因此说,测距精度基本上与目标距离无关,特别适用于精密远程测距。此外,还具有抗干扰性好,能穿透核爆引起的电离云,填补微波雷达的盲区,对地面和低空目标的探测性能比微波雷达好。激光的多普勒效应比微波高100倍以上,测速精度高。

信息量大激光源频带宽,信息量大,可实现高速数据率的图像传输。

设备小激光遥感设备紧凑、轻小,适合在空间使用。1

应用领域距离的激光遥测最成熟和最经典的测距方法是脉冲测距和相位测距。脉冲测距是通过直接测量激光脉冲的往返传播时间进行测距的。激光脉冲的往返传播时间由距离计数器测量。距离计数器的开门信号为激光主波采样信号,对应的关门信号为激光回波信号,激光脉冲往返时间根据计数器在开、关门信号之间的数值求得。相位测距通过强度调制的连续光波在往返传播过程中相位变化来测量光束的往返传播时间。

激光侦察与监视各种激光侦察与监视系统,国外自1963年开始研制以来,现在某些技术已达到了实战要求,已在地面和飞机上实际使用,并有了不断的改进。实现航天侦察与警戒,装在航天飞行器上的激光侦察和监视系统正在探索研制。激光侦察使一些传统的电子和光学侦察工具在某些方面相形见拙。

激光侦察的特点和优点是:1.反应灵敏,观察精细,2.擅长夜间侦察,即使在伸手不见五指的黑夜里也能完成侦察任务;3,一机多用,一台装置能同时起观察、测距和制导等多种作用;4.行动隐蔽,不易被察觉。

激光对抗随着各种激光探测系统和武器系统的迅速发展,激光对抗技术也有了相应的发展。近年来,地面和机载的激光对抗技术的发展,日趋成熟,出现了一些被动和主动对抗措施郎,。正在研制的机载激光对抗系统有:激光源定位系统,高分辨率激光探测系统,激光寻的和告警系统,被动式激光对抗材料和主动激光干扰等。2