國外激光雷達的發(fā)展趨勢

劉尚富 胡輝

（1.海軍工程大學武漢430000）（2.海軍蚌埠士官學校蚌埠233012）

國外激光雷達的發(fā)展趨勢

劉尚富1，2胡輝1

（1.海軍工程大學武漢430000）（2.海軍蚌埠士官學校蚌埠233012）

論文從國外激光雷達的優(yōu)點、分類出發(fā)，詳細論述了偵察用成像激光雷達、障礙回避激光雷達、制導激光雷達、化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達、水下探測激光雷達、空間監(jiān)視激光雷達的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

偵察用成像激光雷達；障礙回避激光雷達；制導激光雷達；化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達；水下探測激光雷達；空間監(jiān)視激光雷達

Class NumberTN95

1 引言

激光雷達是一項正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，在軍事部門具有廣泛的用途，受到了各國軍事部門的極大關(guān)注。國際導彈技術(shù)控制法明確指出：“激光雷達系統(tǒng)將激光用于回波測距、定向，并通過位置、徑向速度及物體反射特性識別目標，體現(xiàn)了特殊的發(fā)射、掃描、接收和信號處理技術(shù)”，并把激光雷達作為限制擴散的軍事技術(shù)之一［1］。

2 激光雷達的優(yōu)點

激光雷達之所以受到關(guān)注，是因為其具有一系列獨特的優(yōu)點：具有極高的角分辨率、具有極高的距離分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗干擾能力強、比微波雷達的體積和重量小等。但是，激光雷達的技術(shù)難度很高，至今尚未成熟，而且在惡劣天氣時性能下降，使其應用受到一定的限制［2］。

3 激光雷達的分類

激光雷達仍是一項發(fā)展中的技術(shù)，有的激光雷達系統(tǒng)已經(jīng)試用，但許多激光雷達系統(tǒng)仍在研制或探索之中。激光雷達類別可以從不同的角度來劃分。若按用途和功能劃分，則有偵察用成像激光雷達、障礙回避激光雷達、制導激光雷達、化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達、水下探測激光雷達、空間監(jiān)視激光雷達…；若按工作體制劃分，則有單脈沖、連續(xù)波、調(diào)頻脈沖壓縮、調(diào)頻連續(xù)波、調(diào)幅連續(xù)波、脈沖多普勒等體制的激光雷達。下面分別介紹軍事部門大力發(fā)展的幾類激光雷達的發(fā)展趨勢［3］。

4 國外激光雷達的發(fā)展趨勢

4.1 偵察用成像激光雷達

激光雷達分辨率高，可以采集三維數(shù)據(jù)，如方位角-俯仰角-距離、距離-速度-強度，并將數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示，獲得輻射幾何分布圖像、距離選通圖像、速度圖像等，有潛力成為重要的偵察手段［4］。

美國雷錫昂公司研制的ILR100激光雷達，安裝在高性能飛機和無人機上，在待偵察地區(qū)的上空以120m～460m的高度飛行，用GaAs激光進行行掃描。獲得的影像可實時顯示在飛機上的陰極射線管顯示器上，或通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至地面站［5］。

美國海軍陸戰(zhàn)隊提出，現(xiàn)有手持攝影裝置不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場的要求，需要一種新型手持成像設備，不僅提供能及時處理的影像，而且能提供定量信息。據(jù)任務需求聲明書說，這種設備必須能由一名海軍陸戰(zhàn)隊隊員攜帶，重量在2.3kg～3.2kg之間，能安裝在三腳架上；系統(tǒng)必須能自聚焦，能在低光照條件下工作；采集的影像必須足夠清晰，能分辨遠距離的車輛和近距離的人員，而且可先由使用者觀看，然后在海軍陸戰(zhàn)隊空-地特遣部隊中分發(fā)。具體的性能要求是視場15×15mrad，影像分辨率0.15mrad，作用距離1km，距離分辨率15m，拍攝時間1/3 s。根據(jù)海軍陸戰(zhàn)隊的要求，桑迪亞國家實驗室和Burns公司分別提出了手持激光雷達的設計方案。一種是無掃描器的系統(tǒng)，使用閃光燈泵浦Q開關(guān)Nd（YAG激光器、數(shù)字CCD攝像機和調(diào)制像增強器。另一種是掃描型系統(tǒng)，采用二極管泵浦固體激光器、32元雪崩光電二極管、纖維光學中繼系統(tǒng)和二元光學掃描器。據(jù)稱兩種方案都能滿足要求［6］。

4.2 障礙回避激光雷達

許多國家在研制直升機用的障礙回避激光雷達。美國羅斯洛普·格魯曼公司與陸軍通信電子司令部夜視和電子傳感器局聯(lián)合研制直升機超低空飛行用的障礙回避系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用半導體激光發(fā)射機和旋轉(zhuǎn)全息掃描器，探測直升機前很寬的范圍，可將障礙信息顯示在平視顯示器或頭盔顯示器上。該激光雷達系統(tǒng)已在兩種直升機上進行了試驗［7］。

在美國陸軍夜視和電子傳感器處的指導下，作為陸軍直升機障礙回避系統(tǒng)計劃的一部分，F(xiàn)ibertek公司研制了直升機激光雷達系統(tǒng)，用于探測電話線、動力線之類的障礙。該激光雷達由傳感器吊艙和電子裝置組成，是使用二極管泵浦1.54μm固體激光器。吊艙中安裝激光發(fā)射機、接收機、掃描器和支持系統(tǒng)。電子裝置由計算機、數(shù)據(jù)和視頻記錄器、定時電子系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)器、制冷系統(tǒng)和控制面板組成。該激光雷達系統(tǒng)安裝在UH-1H直升機上［8］。

德國達索電子技術(shù)公司、蔡司電光公司和英國GEC-馬可尼航空電子公司、馬可尼SpA公司聯(lián)合研制的Eloise CO2激光雷達，是另一種直升機載障礙報警系統(tǒng)，可提前10s提供前方有5mm電纜的報警，使直升機能在惡劣氣候條件下作戰(zhàn)飛行。

馬可尼SpA公司還提供自行研制的Loam障礙回避系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用人眼安全激光技術(shù)，探測電線、樹木、桅桿等障礙。飛行員接收視覺和聲音報警，顯示器顯示障礙的形狀、位置、方位和距離［9］。

4.3 制導激光雷達

以非制冷二極管泵浦固體激光器為基礎的工作波長1μm左右的激光雷達系統(tǒng)，可以提供以距離和強度為基礎的高分辨率影像。激光雷達得到的影像不同于紅外影像，允許使用比處理紅外場景簡單的算法實現(xiàn)自主目標捕獲。因此，激光雷達尋的器可以為空-地武器提供自主精確制導手段。隨著成本的降低，激光雷達尋的器還將用于短程消耗性彈藥。

美國陸軍和空軍開展了多項激光雷達制導技術(shù)的研究工作。按照國防部的“武器自動目標識別”科技目標，美國陸軍正在試驗將成像紅外傳感器自動目標識別用的圖形識別算法用于激光雷達。目標是演示將快速響應和低虛警相結(jié)合的自動目標識別技術(shù)。該技術(shù)將允許發(fā)展以有限搜索、發(fā)射前鎖定和發(fā)射后鎖定模式工作的武器。有效的自動目標識別能力可以給士兵提供直接攻擊、發(fā)射后不管的武器。這種武器能在發(fā)射后捕獲目標，鎖定丟失后能自動再捕獲目標，識別友軍，并為彈頭選擇最佳瞄準點。

美國陸軍研究實驗室集中于低空、近距離應用的低成本、高距離分辨率激光雷達。最初，軍用激光雷達的研究曾集中于CO2激光器。CO2激光雷達雖能探測遠距離目標，但對陸軍應用來說，太大、太貴、太不可靠。因而目前的研究工作大多集中于采用二極管泵浦激光器的激光雷達。這種激光雷達作用距離可在1km以上，但成本高，也不能滿足要求。陸軍子彈藥目標捕獲、引信、遙控傳感器等，需要用低成本、高距離分辨率激光雷達獲得理想的三維影像。為此，陸軍研究實驗室將低成本連續(xù)波半導體激光器與現(xiàn)代調(diào)頻雷達信號處理技術(shù)相結(jié)合，來獲得便宜、結(jié)實、可靠的激光雷達系統(tǒng)。這種激光雷達用射頻子載波調(diào)制發(fā)射的激光。目標反射光被光電二極管非相干探測，轉(zhuǎn)變成電壓波形。然后，這個波形與原調(diào)制波形無延遲采樣混合。再對混頻器的輸出進行處理，去除自雜波。最后，利用離散傅立葉變換將無雜波波形進行相干處理，獲得目標的振幅和距離。研制的實驗室型激光雷達，采用工作波長830nm的30WGaAlAs半導體激光器，獲得的影像和距離響應表明，理論距離分辨率為0.25m。

空軍提出的“靈巧小炸彈”將采用激光雷達制導。靈巧小炸彈是一種以外科手術(shù)式精度投放22.7kg（50磅）高爆炸藥的113.4kg（250磅）炸彈，其毀傷效能類似于現(xiàn)有的精度較低的900kg（2000磅）侵徹武器，而且附帶破壞的危險較小。按照空軍-海軍的聯(lián)合DASSL計劃，賴特實驗室已經(jīng)根據(jù)靈巧小炸彈的任務要求導出對激光雷達的要求和激光雷達尋的器的基本設計參數(shù)［10］。

4.4 化學/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達

化學/生物武器是一種大規(guī)模毀傷武器。面對不斷擴散的化學/生物武器的威脅，許多國家正在采取措施，加強對這類武器的防御。美國國防部認為，需要能在戰(zhàn)場上使用的、快速響應的、靈敏的監(jiān)視系統(tǒng)，以盡快提供化學/生物威脅的報警。這種系統(tǒng)不同于防空和反潛警戒系統(tǒng)，必須具有搜索、探測、識別、定量化、監(jiān)測和診斷等功能。激光雷達可用于化學/生物戰(zhàn)劑的遙測。每種化學戰(zhàn)劑僅吸收特定波長的激光，對其他波長的激光是透明的。被化學戰(zhàn)劑污染的表面則反射不同波長的激光。化學戰(zhàn)劑的這種特性，就允許利用激光雷達探測和識別之。激光雷達可以利用差分吸收、差分散射、彈性后向散射、感應熒光等原理，實現(xiàn)化學生物戰(zhàn)劑的探測。

按照國防部高級研究計劃局的研究合同，EOO公司正在研制緊湊的紅外/紫外混合激光雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用二極管泵浦Nd：YAG激光器產(chǎn)生的1.064μm激光，進行彈性后向散射測量，探測生物戰(zhàn)劑氣溶膠云的位置、形狀、大小，并利用多普勒探測邊緣濾波技術(shù)確定風向和風速；通過將1.064μm紅外激光4倍頻成0.266μm的紫外激光，進行生物戰(zhàn)劑氣溶膠云感應熒光的探測。最終的目標是研制出戰(zhàn)術(shù)無人機載激光雷達系統(tǒng)樣機。預計樣機重量34kg，體積0.0425m3，功率需求小于500W。目前設計的實驗室型系統(tǒng)，打算測量氣溶膠濃度的距離為5km，以1m/s的分辨率測量風場的距離為2km，測量熒光的距離為1km以上。該實驗室型系統(tǒng)進行地面性能評估后，將再建造一個可供機載使用的實驗室型裝置，安裝在“空中女王”飛機上測量布撒的氣溶膠。該機載系統(tǒng)是足夠結(jié)實和靈活的，在需要時可進一步最佳化。

EOO公司還在按照國防部高級研究計劃局的小型商業(yè)創(chuàng)新研究合同，研制高空化學-生物戰(zhàn)劑探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)是高空飛機攜帶的多功能成套傳感器，將Nd：YAG激光雷達、10μm外差可調(diào)諧差分吸收激光雷達和頻率調(diào)制-差分吸收激光雷達光譜儀的功能組合在一起，探測和識別濃度極低的短暫發(fā)射，用于監(jiān)視化學-生物戰(zhàn)威脅。頻率調(diào)制-差分吸收激光雷達使用頻率調(diào)制激光發(fā)射機和靈敏的射頻探測技術(shù)。射頻探測技術(shù)是將射頻邊帶置于激光脈沖上，當欲探測的化學戰(zhàn)劑產(chǎn)生邊帶的差分吸收時，造成以射頻頻率振幅調(diào)制激光脈沖，然后利用標準信號處理技術(shù)探測這個振幅調(diào)制，從而探測和分離出化學戰(zhàn)劑的吸收譜線。實驗已證明，實驗室系統(tǒng)在進行點化學戰(zhàn)劑探測時，能夠以量子噪聲極限運轉(zhuǎn)［11］。

4.5 水下探測激光雷達

激光雷達具有足夠的空間分辨率，來分辨目標的尺寸和形狀，因而是有效的探測水下目標并進行分類的工具。1988年美國“羅伯茨”號護衛(wèi)艦在阿拉伯灣幾乎被廉價的水雷擊沉。此后Kaman宇航公司研制了“魔燈”水雷探測激光雷達。該激光雷達使用藍-綠激光器、靈敏的電子選通像增強攝像機和精確脈沖定時發(fā)生器。機載激光器向海面發(fā)射激光脈沖，掃描水雷。同時，脈沖定時發(fā)生器控制攝像機快門，僅接收特定深度反射的激光能量。在這個深度的目標反射激光而被顯現(xiàn)。影像通過數(shù)據(jù)鏈路傳送給艦船。“魔燈”激光雷達可以在海面以上120m～460m高度工作，名義工作高度460m，但低空飛行時分辨率和信噪比較高，而視場有限。探測深度最初定為12m～61m的淺水區(qū)，但根據(jù)初步作戰(zhàn)評估和不斷的研究，調(diào)整為包括3m～12m的極淺水區(qū)和深度不足3m的沖浪區(qū)。“魔燈”激光雷達不僅可以自動探測水中目標，而且可以實施目標分類和定位。1988年的樣機試驗表明，該系統(tǒng)可以迅速探測錨雷，并定位。

海灣戰(zhàn)爭期間，美國軍艦“特里波利”號和“普林斯頓”號被水雷毀傷，使人們將注意力集中到采用新技術(shù)的水雷對抗手段上。部署到該地區(qū)的“魔燈”水雷探測激光雷達初樣機成功地發(fā)現(xiàn)了水雷和水雷錨鏈。1996年美國海軍將第一個“魔燈”系統(tǒng)部署到海軍航空兵HSL-94預備役中隊。

瑞典國防研究局、國家海洋局、海軍和國防器材局共同開展了激光海洋測繪研究，首先研制了“手電筒”機載激光雷達，繼而進一步研制了“鷹眼”激光雷達。薩伯動力學公司（Saab Dynamics）作為主承包商，研制了兩臺“鷹眼”激光雷達。試驗表明，激光雷達是一種快速、精確的測深設備，可以滿足國際水文辦公室對海洋深度測量的精度要求。

4.6 空間監(jiān)視激光雷達

美國空軍在毛伊島空間監(jiān)視站利用激光雷達的精密跟蹤和高分辨率成像能力，進行遠距離探測、跟蹤和成像，核查軌道上的衛(wèi)星。安裝在毛伊島的高性能CO2激光雷達監(jiān)視傳感器系統(tǒng)（也稱為“野外激光雷達演示”系統(tǒng)），是一臺高功率、寬帶、相干激光雷達。該激光雷達是按照一項分四個階段的計劃研制的。第一階段建造了實驗室硬件，在毛伊島組裝了綜合激光雷達系統(tǒng)，使用緊湊的脈沖相干CO2振蕩器、外差接收器、信號記錄器與0.6m激光束定向器耦合，演示了衛(wèi)星捕獲、照明、回波信號探測和信號記錄。然后，通過脫機處理，從回波信號中提取距離和距離速率數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了距離-振幅成像。隨后的第二階段，研制了改進的振蕩器、接收器、處理器和光束定向器，并將其組合成最終的系統(tǒng)，使系統(tǒng)能力達到在30Hz時輸出能量12J。第三階段在發(fā)射機上增加了功率放大器（最后一個主要的部件），使系統(tǒng)能力達到30Hz時激光輸出能量為30J。在第四階段，提供高精度位置和速度跟蹤，并打算最終測量非美國的航天器的尺寸、形狀和取向。按照計劃，這臺激光雷達將能進行高精度位置和速度跟蹤，并提供尺寸、形狀和方位信息。

美國陸軍空間和導彈防御司令部也于1997年開始一項稱為“戰(zhàn)場激光雷達技術(shù)轉(zhuǎn)移演示”的探索性計劃，并成功地試驗了在最遠1000km的距離探測衛(wèi)星、巡航導彈和化學武器。由Textron公司制造的激光雷達發(fā)射幾種波長接近11μm、11.15μm的激光脈沖，根據(jù)激光往返時間確定目標距離，用多普勒頻移確定目標速度，并可以利用獲得的信息確定目標的尺寸和形狀，獲得目標的多普勒影像，以識別之。在毛伊島空間監(jiān)視站的試驗期間，該激光雷達不僅探測到距離達24km的直升機，而且確定了直升機旋翼槳葉的個數(shù)和長度、旋翼的間距和轉(zhuǎn)速［12］。

5 結(jié)語

激光雷達是傳統(tǒng)雷達技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。激光問世后以來，激光雷達技術(shù)從最簡單的激光測距技術(shù)開始，逐步發(fā)展了激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術(shù)，陸續(xù)開發(fā)出不同用途的激光雷達，在未來的軍事中將會得到更廣闊的應用。

［1］戴永江.激光雷達技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010：78-79.

［2］王春輝.激光雷達系統(tǒng)設計［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2011：45-46.

［3］童志鵬，劉星.綜合電子信息系統(tǒng)——現(xiàn)代戰(zhàn)爭的擎天柱［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999：102-103.

［4］候印鳴，李德成，等.綜合電子戰(zhàn)——現(xiàn)代戰(zhàn)爭的殺手锏［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2000：55-56.

［5］周一宇等.電子戰(zhàn)原理與技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999：32-33.

［6］王殿勇.雷達對抗［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1979：61-62.

［7］NicholsonDB.Hexagonal ferrite for millimeterwave application［J］.Hewlett-Packard Journal，1990，41（5）：42-43.

［8］Michael J Cantella.Staring-Sensorsystems the infrared and electro-optical system handbook［M］.Infrared Information Analys,SPIE Optical Engineering Press，1993，5：12-13.

［9］Don Herskovite.Future Trends in Simulation Systems［J］. JED，1995，5：32-33.

［10］Don Herskovite.The State of Simulate software［J］.JED，1998，8：5-6.

［11］劉敬民.毫米波雷達無源對抗技術(shù)［J］.電子對抗技術(shù)，2001（5）：23-25.

［12］付偉.毫米波制導武器及其對抗技術(shù)［J］.火控雷達技術(shù)，2000（29）：8-12.

Development Trend of Foreign Laser Radar

LIU Shangfu1，2HU Hui2
（1.Naval University of Engineering，Wuhan430000）（2.Bengbu Naval Petty Office Academy，Bengbu233012）

In this paper，from aspects of the advantages，classification of foreign laser radar，the paper discusses the status and development trends of reconnaissance imaging laser radar，obstacle avoidance laser radar，laser radar guidance，chemical/biological warfare agent detection laser radar，status of underwater detection laser radar，laser radar space surveillance.

reconnaissance imaging radar，obstacle avoidance laser radar，guidance laser radar，the chemical/biological agent detection laser radar，underwater laser radar，space surveillance radar

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.06.001

2016年12月1日，

2017年1月19日

劉尚富，男，副教授，研究方向：雷達。胡輝，男，講師，研究方向：雷達。