激光雷達中光電子技術的應用

李啟蒙

（陜西國防工業職業技術學院 陜西省西安市 710000）

由于光電子技術涉足了多個領域的科學理論，是典型的交叉滲透現代技術，因此光電子技術在應用過程中表現出較強的兼容性，這一優勢也使得光電子技術具有較大的發展空間。激光雷達也是現代重要的科學技術之一，涉及的領域頗多，因其自身所具備的高角分辨率、高距離分辨率、高速度分辨率使其在多個領域內得到了廣泛的應用。而在激光雷達發展的過程中，研究學者也在不斷地將先進的科學技術與之結合，光電子技術就是其中一種。將光電子技術支撐的元器件安裝在激光雷達上，不僅可以使激光雷達實現向小型低耗，低成本，便攜式方向的轉變，還可以進一步打開激光雷達的應用范圍。因此，光電子技術在激光雷達的發展中所發揮的作用是不可估量的。

1 激光雷達概述

1.1 激光雷達的定義及組成部分

激光雷達的英文原譯為Light Detection And Ranging-LIDAR。目前，人們所說的激光雷達的全稱是激光探測及探測系統，它是以激光器為發射光源，并運用光電探測技術的主動遙感設備。激光雷達是當今社會比較先進的探測方式，是激光技術與光電探測技術結合的產物，其組成部分主要有發射系統、接收系統以及信息處理系統等。如圖1 所示為激光雷達的組成示意圖。

首先，發射系統。發射系統主要是各種各樣的激光器，是各種激光器與光學擴束單元等組成的，例如：CO2激光器、半導體激光器以及固定激光器等。其次，接收系統。接收器是由望遠鏡和光電探測器等組成的，例如：光電倍增管、紅外和可見光多元探測器等。最后，信息處理系統。這個系統主要就是對激光雷達工作過程中的信息進行相關的處理。通常情況下，激光雷達的工作方式有兩種形式，一種是脈沖方式，另一種是連續波方式。而探測方法卻根據原理的不同可以分為很多種方式，例如：米散射、熒光、多普勒等。

1.2 激光雷達的原理

激光雷達是涵蓋激光技術、光電檢測技術及信號處理技術的系統性設備，其探測原理是以發射已知激光信號直接探測目標物的狀態特征量或間接探測與目標物相關的物理狀態特征量，兩者皆是利用從目標物反射回來的回波信號與已知發射信號的信息差異實現目標參量的探測。其中直接探測是針對目標物本身的特征量探測，間接探測是指通過探測目標物的回波信號間接反演與之相關聯的其他物理量特征?，F階段，激光雷達從用途上可以分為用于構建三維地形地貌的激光雷達系統和用于大氣環境監測的激光雷達系統等，前者主要是用于地面數字高程模型的直接探測，后者主要是用于大氣環境參數的間接探測，但無論是哪種類型的系統都具有一個共同的特點就是都需要使用激光對其進行探測或測量。

激光的光學特性使其具有較強的測量功能，且測量數據具有非常高的準確性，其遠距離探測可實現厘米級的分辨能力。但是LIDAR 系統的精確度不僅取決于激光自身，還會受到全球定位系統技術、慣性導航系統技術等因素的影響。隨著兩者的快速發展，LIDAR 系統已經可以實現了在移動平臺上獲取高精度的數據，汽車無人駕駛技術就得益于激光雷達技術的高速發展。

圖1：激光雷達的組成示意圖

1.3 激光雷達的分類

在對激光雷達進行分類時，可以多種不同的角度對其進行劃分。本次論述中主要是以用途功能和工作體制兩種形式進行劃分。首先，以激光雷達的用途和功能進行劃分時，可以將其分為精密跟蹤激光雷達、火控激光雷達、氣象激光雷達、水下激光雷達等。這種劃分方法可以有效的幫助人們掌握激光雷達的應用。其次，以激光雷達的工作機制對其進行劃分時，可以將其分為單脈沖激光雷達、連續波激光雷達、脈沖多普勒激光雷達等。

2 光電子技術概述

2.1 光電子技術的定義

光電子技術是光子技術和電子技術結合形成的一項新技術，也就是說它是由光子技術和電子技術組合而來的。光電子技術是指光電子學在信息、能源、航空航天等領域中的應用。

上世紀70年代，半導體激光器和光纖技術得到了快速的發展，同時在技術上也得到了很大的突破，帶動了很多相關領域的發展，同時也為光學和電子學的發展帶了機遇，促進了兩者與其他學科的滲透，也就是形成了光電子技術。光電子技術是光電子信息技術的簡稱，該項技術研發的核心是實現電能與光能的轉換，其內容主要是從光的產生、到傳輸到調制放大到頻率準換到檢測再到光信息的處理上，它作為一種全新的科學技術，涉及了材料科學、精細加工、半導體材料以及固體物理等多個領域。

2.2 光電子技術的發展現狀

光電子技術作為一項新的科學技術，自產生以來受到國內外研究學者的高度重視。與國外相比，我國對光電子技術的研究與發展都相對較晚，但是我國在光電子技術方面的發展卻十分迅速，現如今已經達到先進水平階段，大大的縮短了與國外其他優先研發的發達國家的距離。目前，我國珠江三角洲、長江三角洲等渤海地區的光電技術發展較好。國外一些發達國家在光電子技術的發展和應用上也體現出較大的差異性，美國、日本以及一些歐洲國家相對先進。但隨著世界全球化的發展，信息通訊產業面臨著較大的挑戰，而光電子技術在全球信息交流方面發揮了重要作用。因此，光電子技術在未來具有較大的發展空間和較好的發展前景。

2.3 光電子技術的發展方向和應用領域

隨著各國對光電子技術的研究力度和深度的不斷加大，使其出現很多的發展趨勢。現階段，光電子技術在激光雷達及全信息、大容量光存儲技術、光互連、光計算技術等方面的發展勢頭十分迅猛。而在光電子技術的應用上，所涉及的領域也是相對較多的，如在信息領域、能源領域、汽車領域、環境領域、軍事領域以及醫療領域。在信息領域上，光電子技術可以有效的提高信息傳輸和處理的速率；在能源領域上，能夠實現將光能轉換為熱能；在汽車領域上，可以有效的提升汽車的功率；在環境領域上，也給治理環境污染帶來了新的希望；在軍事領域中，可以制造先進的激光制導武器和形成有效的圖像傳感器；在醫療上，通過激光手段可以治療一些傳統手段難以治愈的疾病，同時還能夠使手術成功率、治療效果都得到有效的提升。

3 激光雷達中光電子技術的應用分析

隨著社會的快速發展，信息量可謂是與日俱增，這使得電子學和微電子學在系統響應、頻寬以及承載傳輸信息上的發展面臨著較大的難點。而光作為信息載體的一種，不僅頻率高，反應速度也更快，可以有效的促進信息技術的發展。現如今，在變超大、超精、高速等方面有所要求的都需要借助光電子技術。目前，光電子技術中的光纖通信是已經在微波領域中得到普遍應用，其在激光雷達中的應用也正在逐步推廣，光電子技術在激光雷達中的應用中發揮了明顯優勢，極大的推動了激光雷達的發展。在計算機發展潮流時期，套用老話說：不采用計算機技術的雷達就不是先進雷達，然而現在應該說成不采用光電子技術的雷達就不是先進雷達。下面將對激光雷達中光電子技術的應用從雷達信號傳輸、雷達信號處理、雷達波束的光控制三方面進行分析。

3.1 光電子技術在激光雷達信號傳輸中的應用

光纖鏈路的是由二極管、光纖、調制器等部分組成的。在激光雷達信息傳輸過程中，光纖鏈路可以將微波信號通過調制器處理調制為光波，之后再通過光纖對微波信號的傳輸進行模擬。現階段，電子技術在激光雷達信號傳輸中的應用在國外相對更成熟些。采用光纖對激光雷達的信號進行傳輸的最大優點在于可以降低頻率和傳輸消耗。

研究表明，在雷達信號傳輸的過程中，整個頻段產生的損耗如果與調節信號保持一致，就會在一定程度上促進信號傳輸，有助于激光雷達系統遠程控制的實現。天線作為輻射源，會受到反輻射作用，因此要合理的把控控制中心與其的位置，可以采用同軸電纜，雖然傳輸期間損耗大，但是天線與指令間的距離卻可以得到很好的控制。其次，在電纜耗銅量上是隨著頻率平方根的增大而增大，在信號傳輸的前期，需要先將信號調整到頻率范圍內，以便于放大器和放大信號電平的作業。在使用光纖鏈路進行傳輸激光雷達信號時，若光纖受比較小，在指令中心進行傳輸時是不需要進行變頻的，這種情況下即使不使用放大器也能夠實現提高信號電平等的應用效率。但是為了在光纖系統進行信號傳輸期間能夠保持穩定的性能、降低運營的成本和提高抗電磁能力，還是需要使用光纜進行信號傳輸，同時為激光雷達天線遠程化傳輸提供保障，使激光雷達在軍事領域中發揮更大的作用，同時更有力地促進經濟的增長。除此之外，光纖系統還具備體積小、重量輕、靈活性高的優點，因此在一些小的空間內或空間存在限定的場合比較使用。

3.2 光電子技術在激光雷達信號處理中的應用

光纖延遲線是由激光器、調節器等部分構成，是微波射頻領域中限號處理的新型器件之一。光纖延遲線可以產生多種不同的信號處理器，例如：編碼發生器、橫向匹配濾波器等。在激光雷達系統處理中，帶寬極寬特性的系統所具備的用途更為重要，在聲表面波器件的頻率較低時，性能就越優越，但是在對信號進行處理時就需要將頻率控制在一定值下，而現在的信號處理器件尚不能實現較好的處理效果。

在對寬帶激光雷達信號進行處理時，由于雷達接接收機的分辨率較高，因此在選擇電子情報信號處理器時需要選擇成本低、時間帶寬積大的器件，并使用同軸電纜和體聲波器件。和其他延遲線相比較，光纖延遲線的性能更加先進，不僅可以實現任何延時，還具備工作頻率高的特點。但是在使用過程中，為了進一步兼顧使用成本，可以選擇單模石英光纖為主要介質，這樣也可以在一定程度上保障性能。這樣看來，信號處理器的主要構件使用光纖延遲線可以有效的發揮其作用。現如今，光纖延遲線在激光雷達中的應用是其價值的最佳體現，不僅可以在雷達信號處理系統中發揮重要作用，還能夠應用到隨機程序發生器、衛星雷達中去，因此光纖延遲線對在雷達信號處理中的應用具有良好的發展前景和經濟價值。

3.3 相控陣雷達波束的光控制

利用相控陣雷達系統對雷達光波束進行控制時，需要借助有原單位將其形成跟蹤尖銳波速束。該波束可以控制電子調控方法，使輻射單位發生改變，有利于實現相對相位。作為單元控制器件的移相器，在傳統形式上主要有二極管、鐵氧體移相器兩種。這兩種形式的移相器在工作頻率上存在著較大的差異，前者的工作頻率較低，后者的工作頻率較高。前者與后者相比不僅體積大、損耗量大，在連續控制上也存在著很大的差異。因此在科學技術快速進步的今天，利用光電子技術分配相移和射頻功率，則表現出較大的優勢。使用線性連續控制方法來對微波相移進行操作，可以有效的減少移相器的體積和能耗，提高波束控制的靈活性。通常情況下，大型的相控陣天線是由多個MMIC 收發模塊獨立完成，與振蕩器保持同步，在空間內或各個模塊中對主振動器進行鎖定，隨后采用同軸電纜方式對光纖鏈路上的參考信號進行改動，因此能夠實現降低重量減少體積的效果。

4 結束語

綜上所述，激光雷達是一種正處在迅速發展的高科技術，無論是在民用領域還是軍用領域都發揮了重要的作用。而先進的光電子技術與激光雷達的結合，可以使激光雷達技術上升到新的發展階段，使其在精度上、經濟上、實用上等方面都取得了較大的突破。因此，將光電子技術應用到激光雷達中，具有十分廣闊的應用前景，會帶來巨大的經濟價值。