远距离雷达芯片_激光成像的基本原理「建议收藏」

摘要：远距离激光成像雷达在军事侦察和空间监视等领域应用广泛。介绍了几种不同类型远距离激光成像雷达的基本原理，给出几种不同类型的远距离激光成像雷达，并指出了激光成像雷达的发展趋势。

关键词：激光成像雷达；距离分辨；角度分辨；合成孔径

1 引言

激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。1961年，第一台激光雷达问世。在随后40多年的时间里，激光雷达取得了突飞猛进的发展。激光成像雷达的研究始于20世纪70年代，与非成像激光雷达相比，除了功能上不同，研究难度和费用也大大高于非成像激光雷达。如何提高成像激光雷达的性能、扩展其适用范围，一直是国内外研究的热点。军事侦察和空间监视要求激光雷达必须同时具备远距离(几百千米以上)和高分辨的能力。

美国从1972年开始就着手研制远距离“火池”激光雷达系统，随后在美国战略导弹防御组织(BMDO)有鉴别力的拦截导弹技术计划(DITP)的支持下，Fibertek公司负责研制了角度-角度-距离-强度成像激光雷达。最终目的是将激光雷达和红外焦平面阵列探测器一起使用，以提高在复杂条件下截击导弹的鉴别能力。

2 成像激光雷达的基本原理

2.1角度分辨

在无像差光学系统中或者系统像差足够小时，光学系统口径的衍射决定了系统的最高分辨率。衍射受限系统的角分辨率由d来表征

d=1.22λ/D (1)

其中λ为波长，D为光学系统有效口径。一般情况下，成像系统通过增大光学系统口径的方法提高成像角分辨率，在感光元件的像素分辨率一定时，通过加长焦距提高成像分辨率。假设光学系统的有效口径D=20cm，那么系统的成像角度分辨率为6.71μrad，距离1000km时，空间分辨率为6.71m。当距离1000km时，要达到厘米级的空间分辨率，光学系统的有效口径D应该等于134m，这实际上是不可能实现的，因此必须采用其他手段进行远距离高分辨率成像。2.2距离分辨雷达的距离分辨率取决于雷达信号带宽，可以表示为

(2)

……

图1.1981 年的“火池”激光雷达系统

图2.1992 年的“火池”激光雷达及其电光子系统

图5.美国HI-CLASS相干二氧化碳激光雷达

图11.合成孔径激光雷达原理示意图

……

5 结论

目前无论是采用微波SAR还是光学相机手段，卫星对地面观察的成像分辨率只能达到米级或亚米级。事实上对星载观察达到厘米级成像分辨率的需求更为迫切。光学和微波相比可以获得更高的分辨率，但要达到分米级以下的分辨率，望远镜的通光口径要达到数米以上，这在星间应用不切实际。实现分米级及其以下的光学分辨率的唯一途径就是采用合成光学孔径办法成像，但是多孔径光学合成要保证各个孔径之间严格的同相位，这在目前的星载条件下几乎是不可能实现的。而国外已经有合成孔径激光雷达成功的报道，因此合成孔径激光雷达是目前实现分米级分辨率的唯一可行途径，一直受到许多国家军方的密切关注和大力支持。合成孔径包括相干合成和非相干合成、在美国国防先进研究计划局的资助下，2006年初雷声公司和诺斯罗普·格鲁门公司分别成功演示了激光合成孔径雷达装置系统，展示了该技术对远距离目标进行高分辨成像的先进性和广阔军事应用前景，引发了空间远程高分辨率成像的新技术革命。

合成孔径激光雷达技术可以突破传统光学成像的分辨率极限，达到更高的分辨率，易于表现细节，有利于对目标的识别和解释。在战场监视、侦察、精确制导、预警探测等方面都有着很广阔的应用前景。由于合成孔径激光雷达要求不同时间和位置的激光信号必须同相位，因此对光学、机械、电子、算法等方面都有着很高的要求。

在对孤立目标成像激光雷达方面，目前主要存在的问题是成像速度相对较低，今后应该在这方面加以改进；在合成孔径激光成像雷达方面，目前的主要问题是成像的条幅宽度比较窄，今后应该在这方面加以改进。在波长选择方面，一般选用大气透过窗口的波长，目前使用的波长有1.06μm，1.55μm，10μm波段，其中1.06μm波段一般用来进行地对空激光成像雷达，1.55μm和10μm波段一般用在空对地激光成像雷达，这两个波段都是人眼安全波段。

鉴于篇幅问题，本文仅为节选(激光与光电子学进展 2009.08)，全文内容可阅读原文下载PDF文档。

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