光电子信息系统.pptx

1战争需求促进科技发展n二次世界大战中雷达发挥了重要作用，成为战胜法西斯的法宝之一；n军用需求促使雷达波长进一步缩短，分辨率进一步提高；n从微波量子放大器maser到光学受激辐射放大器laser；n激光雷达是微波雷达在光学波段的延伸。2 1、激光雷达的基本概念Radar:Radio Detecting and Ranging-无线电探测与定位；Ladar:Laser Detecting and Ranging-激光探测与定位；Lidar:Light Detecting and Ranging-光探测与定位；软目标与硬目标软目标：大气、云层、气溶胶、烟尘;硬目标：人员、车辆、飞机、建筑物。3激光雷达的分类按工作方式可分为：按工作方式可分为：连续激光雷达与脉冲激光雷达，CW and Pulse Ladar脉冲激光雷达：可测距离、方向、高度；距离：根据电波由发射出去到接收回来所经历的时间测定；方向：根据收到反射波时天线所指的方向角确定；高度：根据距离和天线所指的仰角确定。连续激光雷达：采用调频波，根据发射波与反射波之间的频差测定距离，根据多普勒原理测运动物体的速度。采用调幅波，根据发射波与回波之间的相位差测距。4激光雷达的分类按光束的单频性和接收方式可分为：按光束的单频性和接收方式可分为：相干与非相干激光雷达；Coherent and Non-coherent Ladar以工作原理可分为：以工作原理可分为：测距机、差分吸收与多普勒激光雷达 Range Finders,DIAL(Differential Absorption Lidar)，Doppler Lidar5激光雷达的分类按运载平台分为按运载平台分为 地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。按功能分为按功能分为 激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角和跟踪雷达、激光成像雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。6激光雷达的分类按用途分为按用途分为 激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、制导激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达和大气激光雷达等。7激光雷达的基本工作原理（1）飞行时间：脉冲非相干激光雷达 Time-of-Flight:pulse non-coherent ladar；（2）多普勒效应：连续和脉冲相干外差激光雷达 Doppler Effect:Heterodyne CW and pulse coherent lidar（3）差分吸收:双波长脉冲非相干激光雷达 DIAL-Differential Absorption Lidar:two wavelengths pulse lidar8激光雷达的特点高空间分辨能力空间分辨能力空间分辨能力：分辨一定距离处两个相邻物体的能力；包括横向角分辨能力和纵向距离分辨能力。横向角分辨能力横向角分辨能力：以可分辨的两个物体的横向间隔与距离之比-角度表示；纵向距离分辨能力纵向距离分辨能力：在距离方向可分辨两个物体的能力，以距离D表示；9激光雷达的特点高空间分辨能力受衍射效应限制的角分辨极限：=/D，-工作波长，D-发射天线直径。激光雷达：31012-31015Hz，：100m-100nm；微波雷达：max：21011Hz，min；1.5mm;纵向分辨力：D=c/2B，B-调频带宽，c-光速。激光雷达：Bmax=1014Hz，Dmin=10-6m，B=109Hz，D=0.15m；微波雷达：Bmax=51010Hz，Dmin=0.006m10数字举例表例激光雷达微波雷达波长1.06m5.2cm天线直径D（m）0.022.0/100角分辨率/d弧度0.000050.026/0.0005210km处的横向分辨力（m）0.5260/5.2200 km处的横向分辨力（m）105200/10411激光雷达的特点（1）高空间分辨率；（2）测速分辨能力高：1cm/s；（3）可以获得目标的多种图像:目标反射激光的辐射几何分布图像、距离选通图像和速度图像等。（4）抗干扰能力强，不受外界电磁场干扰；波束窄，干扰光波不容易进入本信道；宽调谐，多光谱探测能力，对付隐形飞机；（5）可以用于水下探测和通信，已实现了卫星和深海潜艇的通讯;（6）体积小、重量轻、造价低。12激光雷达的缺点（1）大气传输性能差，易受气象条件影响，一般只能短程应用（10-50km）；（2 2）波束窄，不容易实现大视场扫描搜索。132、激光雷达的构成和工作原理14组成部分及其功能本振：稳频小功率激光器，稳定度10-10以上，提供频率标准；发射：提供激光功率，E=L（零差），或E-L=const；调制器：调制频率或强度，调制电源-本振-发射之间锁相；发射/接收：压缩发散角，包括二维扫描机械装置，单站/双站；光电探测：光电转换、滤波、检波；中频放大：窄带，带宽为（d）max，频响在2m附近；I/Q相敏检波：I-In Phase：同相位，Q-Quadrature：90相移；解出距离、速度及与目标亮度成正比的回波振幅；数据处理：给出距离D、方位角、仰角、速度v及目标上不同点的回波强度-图像。15多普勒测速原理多普勒现象：由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率发生变化的现象。其中：fS-静止光频，fS-相对运动状态下观测的光频；c-真空中的光速；vS-光源-探测器之间的相对运动速度，相向运动vS0，相背运动vS016多普勒测速原理如果为相对速度方向与光传播方向间的夹角，则，fd为多普勒频移。光源和观察者相对静止，运动物体散射光的频移，为双重多普勒频移。不共线情况17多普勒测速原理导出：测出fd，即可计算出 vS，具体检测方法有零差法和外差法：本振频率=发射频率-零差；本振频率-发射频率=固定频差-外差；由相干探测的基本关系式可知，输出电流正比于cos（2（fs-fs）t+），零差法：vs=0时，fs-fs=0，输出电流为直流；vs0时，输出为交流，多普勒信号载在零频上，不能判别运动方向，有难以消除的直流噪声；外差法：vs=0时，fs-fs0，有一固定频移，多普勒信号载在一个固定频差f上，可以判别物体运动方向，可以抑制噪声，提高信噪比。18脉冲测距原理 激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。-钟频脉冲间隔；一般采用f=15MHz，l=10m，f=30MHz，l=5m，f=150MHz，l=1m；l=c/2f-一个钟频脉冲表示的距离增量，测距精度：取决于激光脉冲上升沿的时间。19脉冲测距基本框图20脉冲测距各级波形21脉冲激光测距的发展 红红宝宝石石激激光光：历史最早，可见光，单脉冲能量大，重复频率低，效率低；NdNd：YAGYAG激光激光：最成熟常用，可以高重复频率使用，近百Hz；人人眼眼安安全全激激光光：1.54m以上，发展方向，实现方案有铒玻璃、拉曼频移、OPO；COCO2 2激光激光：大气层传输性能好；半导体激光半导体激光：905nm，简单、价廉物美，适用于短距离使用。微型全固态高重频激光器：微型全固态高重频激光器：MHz，声光调Q。22相位测距原理 利用光波的调幅波测距，比脉冲测距精度高，但要求合作目标，适于民用测量，其构成为23相位测距原理 以调幅波作为“光尺”，光尺长度：=c/f，f为调制频率，不是光波频率，为光尺长度，不是光波长，距离 其中N为整数，n为分数。由于相位检测方法只能测出n，不能测出N，因此分为两种情况。单 波 长 应 用：N=0，如 果 相 位 计 测 相 精 度 0.1,(2/3600=0.00028),两倍精度值，则有D=0.0005,for=2m,D=1mm;for=2km,D=1m;在测相精度一定的条件下，为提高测距精度，必须缩短波长。24相位测距原理 多波长应用：两个以上波长应用，Dmax，选择相近波长1、2；使N相等，但n1n2，有 解出 为使两波长N相同，1、2应满足 1 2 N1/（N+1），2Dmax/N；或者：f1 f2 (1+1/N)f1,f1 Nc/2Dmax 相位测距一般使用LD做光源。25线性调频测距、测速原理n（FM-CW：调频-连续波）对固定目标f0-光频中心频率，df-调频带宽的半宽度，fm-扫频频率，1/fm-扫频周期，c/4fm-1/4扫频周期对应的往返距离。26线性调频测距、测速原理实际可测最大距离：dmax=c/8fm，单值范围；当dmaxc/8fm，出现多值。频差：fb=8dfmf/c,导出:d=cfb/8fmf，当fb=f，d=dmax，如果f为全调频带宽，则fb=4dfmf/c,d=cfb/4fmf。27线性调频测距测速对运动目标28目标靠近雷达，如果frfd，则有 如果frfd，则有目标远离雷达，如果frfd，则有 如果frfd，则有 fs-静止光频。线性调频测距测速对运动目标29激光雷达作用距离方程 标准形式 式中，PR是接收激光功率（W）；PT是激光发射功率（W）;GT是发射天线增益;是目标表面反射率；D是接收孔径（m）；R是激光雷达到目标的距离（m）；T是单程大气传输系数；Sys是激光雷达的光学系统的传输系数。30两个重要概念n发射天线增益：整个空间立体角与激光束实际 发射立体角的比值。衍射极限条件下：Ka激光输出孔径透射率n目标散射截面：31激光雷达作用距离方程n在衍射极限条件下，发射接收共口径条件下32点目标条件下的激光雷达作用距离方程n朗伯散射体，法线方向上33扩展目标条件下的激光雷达作用距离方程34线目标条件下的激光雷达作用距离方程35激光雷达成像原理n采用单元探测器。激光器发出一个脉宽很窄的脉冲(一般为ns量级)，经过测量光波的往返时间，确定目标的距离，回波强度反映目标的反射率特性。扫描器按照一定的扫描图样将光束指向目标上的不同位置，得到目标的角度角度强度图像和角度角度距离图像(AngleAngleRange，AAR)，又称三维图像。要求激光重复频率高、脉冲宽度窄，单脉冲能量大。n采用面阵探测器。在成像分辨率要求很高的情况下，可采用这种技术。通过控制发射激光，使发射光能同时覆盖整个目标，然后用一个二维阵列探测器接收回波信号。这种方法一般需要对发射光进行调制，对接收信号进行解调，才能测量到距离信息。这种技术的优点是不需要扫描器，缺点是要求激光器发射功率要足够大。APD阵列36典型的激光雷达系统n制导激光雷达；n测风激光雷达；n靶场测量激光雷达；n障碍回避激光雷达；37激光制导n激光半主动制导 激光指示器与接收器分离，接收器位于炮弹（航空炸弹）头部。60年代首先在越南战场使用，灵巧炸弹。n激光驾束制导 激光照射器与接收器分离，接收器位于导弹尾部。近程应用，通视距离使用，步兵反坦克导弹。n激光雷达制导 激光照射器与接收器均位于导弹上，打了不用管。尚未有型号产品。38三种激光制导方式的比较制导方式激光驾束制导激光半主动寻的制导激光主动寻的制导激光发射方式地面激光系统发射扫描编码脉冲激光照射目标弹外激光目标指示器发射激光束照射目标弹上激光器直接发射调制激光照射目标激光接收方式弹尾部的激光探测器接收地面发射的激光信号弹头部的寻的导引头接收目标反射的激光信号弹头部的寻的导引头接收目标反射的激光信号激光器半导体激光器气体或固体激光器固体或半导体激光器干扰影响不易受干扰易受干扰易受干扰 瞄准方式直接瞄准间接瞄准直接瞄准制导规律三点式追踪导引法准比例导引法比例导引法适用对象地空导弹、反坦克导弹地空、空地、反坦克导弹及各种航空武器地空、空地、空空、反坦克导弹及各种航空武器设备要求地面和弹上设备简单，易于操作目标指示器和弹上设备体积大，重量重，较复杂弹上导引头结构紧凑，体积和重量适中射后状态不能实现“发射后不管”不能实现“发射后不管”能实现“发射后不管”39制导激光雷达名称IRAR固体成像雷达半导体成像雷达OASYS非扫描雷达非扫描雷达非扫描雷达单位麻省理工学院美Hercules美SPARTA 公司美Northrop公司美国SNL美国ARL美国Raytheon激光器CO2LDNd:YLFGaAsGaAs倍频Nd:YAGGaAs波长10.6um1.32um0.85um0.85um532nm813nm1.55um波形相干脉冲脉冲脉冲脉冲准连续线性FM/cw单脉冲功率10W（平均）1500W（峰值）20W（峰值）8微焦250毫焦2W重频100kHz2kHz100kHz64kHz10Hz发散角0.25mrad1.60.23mrad泛光照射泛光照射泛光照射接收13cm4.8cm10cm15cm50cm20cm探测方式12元HgCdTe外差InGaAs,APD直接Si APD直接Si APD直接ICCD混频ICCD混频HgCdTe APD阵列直接成像方式三维成像强度强度强度强度、距离三维成像三维成像距离3千米2千米1千米400米（电线）1千米1千米710千米分辨率1米0.25米0.1米15厘米0.375米用途目标识别目标探测识别防撞、目标识别直升机防撞武器制导智能武器、侦察空地导弹研制情况1980年样机1992年样机1992年原理样机1994年验证1996年样机1999年样机2001年开始40扫描式成像激光雷达 电光公司(SEO)研制了一个机载武器制导二极管成像激光雷达系统,该系统采用脉冲能量8J,重复频率64kHz 的GaAlAs 激光器,在2km 低能见度条件下,对2.5cm 直径的电力线成像距离大于400m,图像更新时间0.75s,扫描方式为圆周频移扫描,视场为2550。此系统已于1993 年进行了装机试飞。41非扫描成像激光雷达 美国空军怀特实验室，调频连续波测距原理,通过线性频率调制的射频副载波对半导体激光器进行幅度调制,副载波频率调制范围几十兆赫兹几百兆赫兹,采用256 256 像素的CCD探测,解调采用离散傅立叶变换,同时提取距离和幅度。即可消除距离模糊,又避免对光频进行线性频率调制。距离5 km,空间分辨率256256 像素/帧,距离分辨率0.3 m。42非扫描成像激光雷达 美国Sandia国家实验室低成本半导体激光主动成像雷达导引头，采用20w的GaAlAs半导体激光器并进行强度调制，通过负透镜扩束对整个目标泛光照射，反射激光信号相对发射激光信号存在相位延迟，相位延迟与距离成比例。通过反射信号与MCP的增益进行混频可以得到每个象素的强度和距离信息。成像帧频大于30Hz、作用距离超过1km。43测风激光雷达n地基测风激光雷达：机场涡旋探测、低空切变风探测、战场局部风向探测；n机载测风激光雷达：晴空湍流、切变风、空投、投弹、火场探测；n星载测风激光雷达：全球风场探测优化航路、中长期天气预报、厄尔尼诺。44Airborne wake vortex measurement45WindTracer MAG-1 System46Wake Vortices Measurement at San Francisco International Airport47LD泵浦Tm:Ho:YAG激光相干雷达系统48机载、星载测风激光雷达n1994,LITE-Lidar In-Space Technology Experiment was successfully conducted aboard the space shuttle DiscoverynTwo identical flashlamp-pumped,Q-switched Nd:YAG lasers,1.06 um/30 ns/1.0 J/10Hz.0.46 J/532 nm;0.20 J/355 nm.nMACAWS：M Multi-center A Airborne C Coherent A Atmospheric W Wind S Sensor NASA DC-8 aircraftnWindvan：frequency-stable,pulsed,TEA CO2 laser，0.6-1.0 J/pulse，9-11 microns，1-30 Hz，HgCdTe nNASA Global Hydrology and Climate Center,JPL，MSFC,NOAA Environmental Technology Laboratory(ETL)49航天飞机载测风激光雷达nSPACE Readiness Coherent Lidar ExperimentNASA Marshall Space Flight Center Pulsed,Eyesafe,Coherent Detection Doppler Wind Lidar 100 mJ,6 Hz.,0.25 ms,30 degree from nadir;300 km,51 degrees or greater orbit MSFC/LaRC/JPL/GSFC/UAH/CTI/SWA Collaboration50SPARCLE-Laser Transmitter51Firepond 单脉冲CO2相干激光多普勒雷达 1975年美国MIT林肯实验室的路基“火池”（Firepond）单脉冲CO2相干激光多普勒雷达，发射峰值功率为15kW,平均功率为1.5kW，重复频率为10kHZ,激光中心频率为31013Hz,探测器为Ge掺Cu。对1100km远处的GED-III卫星进行了初始段的跟踪，得到了1urad的跟踪精度，跟踪系统带宽1Hz，上世纪90年代做了改进，实现距离多普勒成像。52Firepond“火池”远程CO2成像激光雷达原理图53ORACLE:Ozone Research with Advanced Cooperative Lidar ExperimentsNASA-Canadian Space Agency Ti:sapphire and Nd:YLF;480 mJ,efficiency 2%.54激光雷达国内外研究现状Ti:sapphire laser,Nd:YAG pump,815nm,5 Hz on/off=0.07nm,LD injection seeding，55直升机防撞激光雷达国内研究情况n电子27所研制n飞行安全保障能力90%；n昼夜不良天气工作能力；n障碍物可视提示；n毋须专配操作员；n激光束对人眼安全；n告警距离400m；分辨15m；nDPL-OPO561999 Congressional Report1999 Congressional Report1999 Congressional Report1999 Congressional ReportAppendix AAppendix AAppendix AAppendix ADual Use Science and Technology Projects from Dual Use Science and Technology Projects from Dual Use Science and Technology Projects from Dual Use Science and Technology Projects from Fiscal Year 1998Fiscal Year 1998Fiscal Year 1998Fiscal Year 1998AIR FORCEAIR FORCEAIR FORCEAIR FORCETitle:Multidiscriminant/Multifunctional Electro-Optical SensorsTotal Project Cost:$1,001,859;Non-Federal Contribution:$501,859;Date of Award:9/24/1998;Expected Completion Date:3/30/2001Non-Federal Participants:Coherent Technologies,Lafayette,COProject Description:This project will fabricate test,and demonstrate an eyesafe,multi-function coherent laser radar(ladar).The transceiver will support long pulse operations for wind field estimation,short pulse operation for hard target precision range and Doppler,and short doublet-pulse(poly-pulse)operation for hard-target vibration measurements.57nExpected Military Application(s):This is a multi-function technology with broad military application.Expected military applications include:wind profiling for precision air drop and bomb drop,ground based wake vortex detection for increased flight safety,precision target range,Doppler and micro-Doppler target vibration signature estimation for long range target identification and targeting,airborne wake vortex measurement for air safety and precision delivery,terrain profiling,and target designation potential.58nExpected Commercial Application(s):There are both commercial air and industrial/structural diagnostics applications.Expected commercial applications include:clear air turbulence detection for commercial flight safety,vertical wind profiling supporting flight safety and enhanced flight path fuel economy,ground-based wake vortex detection to assess runway hazards at high volume commercial airports,routine Pacific flight wind field estimation for CONUS weather prediction,helicopter landing area safety assessment,and remote vibration sensing for building/structural analysis.