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軍工航天新聞

激​光​雷​達​應​用

星之球科技 來源:百度文庫2014-07-08 我要評論(0 )   

激光雷達 具備 獨特的優(you) 點 ,如 極高的距離分辨率 和 角分辨率、速度分辨率高、測速範圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗幹擾能力強、比微波雷達的體(ti) 積和重量小等。 這使得...

      激光雷達具備獨特的優(you) 點,如極高的距離分辨率和角分辨率、速度分辨率高、測速範圍廣、能獲得目標的多種圖像、抗幹擾能力強、比微波雷達的體(ti) 積和重量小等。這使得激光雷達能精確測量目標位置(距離和角度)、運動狀態(速度、振動和姿態)和形狀,探測、識別、分辨和跟蹤目標。

      自1961年科學家提出激光雷達的設想,曆經 40餘(yu) 年,激光雷達技術從(cong) 最簡單的激光測距技術開始,逐步發展了激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術,進而研發出不同用途的激光雷達,如精密跟蹤激光雷達、偵(zhen) 測激光雷達、偵(zhen) 毒激光雷達、靶場測量激光雷達、火控激光雷達、導彈製導激光雷達、氣象激光雷達、水下激光雷達、導航激光雷達等。激光雷達已成為(wei) 一類具有多種功能的係統。目前,激光雷達在低空飛行直升機障礙物規避、化學和生物戰劑探測和水下目標探測等軍(jun) 事領域方麵已進入實用階段,其它軍(jun) 事應用研究亦日趨成熟。它在工業(ye) 和自然科學領域的作用也日益顯現出來。

      激光雷達分辨率高,可以采集三維數據,如方位角-俯仰角-距離、距離-速度-強度,並將數據以圖像的形式顯示,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(wei) 重要的偵(zhen) 察手段。  美國雷錫昂公司研製的ILR100激光雷達,安裝在高性能飛機和無人機上,在待偵(zhen) 察地區的上空以120~460m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,或通過數據鏈路發送至地麵站。1992年,美國海軍(jun) 執行了“輻射亡命徒”先期技術演示計劃,演示用激光雷達遠距離非合作識別空中和地麵目標。該演示計劃使用的CO2激光雷達在P-3C試驗機上進行了飛行試驗,可以利用目標表麵的變化、距離剖麵、高分辨率紅外成像和三維激光雷達成像,識別目標。同時,針對美國海軍(jun) 陸戰隊的戰備需求,桑迪亞(ya) 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。這種設備能由一名海軍(jun) 陸戰隊隊員攜帶,重量在2.3~3.2kg之間,可以安裝在三腳架上;係統能自聚焦,能在低光照條件下工作;采集的影像足夠清晰,能分辨遠距離的車輛和近距離的人員。

      直升機在進行低空巡邏飛行時,極易與(yu) 地麵小山或建築物相撞。美國研製的直升機超低空飛行障礙規避係統,使用固體(ti) 激光二極管發射機和旋轉全息掃描器可檢測直升機前很寬的空域,地麵障礙物信息實時顯示在機載平視顯示器或頭盔顯示器上,為(wei) 安全飛行起了很大的保障作用。德國戴姆勒.奔馳宇航公司研製成功的障礙探測激光雷達更高一籌,它是一種固體(ti) 1.54微米成像激光雷達,視場為(wei) 32度×32度,能探測300―500米距離內(nei) 直徑1厘米粗的電線,將裝在新型EC―135和EC―155直升機上。 法國達索電子公司和英國馬可尼公司聯合研製的吊艙載CLARA激光雷達采用了CO2激光器。不但能探測標杆和電纜之類的障礙,還具有地形跟蹤、目標測距和指示、活動目標指示等功能,適用於(yu) 飛機和直升機。

      傳(chuan) 統的化學戰劑探測裝置由士兵肩負,一邊探測一邊前進,探測速度慢,且士兵容易中毒。 俄羅斯研製成功的KDKhr―1N遠距離地麵激光毒氣報警係統,可以實時地遠距離探測化學毒劑攻擊,確定毒劑氣溶膠雲(yun) 的斜距、中心厚度、離地高度、中心角坐標以及毒劑相關(guan) 參數,並可通過無線電通道或有線線路向部隊自動控製係統發出報警信號,比傳(chuan) 統探測前進了一大步。 德國研製成功VTB―1型遙測化學戰劑傳(chuan) 感器技術更加先進,它使用兩(liang) 台9― 11微米、可在40個(ge) 頻率上調節的連續波CO2激光器,利用微分吸收光譜學原理遙測化學戰劑,既安全又準確。 

     傳(chuan) 統的水中目標探測裝置是聲納。根據聲波的發射和接收方式,聲納可分為(wei) 主動式和被動式,可對水中目標進行警戒、搜索、定性和跟蹤。但它體(ti) 積很大,重量一般在600公斤以上,有的甚至達幾十噸重。而激光雷達是利用機載藍綠激光器發射和接收設備,通過發射大功率窄脈衝(chong) 激光,探測海麵下目標並進行分類,既簡便,精度又高。 如今,機載海洋激光雷達以第二代係統為(wei) 基礎,增加了GPS定位和定高功能,係統與(yu) 自動導航儀(yi) 接口,實現了航線和高度的自動控製。

      美國諾斯羅普公司為(wei) 美國國防高級研究計劃局研製的ALARMS機載水雷探測係統,具有自動、實時檢測功能和三維定位能力,定位分辨率高,可以24小時工作,采用卵形掃描方式探測水下可疑目標。美國卡曼航天公司研製成功的機載水下成像激光雷達,最大特點是可對水下目標成像。由於(yu) 成像激光雷達的每個(ge) 激光脈衝(chong) 覆蓋麵積大,因此其搜索效率遠遠高於(yu) 非成像激光雷達。另外,成像激光雷達可以顯示水下目標的形狀等特征,更加便於(yu) 識別目標,這已是成像激光雷達的一大優(you) 勢.

    化學/生物武器是一種大規模毀傷(shang) 武器。麵對不斷擴散的化學和生物武器的威脅,許多國家正在采取措施,加強對這類武器的防禦。激光雷達可用於(yu) 化學和生物戰劑的遙測。每種化學戰劑僅(jin) 吸收特定波長的激光,對其他波長的激光是透明的。被化學戰劑汙染的表麵則反射不同波長的激光。化學戰劑的這種特性,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、彈性後向散射、感應熒光等原理,實現化學生物戰劑的探測。化學和生物戰劑探測激光雷達采用的激光器。

     激光雷達通過測量大氣中自然出現的少量顆粒的後向散射,可以檢測風速、探測紊流、實時測量風場等。由於(yu) 返回的後向散射輻射很微弱,因而大氣監測激光雷達需要使用靈敏的接收器。目前的飛機陣風緩和係統以安裝在機身上的加速度計為(wei) 基礎,效能有限。有效的係統要求在飛機與(yu) 紊流相遇前測量紊流。激光雷達探測紊流陣風的能力,可以為(wei) 未來的軍(jun) 用和民用飛機提供更好的陣風緩和係統。美國航天局的“先進的飛行中測量用機載相幹激光雷達”,正在探索這個(ge) 概念。

     飛機後微爆風切變和尾流,給與(yu) 其相遇的飛機造成危險。英國國防鑒定與(yu) 研究局(DARA)的研究人員研製的激光雷達,能測量在飛機後微爆風切變和尾流速度。將這種激光雷達置於(yu) 跑道上進行實時監測,就可以提高安全性,增加飛機的通過量。

 

     測風激光雷達通過測量大氣中自然出現的氣溶膠顆粒或分子運動(風速引起)產(chan) 生的具有多普勒頻移的後向散射信號,利用對回波信號頻率進行鑒頻或相幹,測量出後向散射信號的多普勒頻移Δν,利用Δν與(yu) 風速的關(guan) 係就可反演得到徑向風速數值,通過掃描激光光束得到不同方向上徑向速度,矢量合成即可得到風速、風向,實現檢測風速、探測紊流、實時測量風廓線風場等。目前,激光雷達探測風速風向的主要技術有相幹激光雷達技術及非相幹技術。相幹激光雷達主要適用於(yu) 氣溶膠密度較大的對流層, 探測範圍最大可達10 km左右,精度可達0.1m/s。而非相幹激光雷達主要利用氣溶膠及大氣分子測速,屬於(yu) 能量檢測,其適用範圍較廣,適合對流層到平流層的風廓線探測,測速精度可到1 m/s 以內(nei) 。

 

圖1多普勒測風激光雷達示意圖

 

     在所有的海洋生物中,浮遊植物占有特殊的地位,因為(wei) 其它海洋生物以浮遊植物作為(wei) 直接或間接的食物來源。為(wei) 觀察海洋生物量的分布,調查者一般借助於(yu) 測定海水中的葉綠素濃度來作為(wei) 浮遊植物生物量的指標。傳(chuan) 統的儀(yi) 器分析技術,如分光光度法、熒光分光光度法和色譜分析,雖然精度能滿足要求,但這些方法依靠逐點采樣測量的方式,且分析速度很慢,故很難應用於(yu) 大麵積水域的現場探測。海洋激光雷達是進行葉綠素濃度測量的主動遙測設備,也是目前研究的一個(ge) 熱點。海色遙感衛星的發射,需要精確的地麵遙測手段作為(wei) 印證,激光雷達係統又可作為(wei) 重要的印證設備。很多古跡因為(wei) 年代久遠和曆史變遷,淹沒在漫漫黃沙或蔥鬱的密林中。微波雷達曾用於(yu) 探測古長城,近年來隨著lidar技術的發展與(yu) 普及,激光雷達技術也逐漸用於(yu) 考古中。由於(yu) 其對密林的一定穿透性,lidar技術成功地用於(yu) 發現熱帶雨林下的瑪雅文明遺跡。

 

 

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