[科普中國]-激光束遙感

簡介

激光束遙感，又稱激光遙感，就是利用激光束對被測目標進行遠距離感測。將激光用于回波測距和定向，并通過位置、徑向速度及物體反射特性等信息來識別目標。它體現(xiàn)了特殊的發(fā)射、掃描、接受和信號處理技術(shù)。

繼可見光、紅外和微波遙感技術(shù)之后,激光遙感技術(shù)以其高精度、主動工作、高分辨率等優(yōu)點,在三維成像、高精度對地觀測和深空探測等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,表現(xiàn)出良好的空間應(yīng)用前景。

基本原理由激光器分出一束寬脈沖光束，通過調(diào)制器將線性調(diào)頻的激光束發(fā)射出去，回波信號與未經(jīng)調(diào)制的固定頻率本振光混頻后，經(jīng)匹配濾波器對信號進行壓縮，變成一個幅度增大的窄脈沖，接下來和脈沖測距同樣方法得到距離，它的特點是發(fā)射寬的光脈沖，回波處理后得到的是窄的電脈沖，目的在于緩解探測能力和距離分辨率的矛盾；連續(xù)波調(diào)頻，是發(fā)射激光的頻率隨時間是線性（三角形）變化，經(jīng)過一段時間的飛行，回波激光相對于本振激光就有了頻率變化，兩者相干混頻，得到的中頻信號，中頻信號頻率跟距離成正比，由頻譜分析得到距離和速度。

關(guān)鍵技術(shù)光源CO2激光器是最早用于激光雷達的光源,輸出功率大,轉(zhuǎn)換效率高,連續(xù)輸出功率為數(shù)十瓦至萬瓦,脈沖輸出功率為數(shù)千瓦至10萬瓦,電光效率15%～20%,為適應(yīng)空基雷達的需要,目前CO2激光器向高可靠、小型化方向發(fā)展,進展可喜。

Nd YAG是目前激光雷達中使用最多的激光器,這是一種脈沖激光器,如果探測地物反射回波,激光器工作在1064nm或1053nm波長;如果探測地物熒光回波或用于水下探測,激光器工作在532nm或527nm波長。主要以二極管泵浦為發(fā)展主流。

探測器為適應(yīng)光源的變革,除了經(jīng)典的光電倍增管,探測器的研究也有新的進展。如果激光是1064nm(1047nm)或532nm(523nm),探測器為Si/APD,這是最成熟的器件;如果激光波長1.5～1.6μm,探測器選InGaAs/APD(或PIN);如果激光波長2.0μm,探測器選InGaAsSb/APD。這些器件由單元器件發(fā)展到線陣和面陣器件;工作模式由線性模式發(fā)展到Geiger模式。國際上主要的研究機構(gòu)有PerkinElmer公司和日本濱凇光子公司。ICCD已經(jīng)直接用于激光雷達回波探測。InGaAs和HgCdTe的焦平面器件被新型的激光成像遙感系統(tǒng)所采用。

主要優(yōu)點主動測量激光源的相干性、單色性、準直性和偏振作用、高亮度和瞬時行為都是普通光源所無法比擬的?？梢哉f激光的出現(xiàn)為我們提供了一個性質(zhì)全新的光源:

(1)它給傳統(tǒng)光譜學(xué)賦予了新的生命力,激光光譜遙感技術(shù)的分辨率比現(xiàn)有最好的光譜儀高一千倍,并能實現(xiàn)實時觀測處理。紅外波段(0.7~34微米)連續(xù)可調(diào)激光源的發(fā)展,大大地促進了紅外光譜技術(shù)的發(fā)展;

(2)它給傳統(tǒng)的光學(xué)攝影、照相機、記錄系統(tǒng)提供了新穎的相干光源,使各種電視攝影照相機的性能大為改觀,結(jié)構(gòu)變得極為簡單。例如,激光脈沖技術(shù)(已達微微秒級)大大地促進了高速攝影技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)前采用變象管和激光脈沖相配合,已進入到對微觀世界的研究;紅外激光掃描攝影機能在完全無光的黑夜,拍攝極為清晰的偵察照片;采用紅外激光的夜視裝置,具有微光夜視、紅外夜視所不具備的優(yōu)點,這種裝置不僅能在伸手不見五指的黑夜里從空中(或飛機上)清晰地觀察地面情況,而且還可以同時對目標測距,進行炮火控制;激光全息照相的特點是三維成象,立體感強,可在無光的黑夜拍攝,分辨率高,不易損壞,不怕重迭;使用激光源的掃描記錄器,可形成高亮度的微小光點,實現(xiàn)單一光譜的記錄;

(3)紅外波段(0.7~774微米)的激光源,已成為主動紅外遙感系統(tǒng)的良好光源。

精度高激光雷達的測距、識別和跟蹤的精度高。其角分辨率在理論上比微波雷達高10的10次方倍;激光雷達測距精度高,可達米級,厘米級。例如,發(fā)射1微弧度發(fā)散角的激光束,打到1000公里處的光點直徑僅為1米。通常,采用高速數(shù)字計數(shù)器,測量發(fā)射和接收脈沖之間的時間間隔來獲得距離的;因此說,測距精度基本上與目標距離無關(guān),特別適用于精密遠程測距。此外,還具有抗干擾性好,能穿透核爆引起的電離云,填補微波雷達的盲區(qū),對地面和低空目標的探測性能比微波雷達好。激光的多普勒效應(yīng)比微波高100倍以上,測速精度高。

信息量大激光源頻帶寬,信息量大,可實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)率的圖像傳輸。

設(shè)備小激光遙感設(shè)備緊湊、輕小,適合在空間使用。1

應(yīng)用領(lǐng)域距離的激光遙測最成熟和最經(jīng)典的測距方法是脈沖測距和相位測距。脈沖測距是通過直接測量激光脈沖的往返傳播時間進行測距的。激光脈沖的往返傳播時間由距離計數(shù)器測量。距離計數(shù)器的開門信號為激光主波采樣信號,對應(yīng)的關(guān)門信號為激光回波信號,激光脈沖往返時間根據(jù)計數(shù)器在開、關(guān)門信號之間的數(shù)值求得。相位測距通過強度調(diào)制的連續(xù)光波在往返傳播過程中相位變化來測量光束的往返傳播時間。

激光偵察與監(jiān)視各種激光偵察與監(jiān)視系統(tǒng),國外自1963年開始研制以來,現(xiàn)在某些技術(shù)已達到了實戰(zhàn)要求,已在地面和飛機上實際使用,并有了不斷的改進。實現(xiàn)航天偵察與警戒,裝在航天飛行器上的激光偵察和監(jiān)視系統(tǒng)正在探索研制。激光偵察使一些傳統(tǒng)的電子和光學(xué)偵察工具在某些方面相形見拙。

激光偵察的特點和優(yōu)點是:1.反應(yīng)靈敏,觀察精細,2.擅長夜間偵察,即使在伸手不見五指的黑夜里也能完成偵察任務(wù);3,一機多用,一臺裝置能同時起觀察、測距和制導(dǎo)等多種作用;4.行動隱蔽,不易被察覺。

激光對抗隨著各種激光探測系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的迅速發(fā)展,激光對抗技術(shù)也有了相應(yīng)的發(fā)展。近年來,地面和機載的激光對抗技術(shù)的發(fā)展,日趨成熟,出現(xiàn)了一些被動和主動對抗措施郎,。正在研制的機載激光對抗系統(tǒng)有:激光源定位系統(tǒng),高分辨率激光探測系統(tǒng),激光尋的和告警系統(tǒng),被動式激光對抗材料和主動激光干擾等。2