機(jī)載激光雷達(dá)發(fā)展與應(yīng)用簡介

劉庭杰　陳玉茹　李建東

摘 要 機(jī)載激光雷達(dá)是一項(xiàng)迅速發(fā)展的新型探測應(yīng)用方式，文章著重介紹了機(jī)載激光雷達(dá)的發(fā)展與應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 機(jī)載激光雷達(dá)；機(jī)載平臺

中圖分類號：TN9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）15-0200-01

激光雷達(dá)是用激光器作為輻射源的雷達(dá)系統(tǒng)，工作波長在紅外到紫外光譜段，利用激光束對目標(biāo)進(jìn)行探測和定位，具有比傳統(tǒng)雷達(dá)波束更窄、測速范圍更廣、抗電磁干擾和雜波干擾能力更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且體積和重量都比傳統(tǒng)雷達(dá)小得多，更適用于機(jī)載平臺。近年來，隨著軍事、民用需求的急劇提升以及光電技術(shù)的飛速發(fā)展，激光雷達(dá)也正越來越多應(yīng)用于機(jī)載平臺，再次成為新的研究熱點(diǎn)。

1 激光雷達(dá)分類

按工作時(shí)采用的探測技術(shù)，激光雷達(dá)可以分為直接探測型和相干探測型兩種；按照激光雷達(dá)要實(shí)現(xiàn)的功能，則可分為跟蹤激光雷達(dá)、動目標(biāo)指示激光雷達(dá)、風(fēng)切變探測激光雷達(dá)、目標(biāo)識別激光雷達(dá)、振動傳感激光雷達(dá)和成像激光雷達(dá)等幾種。

2 機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用

機(jī)載激光雷達(dá)在軍民用多領(lǐng)域都有廣泛的潛力和前景。

低空和超低空障礙物，比如鐵塔、高桿、電線和阻塞氣球拉線等，是飛機(jī)和直升機(jī)飛行的嚴(yán)重威脅物，但之前飛機(jī)上的傳感器，包括肉眼和雷達(dá)，發(fā)現(xiàn)上述障礙物都很困難，特別是在夜間和惡劣天氣條件下。激光雷達(dá)具有更高的角度分辨率，能夠在夜間工作，還能繪制障礙物的三維圖像，提供的圖像信息足以識別目標(biāo)，因此激光雷達(dá)在飛機(jī)和直升機(jī)上的一個(gè)重要的應(yīng)用就是低空、超低空障礙物預(yù)警，對于海上小目標(biāo)探測也比現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)具備更多的優(yōu)勢。

美國、德國、法國等國都已經(jīng)發(fā)展了飛機(jī)和直升機(jī)飛行障礙回避系統(tǒng)[1]，早在20世紀(jì)末，德國的“Hellas”障礙探測激光雷達(dá)就能夠探測300～500米距離內(nèi)直徑超過1厘米的電線。法國的吊艙載CLARA激光雷達(dá)不但能探測標(biāo)桿和電纜之類的障礙物，還具有地形跟蹤、目標(biāo)指示和測距以及活動目標(biāo)指示等功能。

尤其當(dāng)激光雷達(dá)與其他遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)結(jié)合為激光雷達(dá)測距系統(tǒng)，可提供地物目標(biāo)距離信息，再加上飛機(jī)慣性測量單元提供的飛機(jī)平臺姿態(tài)信息，就可獲得地物目標(biāo)的三維坐標(biāo)。激光雷達(dá)獲取的目標(biāo)強(qiáng)度信息與其他機(jī)載遙感儀器獲得的影像信息相結(jié)合，可以作為地物目標(biāo)分析的光譜數(shù)據(jù)，因此，有激光雷達(dá)參與的機(jī)載集成系統(tǒng)在航空偵察、反潛、測繪、勘探和探測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。集激光掃描測距技術(shù)、GPS定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、圖像處理技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)的三維地理信息快速獲取系統(tǒng)，目前是一項(xiàng)新型、尖端的探測系統(tǒng)，即機(jī)載激光雷達(dá)（Airborne Light Detection And Ranging-Airborne LiDAR）技術(shù)，能夠提供低成本、快速度、高密集、高精度的數(shù)字表面數(shù)據(jù)或數(shù)字高程數(shù)據(jù)，因而成為各種測量應(yīng)用中深受歡迎的高新技術(shù)，具有巨大的應(yīng)用前景，開展機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)精度研究也具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

由于電磁波在水中傳輸能量衰減迅速，之前的水下探測主要采用的是聲吶設(shè)備。利用藍(lán)綠脈沖的激光雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)水下探測和水雷搜索。美軍的“魔燈”水雷探測激光雷達(dá)系統(tǒng)和瑞典相繼研制的“手電筒”和“鷹眼”機(jī)載海洋激光雷達(dá)，都是成功的機(jī)載水下探測系統(tǒng)。美國卡曼航天公司研制了機(jī)載水下成像激光雷達(dá)，可對水下目標(biāo)成像，顯示水下目標(biāo)的形狀等特征，便于識別目標(biāo)。同時(shí)，成像激光雷達(dá)單個(gè)激光脈沖覆蓋面積大，因而搜索效率遠(yuǎn)高于非成像激光雷達(dá)，這成為成像激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢。2002年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在第一代機(jī)載激光測深系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制改進(jìn)，可同時(shí)分別探測海底和海面。

激光雷達(dá)能夠獲取目標(biāo)的三維圖像信息和速度信息，便于識別隱身目標(biāo)，也可用于測量各種飛行目標(biāo)的軌跡，比如跟蹤測量導(dǎo)彈和火箭初始段、飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈的低仰角跟蹤測量等。

激光雷達(dá)與計(jì)算機(jī)結(jié)合，可對目標(biāo)進(jìn)行自動識別，并提供可靠的目標(biāo)速度信息，和區(qū)分特殊目標(biāo)的目標(biāo)特征信息，從而提高武器瞄準(zhǔn)精度，作為組成自動和半自動瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的非常重要的裝置，目前激光雷達(dá)越來越受到青睞。

激光在大氣中能量衰減較大，大氣中水凝物和顆粒物的吸收、散射會大大降低激光雷達(dá)的作用距離，因而激光雷達(dá)可用來監(jiān)測大氣環(huán)境，或者利用激光與顆粒物、化學(xué)制劑相互作用來遙感探測大氣污染和化學(xué)戰(zhàn)劑。大氣激光雷達(dá)具有精細(xì)的空間分辨率和時(shí)間連續(xù)性以及較高的探測精度，對實(shí)時(shí)監(jiān)測邊界層（0～2千米）大氣成分變化和分析研究氣層結(jié)構(gòu)特征，有著積極的實(shí)用意義。利用米散射激光雷達(dá)可以對大氣氣溶膠、云等進(jìn)行監(jiān)測。

通過相干探測原理，機(jī)載激光雷達(dá)可以探測風(fēng)切變和晴空湍流，減小飛機(jī)處于起飛和著陸階段風(fēng)切變和晴空湍流的嚴(yán)重威脅，提高飛機(jī)的安全性和生存力。激光雷達(dá)還可進(jìn)行直接多普勒探測大氣風(fēng)場，繪制彈道風(fēng)，這對于減小和修正風(fēng)對投彈的干擾意義重大。

另外，利用機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反演大氣溫度、濕度等重要參數(shù)。

3 機(jī)載激光雷達(dá)局限性和難點(diǎn)

激光雷達(dá)的主要局限性如下。

1）探測距離近，激光在大氣中傳輸時(shí)，能量受大氣影響而衰減，激光雷達(dá)的作用距離在20千米以內(nèi)；尤其在惡劣氣候條件下，比如濃霧、大雨和煙、塵，作用距離會大大縮短，難以有效工作。大氣湍流也會不同程度上降低激光雷達(dá)的測量精度。

2）由于激光雷達(dá)的接收孔徑小，波束太窄，所以搜索空域也較小，快速搜索和粗捕獲目標(biāo)困難，應(yīng)由其他設(shè)備完成上述工作。因此機(jī)載激光雷達(dá)并不能完全取代傳統(tǒng)雷達(dá)，多作為普通雷達(dá)的補(bǔ)充。

對于激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)載，還有一些需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究和改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，比如：

1）空間掃描體制和方式技術(shù)，激光雷達(dá)的空間掃描體制分為非掃描和掃描體制，掃描體制下有機(jī)械掃描、電掃描和二元光學(xué)掃描等方式，采用掃描體制的激光雷達(dá)工作時(shí)，對于實(shí)現(xiàn)不同的功能任務(wù)，需要研究相應(yīng)的具體的技術(shù)應(yīng)用。非掃描體制采用多元傳感器，使設(shè)備重量和體積更小，并且作用距離更遠(yuǎn)，是機(jī)載的理想技術(shù)，但由于所需多元傳感器不易獲得，目前該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)還難以迅速實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

2）激光器的發(fā)展，目前多數(shù)使用的半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體泵浦的固體激光器和氣體激光器各有優(yōu)缺點(diǎn)，仍需進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。

3）接收機(jī)設(shè)計(jì)，機(jī)載激光雷達(dá)的自身特點(diǎn)和工作環(huán)境決定接收單元的接收靈敏度需求越來越高，同時(shí)要求高回波探測概率和低虛警率，這些都需要在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不斷改進(jìn)和研制新技術(shù)。

4 機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用發(fā)展趨勢

自20世紀(jì)60年代末激光器首次問世，激光雷達(dá)技術(shù)就一直是世界各國各界爭相掌握和發(fā)展的技術(shù)。目前，激光雷達(dá)仍在發(fā)展中，而機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用也正逐步實(shí)現(xiàn)實(shí)用化，另外一些激光雷達(dá)的應(yīng)用正在研制探索中。與發(fā)達(dá)國家相比，我國機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用研究起步晚，發(fā)展程度還相對落后，為促進(jìn)機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用的快速發(fā)展，應(yīng)對機(jī)載激光雷達(dá)的系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)和圖像信息處理進(jìn)行更為深入的研究，積極探索激光雷達(dá)新體制，并不斷向激光雷達(dá)的遠(yuǎn)程化、多傳感器集成化和多功能一體化方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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