成像激光雷达

10 .6um CO2 激光具有优越的大气传输性能， 特别是在烟雾条件下有极强的穿透能力以及良好的相干性， 易于实现外差探测， 而且外差探测灵敏度比直接探测灵敏度可提高几个数量级。目前， CO2 激光外差主动成像的信号体制主要有:声光(A -O)调制连续波外差体制， 线性调频脉冲压缩体制和窄脉冲外差体制(电光调Q);CO2 激光外差主动成像的光学成像方式基本有三种:一为多元阵列探测凝视成像方式;一为单元探测二维扫描成像方式;此外， 还可把上述两种基本方式结合折衷成为又一种多元扫描成像方式， 以提高成像帧频。CO2 相干激光雷达的研究已经历了近三十年的时间， 也取得了很大突破。然而， 由于CO2 激光成像雷达的体积比较大、研制成本较高， 而且探测器需低温制冷等， 其在应用中的竞争力受到制约。

2 .2.半导体成像激光雷达的发展现状

2.2.1.半导体成像激光雷达

最近十几年， 全固态小型成像激光雷达成为各国军方研究的热点。20 世纪80 年代中期以后， 随着半导体激光器在提高输出功率和改进光束方向性能以及探测器降低探测阈值等方面取得的重大进展， 半导体激光主动成像雷达应运而生。美国Sandia国家实验室， 研制了一种125mW 半导体激光的测距、成像激光雷达， 它能够以每秒4 次的速度更新图像;随着高重复频率高功率半导体二极管阵列激光器的实用化， 又出现了24 通道实时成像二极管阵列激光成像， 对目标的最大测程为500m ， 帧频为3Hz ， 视场为4°×10°， 具有伪彩色和灰度反射强度图像的实时显示以及实时目标分类和瞄准点确定等功能。半导体激光雷达的优点是体积小、重量轻、造价低、使用寿命长、可靠性高和低功耗等;缺点是相干性较差因而只能采用直接探测。

2.2.2.非扫描成像半导体激光雷达

非扫描成像半导体激光雷达能同时进行被动强度成像(即不用激光照射时的成像)和主动强度成像(即主动照明时的成像)， 还可进行强度成像和速度成像。而且由于焦平面阵列器件的采用， 使各种成像的速率都非常高。这就为先进的实时图像处理提供了先决条件， 这也是扫描半导体激光雷达所达不到的。采用非扫描成像技术还可大幅度提高激光雷达的作用距离。现有的扫描式半导体激光雷达中，由于扫描速度和孔径要满足一定要求， 限制了宽光敏面积光源的使用。而大功率的半导体激光器， 特别是大功率阵列激光器都是扩展型光源， 具有很宽的发光面积， 因而受到限制。其次， 扫描式激光雷达每像素对应的光电积分时间很短， 因而扫描半导体激光雷达的信噪比不高、作用距离短， 一般都小于1公里。

非扫描成像半导体激光雷达系统在去掉了复杂笨重的扫描装置同时， 也为采用扩展型光源提供了可能性。同时， 焦平面阵列探测器的使用， 每像素的光电积分时间可以相应的提高n 倍， n 为总的像素数。而且还可采用高灵敏度的像增强器件， 因此其接收灵敏度比扫描激光雷达系统高很多。所以， 为了增加半导体激光雷达作用距离(例如增大到10 公里， 使之可以满足一般战术需要)， 采用非扫描成像技术， 即焦平面成像技术， 是比较好的解决方案。20世纪90 年代， 一种仅适用于半导体激光主动成像雷达的“非扫描器半导体激光主动成像雷达” 已由美国Sandia 国家实验室研制成功。这种激光雷达系统克服了传统的扫描激光雷达帧率低、视场小、体积大等问题， 具有高帧率、宽视场、坚固、体积小等特点，特别适用于半导体激光主动成像雷达导引头， 这可能是今后半导体激光主动成像雷达的重点发展方向。该非扫描半导体激光主动成像雷达， 采用距离成像方式， 最大作用距离1km， 距离分辨率可达15 -1cm。其激光器光源部分由时间积分电荷耦合器件CCD 阵列照相机记录， 这种方法通过测量在光学接收系统光亮度调制的相位移动与参照物的比较来确定目标物体的距离。但是由于成像元素和帧频速率的限制， 这种方法的成像速率不可能很快， 因此会产生距离模糊， 作用距离和分辨率受到影响。