成像激光雷达

成像激光雷达是激光技术、雷达技术、光学扫描及控制技术、高灵敏度探测技术及高速计算机处理技术的综合新技术产物。成像激光雷达是激光雷达对硬目标探测的一种综合应用，其中结合了测角，测距，测速等多种激光雷达功能，从成像激光雷达的发展可以了解激光雷达对硬目标探测的研究现状。

1.成像激光雷达简介

激光雷达的应用十分广泛， 已从地面发展到空中， 从空中发展到太空， 从陆地发展到海面， 从海面发展到水下， 并涉及到多个学科领域。它有着常规雷达不可比拟的优势， 无论在军事上还是在民用上都有广阔的应用前景。成像激光雷达应用研究开始于20 世纪70 年代， 与非成像激光雷达相比， 除了功能上不同外， 研究的费用和难度也要大大高于非成像激光雷达。

成像激光雷达是激光技术、雷达技术、光学扫描及控制技术、高灵敏度探测技术及高速计算机处理技术的综合新技术产物。成像激光雷达可采用多种工作体制， 如采用单元探测器的扫描成像与采用阵列探测器的非扫描成像。采用单元探测器的扫描成像作用距离可以很远， 但是成像速率会受到一定的限制;采用阵列探测器的非扫描成像激光雷达可以以很高的速率成像， 但是需要泛光照射目标， 所以作用距离不会太远。目前， 可用于激光雷达的扫描器可分为三种:力学、电学和二元光学扫描器。由于其具有较高的角度分辨率和距离分辨率， 可以同时成目标的强度像和距离像， 还可以成高分辨率的三维图像， 所以非常适合于在军事上发展智能武器， 应用领域主要集中在武器制导方面。

2.发展历史

1967年，位于美国MIT的Lincoln实验室研发了第一台相干C02激光雷达，并于1972年开始投入研宄陆基10.6^111波长的激光多普勒雷达，代号“Fire Pond"，该雷达使用CO2激光器和四象限HgCdTe探测器。此后在不断研宄过程中，先后为该型雷达加装了髙功率激光雷达功率放大系统(LRPA)，5种不同功能的光电传感器，可编程宽带波形发生器，宽带激光接收器，模拟拉伸处理器等新设备。1990年，该雷达首次获得了距离为800-1000km的在轨海洋卫星的距离-多普勒图像，同年，在Firefly实验中，成功识别了 800km外的模拟导弹弹头，两年后，又获得了距离1500km的在轨卫星图像。2002年美国海军实验室的报告报道了基于1550nm波长的光纤激光器实现了 2维合成孔径成像激光雷达演示实验，这是第一个具有合成孔径雷达技术意义的激光雷达成像实验。2003年美国Raytheon公司提出了一种人眼安全的单脉冲三维Flash激光雷达其研制了一种以HgCdTe为材料的APD阵列探测器，其维数为10x10和64x48，并开发了相应的读出电子学芯片，对每个像元的数据进行读取 ，釆样时间只需3ns，这种激光雷达可以实现对1.5km远的电缆和4km远处的卡车进行成像。

2.1.CO2 成像激光雷达的发展现状

美国在激光雷达及其应用研究处于领先地位。20 世纪80 年代美国大力发展了成像激光雷达技术。林肯实验室、Loral Vought 系统公司、Ford 航空航天公司、休斯飞机光电和数据系统集团、怀特实验室和Martin Marietta 奥兰多航天中心等多家研究机构， 完成了成像激光雷达外场实验， 证实了成像激光雷达在复杂背景下探测和识别目标的能力。根据报道， 目前唯一在巡航导弹上作为激光地形轮廓匹配系统应用的是AGM -129 战斧式巡航导弹上的成像激光雷达， 它采用10 .6um 的CO2 激光器。CO2 相干成像激光雷达的研究始于20 世纪70 年代， 于1978年研制出第一台三维成像外差激光雷达样机， 突破了传统的成像观念， 引起了广泛的兴趣和重视。随着小型化、高性能CO2 激光器和图像处理技术的发展以及军事的需求， 使得多功能CO2 激光相干成像雷达在整个80 年代获得了迅速发展， 到90 年代初，已有数种样机问世并开始进行演示性试验。HgCdTe 探测器是用于CO2 相干激光雷达研究中的探测器， 已经可以制造出二维多元阵列HgCdTe探测器， 如640 ×480 元阵列， 为阵列探测CO2 相干激光雷达的研究提供了保证。美国OakRidge [4]  国家实验室研究了工作于10 .6um 的阵列探测相干激光雷达， 提出了采用二维阵列HgCdTe 探测器进行相干成像， 并用一个30 ×30 元二维HgCdTe 探测器进行了实验研究。