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1、激光雷达的定义及其原理激光和雷达都是发明于上世纪的尖端技术。如今，集二者于一身的激光雷达系统正日益显现其巨大的应用潜力。凭借能够精确、主动、快速获取目标三维空间信息的优势，激光雷达已成功应用于地形测绘、资源探测、环境调查及城市规划等领域，乃至全球变化研究。激光雷达是光探测和测距(Light detection and ranging)的简称。早先称为光雷达，因为那时使用的光源均非激光。自激光器出现以来，激光作为高亮度、低发散的相干光特别适合作光雷达的光源，所以现在的光雷达均使用激光器作光源，名称也就统称为激光雷达了。其主要工作在红外和可见光波段，由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组
2、成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别：向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。因为光速是已知的，所以根据发射光的发出时间和后向散射光的接收时间的时间差就可计算出激光器与污染剂的距离。这就是激光雷达能测距的原理。激光雷达的分类激光雷达通常按照所用激
3、光器、探测技术或雷达功能来分类。可用于雷达系统的激光器种类很多，主要有二氧化碳激光器、NdYAG及喇曼移频的NdYAG激光器、氦-氖激光器，以及近年来迅速发展的ErYAG激光器、GaAlAs半导体激光器和HoYAG激光器。 其中掺铒YAG激光波长为2微米左右，而GaAiAs激光波长则在0.8-0.904微米之间；根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种；而按照不同功能，则可分为跟踪雷达、运动目标指示雷达、流速测量雷达、风剪切探测雷达、目标识别雷达、成像雷达及振动传感雷达。激光雷达的用途及潜能激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统，其原理和构造与激光测距仪极为相似
4、。科学家把利用激光脉冲进行探测的称为脉冲激光雷达，把利用连续波激光束进行探测的称为连续波激光雷达。激光雷达的作用是能精确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。经过多年努力，科学家们已研制出火控激光雷达、侦测激光雷达、导弹制导激光雷达、靶场测量激光雷达、导航激光雷达等。具体来说，在民用方面，由于在世界范围内，大气污染问题日益严重，要治理这种环境污染，首先就要探测污染源头。激光雷达是探测污染源头在哪里的最有威力的手段。使用它可以随时监测某个地域上空的空气污染情况，甚至探测出某个烟囱都排放出哪些污染物，从而为迅速采取对策提供依据；在军事方面更是举
5、不胜数，隐身兵器通常是针对微波雷达的，因此激光雷达很容易“看穿”隐身目标所玩的“把戏”；再加上激光雷达波束窄、定向性好、测量精度高、分辨率高，因而它能有效地探测隐身目标。激光雷达在军事上主要用于靶场测量、空间目标交会测量、目标精密跟踪和瞄准、目标成像识别、导航、精确制导、综合火控、直升机防撞、化学战剂监测、局部风场测量、水下目标探测等。针对探测敌方生化武器以及战场飞行超低空等的要求，化学战剂探测激光雷达，直升机障碍物规避激光雷达，机载海洋激光雷达，成像激光雷达可水下探物等一系列的雷达应运而生，并相继投入了使用。激光雷达相比于普通雷达的优缺点与普通微波雷达相比,激光雷达由于使用的是激光束,工作频
6、率较微波高了许多,因此带来了很多特点,主要有：（1）分辨率高 激光雷达可以获得极高的角度、距离和速度分辨率。通常角分辨率不低于0.1mard也就是说可以分辨3km距离上相距0.3m的两个目标(这是微波雷达无论如何也办不到的),并可同时跟踪多个目标；距离分辨率可达0.lm；速度分辨率能达到10m/s以内。距离和速度分辨率高,意味着可以利用距离多谱勒成像技术来获得目标的清晰图像。分辨率高,是激光雷达的最显著的优点,其多数应用都是基于此。（2）隐蔽性好、抗有源干扰能力强 激光直线传播、方向性好、光束非常窄,只有在其传播路径上才能接收到，因此敌方截获非常困难，且激光雷达的发射系统(发射望远镜)口径很小
7、,可接收区域窄，有意发射的激光干扰信号进入接收机的概率极低；另外，与微波雷达易受自然界广泛存在的电磁波影响的情况不同，自然界中能对激光雷达起干扰作用的信号源不多，因此激光雷达抗有源干扰的能力很强,适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中。 （3）低空探测性能好 微波雷达由于存在各种地物回波的影响,低空存在有一定区域的盲区(无法探测的区域)。而对于激光雷达来说,只有被照射的目标才会产生反射,完全不存在地物回波的影响，因此可以零高度工作，低空探测性能较微波雷达强了许多。（4）体积小、质量轻 通常普通微波雷达的体积庞大，整套系统质量数以吨记，光天线口径就达几米甚至几十米。而激光雷达就要轻便、灵巧得多,
8、发射望远镜的口径一般只有厘米级,整套系统的质量最小的只有几十公斤，架设、拆收都很简便。而且激光雷达的结构相对简单，维修方便，操纵容易，价格也较低。举例说明一下：最早测定地月距离所运用的是三角几何方法，即在同一条子午线上选择两个相距很远的地点，同时测出月球中心的地平高度角，再用三角函数的计算方法，求得地月距离。运用这种方法求得的结果，基本接近地月的实际距离。20世纪中叶，雷达测距技术的应用，改变了地月距离的测定方法。人们在地面观测站通过巨大的雷达天线向月球发射无线电讯号，无线电波到达月球表面，再反射回地面观测站。根据观测站记录的同一无线电讯号发射时刻（t1）和接收时刻（t2），以及无线电波传播速
9、度光速(C)，就可以计算出地月距离(D)。这种测距的方法虽然比较简便，所求得的地月距离也更加精确，但仍然有1千米的误差。激光技术的出现，为测定地月距离提供了更加先进的手段。1969年7月，“阿波罗”11号登上月球，宇航员在月球表面安装了供激光测距用的光学后向反射器。从此，人们开始用激光测距的方法来测地月距离。用激光测地月距离的原理与雷达测距一样，只是向月面发射的不是无线电波，而是脉冲激光。同雷达发射的无线电波相比较，激光在测距方面具有方向性好、光束集中等突出优点。因而，用激光测得的地月距离精度进一步提高，其误差不超过10厘。激光雷达的缺点 首先，工作时受天气和大气影响大。激光一般在晴朗的天气里
10、衰减较小，传播距离较远。而在大雨、浓烟、浓雾等坏天气里，衰减急剧加大，传播距离大受影响。如工作波长为10.6m的co2激光，是所有激光中大气传输性能较好的,在坏天气的衰减是晴天的6倍。地面或低空使用的co2激光雷达的作用距离,晴天为1020km,而坏天气则降至1 km以内。而且,大气环流还会使激光光束发生畸变、抖动，直接影响激光雷达的测量精度。 其次，由于激光雷达的波束极窄,在空间搜索目标非常困难，直接影响对非合作目标的截获概率和探测效率,只能在较小的范围内搜索、捕获目标，因而激光雷达较少单独直接应用于战场进行目标探测和搜索。激光雷达在国内外的发展美国陆军1958年就宣告研制成功第一台主动式毒
11、剂遥测仪，名叫LOPAIR，是一种基于含磷毒剂对9,8m波长红外线差分吸收原理的光雷达，但光源不是激光器(世界第一台激光器1960年研制成功)，LOPAIR总重54磅，探测距离400米，对0.01g/l浓度的神经毒剂有响应。但由于性能不佳，未装备部队。70年代，美国陆军曾探索性地研制过同位素CO2激光雷达。作用原理同LOPAIR。为它规定的主要性能要求是：探测距离1km，可探测神经毒剂和模拟剂，灵敏度CL=500mg/m2。但至今未见这种激光雷达研制情况的进一步报道。差不多与此同时，美国陆军当局又同布鲁克工程公司签订合同，研制喇曼散射激光雷达，使用一台宇宙线2-J红宝石激光器，全套设备装在一辆
12、拖车上，可在野外不同气候条件下进行污染剂遥感测量，探测距离400米，距离分辨率10米，对SO2的灵敏度300ppm米。后来经改进后，化学兵当局已能用它测量G类和V类神经毒剂，且作用距离增加到2km。还曾计划用它来探测生物战剂。可是，该激光雷达最终也未能装备部队.美国空军80年代研制成功一种差分吸收激光雷达DIAL，光源为一只频率可调CO2激光器，该激光器能发出波长位于910m波段(含磷神经毒剂峰值吸收线波长为9.8m)的60条谱线，以供选择用于照射毒剂。DIAL的作用距离2km，对神经毒剂的灵敏度为0.01mg/m3，对芥子气为0.1mg/m3。计划服fffffffffffffffffffff
13、ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff1986年，DIAL系统的体积和重量都有所减小，探测距离也增加到了7公里，这更有利于野外使用。还计划将此激光雷达安装在直升机和远程有人驾驶飞机中使用。 眼下，美国休斯飞机公司正在为美国陆军发展一种基于吸收原理的CO2调频激光雷达。该光雷达的CO2激光器可调出4种激光束用以照射毒剂，对蒸气态毒剂的作用距离5km，对气溶胶毒剂是1km，对地面液态毒剂是500
14、m。服役后将安装在防化侦察车和直升机上。 如今，激光雷达在美国陆军的远景规划中已被确定为要重点加以发展的技术之一。 前苏联1987年试验、1990年批量生产的KDKhR-1N型探测化学战剂的激光雷达是以ACRV炮兵指挥车外壳和底盘为工作平台改装而成的，其激光传感器可在360范围内通过光谱吸收分析来扫描并探测距离13公里(一说35公里)处的毒剂云团，车内携带的一台计算机控制系统能让操作者测出毒剂云团的距离、大小和形状，以及在地面上空的运动速度和方向。对神经毒剂的灵敏度达每立方米空气零点零几毫克。 法国研制的主动式激光雷达名叫DETADIS，是一种差分吸收激光雷达。该系统应用2台TEA CO2激光
15、器作光源，这个光源可在911m之间调谐，而且效率高。该系统其他基本性能参数如下：激光脉冲能量30mJ，重现率10Hz，接收望远镜口径160mm，光探测器为冷却状态下的HgCdTe，观测方位角120，竖直观测角30，对气态毒剂的作用距离3km，灵敏度值低于毒剂的阈值。 日本环境厅国立公害研究所1981年就建成当时的世界最大激光雷达，该雷达能在瞬间测出60公里范围内的大气污染物分布状况。激光器发出的激光束被大气污染物散射，散射光被1.5米口径的反射望远镜接收。由此可以推断，这是一台米氏散射式激光雷达。米氏散射激光雷达只能测出污染剂的距离、分布状况、运动速度和方向，而分辨不出污染剂到底为何物及浓度是
16、多少。 英国早在1970年就制成了一台激光雷达，使用红宝石激光器为光源，用来探测飞机布洒物。飞机尾部的布洒物把激光束反射回来，由地面牛顿望远镜收集并聚焦于一个光电池上，光电池把光能变成电信号，电信号进入示波器。如果示波器上的波形轨迹明显摆动，那就证明飞机在布洒某种物质，基在战时，当然首先想到的是化学生物战剂。这是一台比较原始的米氏散射激光雷达。 匈牙利目前正在发展一种供野外用的差分吸收激光雷达VTB-1，VTB-1具有两个连续波射频激励CO2波导激光器作为光源。该激光器在911m波段可调谐出40条谱线。因此，使用时可以很容易地选出两条谱线使其位于待测物的吸收峰和吸收谷的位置，从而得以用差分吸收
17、法鉴别大气污染剂(或毒剂)的种类。VTB-1是两端式装置，即将激光器置于一辆卡车上，而将一台人工反射器-1m2喷砂铝反射器安装于几千米之外的一个三脚架上(上述其他各国的激光雷达都为单端式的，即它们不用人工反射器，而是接收污染剂的后向散射光)。使用时，将装有激光器的卡车置于某大型设施中(如某个工业区)，然后在该设施周期布放几个反射器，就可实施对此设施的监测。激光器可旋转360，竖直活动范围为1520。VTB-1最小可测光密度1020W，频宽只有1Hz。其光学系统主要有迈克尔逊干涉仪，卡塞格伦望远镜用作发射和接收装置。数据处理部分有低噪声前置放大器和带通滤光器。VTB-1可探测出所有G类和V类神经
18、毒剂气体，灵敏度在130mg/m2250mg/m2之间，作用距离5公里。如果说在传统的导弹技术方面中国落后于美国不可否认，因为中国的起步较晚，基础工业较差，加之西方国家对中国军事工业的严格限制。但是在新兴激光的军事技术方面，由于我们与美国起步点相差不大，所以我们的研究处于世界领先地位，在量子点激光器方面的理论研究中，中国早就处于世界最领先的地位，中国的超强功率的固态激光器是世界一流，用它发射的激光束可在3千公里的距离获得每平方厘米35 K焦耳能量密度，此能量密度比攻击导弹所必需的破坏阈高出近个数量级以上。以次粗略推算，中国的攻击激光雷达有效杀伤力超过3万公里。另外由于兆瓦级超强功率固体固体激光
19、器以及高速智能控制环的的研制成功，使中国具有了超距攻击性激光雷达，中国研制的超距攻击性激光雷达的威力强大！值得注意的是中国的攻击激光雷达包含着世界最尖端的5大核心技术： 转自铁血社区 1：激光材料研究的突破，2：激光辐射材料物理机理及成像图谱研究的突破3：一次性快速跟踪定位控制技术的突破4：高密度能量可逆转换载体材料的突破5：激光成像技术的突破。但是，目前中国的攻击激光雷达积仍然十分庞大，达10吨，缺少强大的瞬时超强能源电池，容易受天气限制，空气中的微粒和水汽会严重干扰其能量和射程，只能陆基和海基。如何把攻击激光雷达装载于卫星，是我国目前正在全力研究攻关的目标，探月成功，我们的激光武器能量又再提高一个数量级，把攻击激光雷达装载在月球探测器上又可威胁那些对中国不轨的外国间谍卫星！