激光雷达中的激光发射与接收光学原理

1激光雷达（英文：Laser Radar）

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。其工作原理是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。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，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。

2激光雷达特点

1：激光雷达是由微波雷达发展而来

2：激光雷达可以呈现更多细节

表1是激光雷达、微波雷达与摄像头的对比。

激光雷达的工作原理与雷达非常相近，以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上，引起散射，一部分光波会反射到激光雷达的接收器上，根据激光测距原理计算，就得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描目标物，就可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后，就可得到精确的三维立体图像。

图1 激光雷达点阵图

2激光雷达的优势

1）更高的分辨率

假设接收天线入瞳大小为10mm，905nm激光对应角分辨率为0.22mrad，30GHz微波对应角分辨率为2.44rad。

2）更小的光束发散角

3）更大的多普勒频移

相干探测的速度分辨率高。

3三维实现方式：单点扫描

4三维实现方式：面阵探测+覆盖照明

代表：Jigsaw计划

1） 2000~2003年美国国防部高级研究计划署(DARPA)实施了高精度激光3D成像雷达研究计划（即Jigsaw计划）

2） 对地面伪装物下的目标进行探测：要求在100米高空以上的数据采集和传输；对地面的探测范围可以达到20平方米；飞机的速度是每秒25-35米，并全天工作。

3) MIT林肯实验室开发出一种32´32Si-GM/APD焦平面探测器，且集成高速数字式CMOS计时电路，室温下单光子探测效率大于20%。

图2 MIT林肯实验室研制的Jigsaw 非扫描焦平面激光成像光学头

6激光雷达工作过程

激光雷达工作过程：

1）激光到目标的传输（激光发射系统）；

2）目标对激光的反射、散射；

3） 接收机对散射光的收集（接收系统）。

7激光发射系统

图3 激光雷达光学发射系统

在激光雷达设计和分析中，经常遇到三种典型的光束形状：

高斯光束、爱里光束、均匀光束（平面波）

图4 激光光束波形

7.1高斯光束：固体激光器、光纤激光器等

在远场，高斯光束的发散角（1/e2）可以近似

图4 激光扩束准直系统

如上图4 束腰10微米，发散角127mrad激光进行扩束准直为束腰2mm

发散角0.32mrad。

8半导体激光器光源

激光器的快轴发散角需达到65°，慢轴发散角需达到20°，且在激光器发散角±5°范围内的能量大于总能量的50%；一般发射系统发散角：越小越好，<1mrad；目前大部分三维激光雷达的发射光束为准直光束扫描。

图5 一种MEMS扫描雷达

9目标散射

目标的散射特性与材料、粗糙度等有关；通常用BRDF函数描述散射特性；一般计算中常把物体作为朗伯体处理。

图6 散射模型

9.1目标散射模型

BRDF：双向反射分布函数；光滑面的散射模型：Abg模型、Heavy模型、粗糙面的散射模型：Phong模型、多项式模型。常用仿真软件：Tracepro、Lighttools、ASAP、FRED

图7 BRDF散射模型

10接收系统

激光雷达接收天线即光学镜头

图8 阵列接收镜头与滤光片的光学漂移

11接收镜头评价标准

11.1点目标评价标准

点目标的探测常常是非成像系统，因为它不提供形态信息。对它的光学系统设计主要看能量包络图及点列图，能量包络图表示它的能量集中度，点列图看能量分布细节，包括形状（圆度）及像斑质心。不需要MTF，它的评价是S/N，至少应大于3，在应用上对它的评价是探测率及虚警率，它只是告知有与无，不能确定是什么。

图7 点目标评价：点扩散函数和包围圆能量

11.2面目标评价

面目标即扩展目标（extended object），面目标的像充满视场（探测器感光面），普通照相机都属于这一类，它是成像系统。对它的图像质量有要求，通常用MTF及S/N评估。面目标在探测器上像的强度（照度）与距离无关。

MTF调制传递函数

空间频率对应的对比度

空间频率：lp/mm

奈圭斯特频率：采样频率须大于信号频率的两倍，即每个周期（一对黑白条纹）对应两个像素。

12功率预算

立体角：

像元接收功率：

E0为物体照度；Ro为物体反射率；ta为空气透过率；tr为接收系统透过率；tt为发射系统透过率。

审核编辑 ：李倩