激光雷達(dá)技術(shù)及應(yīng)用

摘 要：激光雷達(dá)是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進(jìn)探測方式，它是一種新興的雷達(dá)并且只能應(yīng)用于可見光和紅外的部分。激光雷達(dá)技術(shù)是一門新興技術(shù)，激光雷達(dá)的主要應(yīng)用于跟蹤，成像制導(dǎo)，三維視覺系統(tǒng)，測風(fēng)，大氣環(huán)境監(jiān)測，主動遙感等。激光雷達(dá)相比較于普通雷達(dá)的優(yōu)勢在于激光雷達(dá)的工作頻率，隱蔽性和分辨率以及抗干擾能力和低空探測能力都較強(qiáng)，除此之外，它還具有質(zhì)量和體積的優(yōu)勢。激光雷達(dá)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)標(biāo)志著軍事以及生產(chǎn)生活的各方面激光技術(shù)的提高。

關(guān)鍵詞：激光；受激輻射；光機(jī)掃描

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.216

激光雷達(dá)技術(shù)成果已經(jīng)應(yīng)用于軍事，生產(chǎn)，生活的各個領(lǐng)域，真正做到了惠及軍民。激光雷達(dá)形式多樣，技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)方式都會隨著器件水平和加工制造水平的更新而更新。Lidar用途非常廣泛，是一種可行的探測方式，因?yàn)榭梢韵鄬_地得到目標(biāo)的距離信息，沒有別的可替代方式。紅外被動探測不能得距離，微波探測距離精度不高。

1 激光產(chǎn)生的微觀原理——受激輻射

受激輻射就是將頻率為（e2-e1）/h的光子來撞擊，會引發(fā)粒子以一定該概率從低能高能級躍遷，并且這個過程中會釋放一個偏振狀態(tài)，相位，頻率都與其他外來的光子都一模一樣的光子。物質(zhì)粒子和光之間可以相互作用，它們之間的相互作用表現(xiàn)在用于構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子對光子的吸收和輻射，從而引發(fā)的自己運(yùn)動狀態(tài)的改變。這個相互作用就是指粒子在兩個不同能級之間的相互躍遷，它們的頻率為ν=△E/普朗克常量，并且能量差值為△E，每個微觀狀態(tài)下的粒子都處于一個特定的狀態(tài)，都有自己本身的一套能級，它們存在的狀態(tài)必須是一個單一的狀態(tài)也可以理解為任何時刻它們的存在狀態(tài)都是唯一的。

1.1 受激吸收

受激吸收的定義是在吸收能量后，低能級向高能級躍遷，在此過程中，對于吸收的能有要求，并且在跟光子相撞擊時發(fā)生的應(yīng)該是非彈性的，即通過外界的激勵后，低能級向高能級的躍遷。

1.2 自發(fā)輻射

粒子受到激發(fā)而進(jìn)入的激發(fā)態(tài)，不是粒子的穩(wěn)定狀態(tài)，如存在著可以接納粒子的較低能級，即使沒有外界作用，粒子也有一定的概率，自發(fā)地從高能級激發(fā)態(tài)（E2）向低能級基態(tài)（E1）躍遷，同時輻射出能量為（E2-E1）的光子，光子頻率 ν=（E2-E1）/h。這種輻射過程稱為自發(fā)輻射。

激光的產(chǎn)生主要來自于：被一個頻率為ν=（E2-E1）/h的光子激勵的高能級上的原子產(chǎn)生的受激輻射，然后得到兩個特性一模一樣的光子。然后再循環(huán)激勵高能級上的原子，得到成倍增長的光子，所以剛開始微弱的關(guān)心號就被增大了好多。激光就是在這個過程中產(chǎn)生的。激光與普通光的區(qū)別一般的光中光子的頻率、相位（同調(diào)性）、前進(jìn)方向是不同的。激光中所有的光子都有相同的頻率、相位（同調(diào)性）、前進(jìn)方向，除此之外激光還是相干光。激光具有；亮度高，方向性好，單色性好，相干性好四個特點(diǎn)。

2 激光雷達(dá)的構(gòu)成與原理

直接型探測激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)接收發(fā)射系統(tǒng)發(fā)來的信號，根據(jù)這個原理可以用來測距，由信號傳播的時間計算出距離。

激光雷達(dá)按工作方式可分為脈沖激光雷達(dá)和連續(xù)波激光雷達(dá)，根據(jù)探測技術(shù)的不同，可以分為：直接探測型激光雷達(dá)和相干探測型激光雷達(dá)，按應(yīng)用范圍可分為：靶場測量激光雷達(dá)（武器實(shí)驗(yàn)測量）火控激光雷達(dá)（控制射擊武器自動實(shí)施瞄準(zhǔn)與發(fā)射）跟蹤識別激光雷達(dá)（制導(dǎo)、偵查、預(yù)警、水下目標(biāo)探測），激光雷達(dá)引導(dǎo)（航天器交匯對接、障礙物回避）、大氣測量激光雷達(dá)（云層高度、大氣能見度、風(fēng)速、大氣中物質(zhì)的成分和含量）。激光雷達(dá)的主要應(yīng)用于跟蹤，成像制導(dǎo)，三維視覺系統(tǒng)，測風(fēng)，大氣環(huán)境監(jiān)測，主動遙感等方向。

2.1 激光器的選擇

我們選擇激光器的原則主要是基于頻率，耐用性，可靠性，成本和適用性等多個方面的考慮，半導(dǎo)體激光器符合以上各個方面的要求。半導(dǎo)體激光器具有相干性不高的特點(diǎn)，對于直接型和間接型探測方式的選擇，無疑是要選擇直接型。對于直接型探測方式也有兩種探測方式。一是脈沖型，它的原理是根據(jù)窄脈沖來記錄激光到達(dá)目的地的時間，通過對這個時間的測量，利用公式R=1/2CT計算出起點(diǎn)到終點(diǎn)的距離。其中C為光速，F(xiàn)為往返時間，距離為R。二是連續(xù)型，它的原理是基于相位差的原理。就是通過連續(xù)激光的掃描在起點(diǎn)和終點(diǎn)之前進(jìn)行掃描，即通過起點(diǎn)和終點(diǎn)激光器的相位差進(jìn)而計算出兩者之間的距離。通過比較連續(xù)型和脈沖型，我們發(fā)現(xiàn)它們都各有優(yōu)缺點(diǎn)，但是連續(xù)型存在著難以操作和耗時長等缺點(diǎn)所以我們很少采用此種方式。

綜上所述，我們選擇半導(dǎo)體脈沖激光器。

2.2 激光雷達(dá)用于成像的方法

經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，對于激光雷達(dá)用于成像的方法總共有三種，其中包括的探測器主要有單元和面陣。其中對于單元型的來說，它的探測范圍比較小，它的掃描方式是通過已經(jīng)存在的掃描樣本射向目的地的各個位置，它的掃描結(jié)果主要分為從目標(biāo)的角度到角度再到距離的方式和從角度到角度再到強(qiáng)度的方式的兩種圖像測量方式。對于面陣型，它的一次測量范圍包括各個像素點(diǎn)。在激光雷達(dá)的成像技術(shù)中主要還有物空間掃描和相空間掃描，其中使用無空間掃描的激光雷達(dá)掃描方式一般有雙光楔，卵形，轉(zhuǎn)鏡和振鏡四種掃描方式。第三種掃描方式就是光機(jī)掃描，它的掃描方式主要存在于物空間。經(jīng)過大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和探索，最終發(fā)現(xiàn)單元型的探測方法，更加符合研究的預(yù)期結(jié)果并且也比較好實(shí)現(xiàn)，對于強(qiáng)度和距離圖像的測量，單元型的測量方式要求采用激光掃描器來測量。

3 激光雷達(dá)的應(yīng)用

激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)成為各個國家興國安邦的戰(zhàn)略性技術(shù)，我國的激光雷達(dá)技術(shù)近幾年來也取得了突破性進(jìn)展，比如由中國航天科技集團(tuán)公司五院508所激光工程技術(shù)研究室研制的多通道光子計數(shù)體制激光雷達(dá)原理樣機(jī)近日完成了晝夜外場測試，標(biāo)志著我國的激光探測技術(shù)更上一層樓。而近日，合成孔徑激光雷達(dá)SAL技術(shù)的發(fā)展，真的可能使人類具有“千里眼”能力。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)也是一大突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]饒?jiān)平瑓敲簦皆畹?基于準(zhǔn)分布式 FBG 傳感器的光纖入侵報警系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（05）：998-1002.

[2]鄭印，段發(fā)階，涂勤昌等.φ-OTDR 識別不同頻率振動事件研究[J].光電工程，2015，42（05）：68-74.

作者簡介：許惠慧（1995-），女，河南焦作人，本科，研究方向：光電檢測。