激光雷達技術及應用

摘 要：激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式，它是一種新興的雷達并且只能應用于可見光和紅外的部分。激光雷達技術是一門新興技術，激光雷達的主要應用于跟蹤，成像制導，三維視覺系統，測風，大氣環境監測，主動遙感等。激光雷達相比較于普通雷達的優勢在于激光雷達的工作頻率，隱蔽性和分辨率以及抗干擾能力和低空探測能力都較強，除此之外，它還具有質量和體積的優勢。激光雷達技術的實現標志著軍事以及生產生活的各方面激光技術的提高。

關鍵詞：激光；受激輻射；光機掃描

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

激光雷達技術成果已經應用于軍事，生產，生活的各個領域，真正做到了惠及軍民。激光雷達形式多樣，技術指標和技術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，因為可以相對精確地得到目標的距離信息，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，相位，頻率都與其他外來的光子都一模一樣的光子。物質粒子和光之間可以相互作用，它們之間的相互作用表現在用于構成物質的微觀粒子對光子的吸收和輻射，從而引發的自己運動狀態的改變。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，每個微觀狀態下的粒子都處于一個特定的狀態，都有自己本身的一套能級，它們存在的狀態必須是一個單一的狀態也可以理解為任何時刻它們的存在狀態都是唯一的。

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生的應該是非彈性的，即通過外界的激勵后，低能級向高能級的躍遷。

1.2 自發輻射

粒子受到激發而進入的激發態，不是粒子的穩定狀態，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，自發地從高能級激發態（E2）向低能級基態（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輻射。

激光的產生主要來自于：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心號就被增大了好多。激光就是在這個過程中產生的。激光與普通光的區別一般的光中光子的頻率、相位（同調性）、前進方向是不同的。激光中所有的光子都有相同的頻率、相位（同調性）、前進方向，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。

2 激光雷達的構成與原理

直接型探測激光雷達的接收系統接收發射系統發來的信號，根據這個原理可以用來測距，由信號傳播的時間計算出距離。

激光雷達按工作方式可分為脈沖激光雷達和連續波激光雷達，根據探測技術的不同，可以分為：直接探測型激光雷達和相干探測型激光雷達，按應用范圍可分為：靶場測量激光雷達（武器實驗測量）火控激光雷達（控制射擊武器自動實施瞄準與發射）跟蹤識別激光雷達（制導、偵查、預警、水下目標探測），激光雷達引導（航天器交匯對接、障礙物回避）、大氣測量激光雷達（云層高度、大氣能見度、風速、大氣中物質的成分和含量）。激光雷達的主要應用于跟蹤，成像制導，三維視覺系統，測風，大氣環境監測，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，半導體激光器符合以上各個方面的要求。半導體激光器具有相干性不高的特點，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，它的原理是根據窄脈沖來記錄激光到達目的地的時間，通過對這個時間的測量，利用公式R=1/2CT計算出起點到終點的距離。其中C為光速，F為往返時間，距離為R。二是連續型，它的原理是基于相位差的原理。就是通過連續激光的掃描在起點和終點之前進行掃描，即通過起點和終點激光器的相位差進而計算出兩者之間的距離。通過比較連續型和脈沖型，我們發現它們都各有優缺點，但是連續型存在著難以操作和耗時長等缺點所以我們很少采用此種方式。

綜上所述，我們選擇半導體脈沖激光器。

2.2 激光雷達用于成像的方法

經過研究發現，對于激光雷達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存在的掃描樣本射向目的地的各個位置，它的掃描結果主要分為從目標的角度到角度再到距離的方式和從角度到角度再到強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。在激光雷達的成像技術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掃描方式一般有雙光楔，卵形，轉鏡和振鏡四種掃描方式。第三種掃描方式就是光機掃描，它的掃描方式主要存在于物空間。經過大量的科學實驗和探索，最終發現單元型的探測方法，更加符合研究的預期結果并且也比較好實現，對于強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 激光雷達的應用

激光雷達技術已經成為各個國家興國安邦的戰略性技術，我國的激光雷達技術近幾年來也取得了突破性進展，比如由中國航天科技集團公司五院508所激光工程技術研究室研制的多通道光子計數體制激光雷達原理樣機近日完成了晝夜外場測試，標志著我國的激光探測技術更上一層樓。而近日，合成孔徑激光雷達SAL技術的發展，真的可能使人類具有“千里眼”能力。這一技術的實現也是一大突破。

參考文獻：

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作者簡介：許惠慧（1995-），女，河南焦作人，本科，研究方向：光電檢測。