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激光雷达技术及应用分析

导读: 激光雷达技术成果已经应用于军事,生产,生活的各个领域,真正做到了惠及军民。激光雷达形式多样,技术指标和技术方式都会随着器件水平和加工制造水平的更新而更新。

  激光雷达技术成果已经应用于军事,生产,生活的各个领域,真正做到了惠及军民。激光雷达形式多样,技术指标和技术方式都会随着器件水平和加工制造水平的更新而更新。Lidar用途非常广泛,是一种可行的探测方式,因为可以相对精确地得到目标的距离信息,没有别的可替代方式。红外被动探测不能得距离,微波探测距离精度不高。

  1 激光产生的微观原理——受激辐射

  受激辐射就是将频率为 (e2-e1)/h 的光子来撞击,会引发粒子以一定该概率从低能高能级跃迁,并且这个过程中会释放一个偏振状态,相位,频率都与其他外来的光子都一模一样的光子。物质粒子和光之间可以相互作用,它们之间的相互作用表现在用于构成物质的微观粒子对光子的吸收和辐射,从而引发的自己运动状态的改变。这个相互作用就是指粒子在两个不同能级之间的相互跃迁,它们的频率为ν=△E/普朗克常量,并且能量差值为△E,每个微观状态下的粒子都处于一个特定的状态,都有自己本身的一套能级,它们存在的状态必须是一个单一的状态也可以理解为任何时刻它们的存在状态都是唯一的。

  1.1 受激吸收

  受激吸收的定义是在吸收能量后,低能级向高能级跃迁,在此过程中,对于吸收的能有要求,并且在跟光子相撞击时发生的应该是非弹性的,即通过外界的激励后,低能级向高能级的跃迁。

  1.2 自发辐射

  粒子受到激发而进入的激发态,不是粒子的稳定状态,如存在着可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率,自发地从高能级激发态(E2)向低能级基态(E1)跃迁,同时辐射出能量为(E2-E1)的光子,光子频率 ν=(E2-E1)/h。这种辐射过程称为自发辐射。

  激光的产生主要来自于:被一个频率为 ν=(E2-E1)/h 的光子激励的高能级上的原子产生的受激辐射,然后得到两个特性一模一样的光子。然后再循环激励高能级上的原子,得到成倍增长的光子,所以刚开始微弱的关心号就被增大了好多。激光就是在这个过程中产生的。激光与普通光的区别一般的光中光子的频率、相位(同调性)、前进方向是不同的。激光中所有的光子都有相同的频率、相位(同调性)、前进方向,除此之外激光还是相干光。激光具有;亮度高,方向性好,单色性好,相干性好四个特点。

  2 激光雷达的构成与原理

  直接型探测激光雷达的接收系统接收发射系统发来的信号,根据这个原理可以用来测距,由信号传播的时间计算出距离。

  激光雷达按工作方式可分为脉冲激光雷达和连续波激光雷达,根据探测技术的不同,可以分为:直接探测型激光雷达和相干探测型激光雷达,按应用范围可分为:靶场测量激光雷达(武器实验测量)火控激光雷达(控制射击武器自动实施瞄准与发射)跟踪识别激光雷达(制导、侦查、预警、水下目标探测),激光雷达引导(航天器交汇对接、障碍物回避)、大气测量激光雷达(云层高度、大气能见度、风速、大气中物质的成分和含量)。激光雷达的主要应用于跟踪,成像制导,三维视觉系统,测风,大气环境监测,主动遥感等方向。

  2.1 激光器的选择

  我们选择激光器的原则主要是基于频率,耐用性,可靠性,成本和适用性等多个方面的考虑,半导体激光器符合以上各个方面的要求。半导体激光器具有相干性不高的特点,对于直接型和间接型探测方式的选择,无疑是要选择直接型。对于直接型探测方式也有两种探测方式。一是脉冲型,它的原理是根据窄脉冲来记录激光到达目的地的时间,通过对这个时间的测量,利用公式R=1/2CT 计算出起点到终点的距离。其中C为光速,F为往返时间,距离为R。二是连续型,它的原理是基于相位差的原理。就是通过连续激光的扫描在起点和终点之前进行扫描,即通过起点和终点激光器的相位差进而计算出两者之间的距离。通过比较连续型和脉冲型,我们发现它们都各有优缺点,但是连续型存在着难以操作和耗时长等缺点所以我们很少采用此种方式。

  综上所述,我们选择半导体脉冲激光器

  2.2 激光雷达用于成像的方法

  经过研究发现,对于激光雷达用于成像的方法总共有三种,其中包括的探测器主要有单元和面阵。其中对于单元型的来说,它的探测范围比较小,它的扫描方式是通过已经存在的扫描样本射向目的地的各个位置,它的扫描结果主要分为从目标的角度到角度再到距离的方式和从角度到角度再到强度的方式的两种图像测量方式。对于面阵型,它的一次测量范围包括各个像素点。在激光雷达的成像技术中主要还有物空间扫描和相空间扫描,其中使用无空间扫描的激光雷达扫描方式一般有双光楔,卵形,转镜和振镜四种扫描方式。第三种扫描方式就是光机扫描,它的扫描方式主要存在于物空间。经过大量的科学实验和探索,最终发现单元型的探测方法,更加符合研究的预期结果并且也比较好实现,对于强度和距离图像的测量,单元型的测量方式要求采用激光扫描器来测量。

  3 激光雷达的应用

  激光雷达技术已经成为各个国家兴国安邦的战略性技术,我国的激光雷达技术近几年来也取得了突破性进展,比如由中国航天科技集团公司五院508所激光工程技术研究室研制的多通道光子计数体制激光雷达原理样机近日完成了昼夜外场测试,标志着我国的激光探测技术更上一层楼。而近日,合成孔径激光雷达SAL技术的发展,真的可能使人类具有“千里眼”能力。这一技术的实现也是一大突破。(作者:长安大学,许惠慧)

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