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激光雷达:有源电光传感技术展望

2014-04-21 10:36
铁马老言
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  有源电光传感系统利用激光发射的传输光场与远处物体相互作用,接收系统检测带有物体信息的散射光。因此,有源电光传感系统类似于微波雷达系统,不同点在于可以工作在电磁波谱的可见光和红外区域。由于可见光和红外的波长较短,有源电光系统比雷达系统具有较高的角度分辨率和精度范围。与无源电光系统相比,又具有控制照明的优势,例如,控制照明可以使有源电光传感系统在白天或者夜间在短波段工作,又可以很好地控制阴影效应。因此,有源电光传感系统与微波雷达相比具有良好的分辨率,与无源电光系统相比有照明优势。

  这些功能结合在一起使得其应用于新型独特的可操作重要商业、军事和情报领域。一个理想应用的例子是与雷达影像相比其提供的影像更接近于人眼观察到的影像,但是在距离方面又远远超过了无源电光感应系统。三维地图是有源电光传感的一项重要商业和军事应用,其提供的关键信息是现有替代技术所不能提供的。预计有源电光传感测量提供的全球性、三维数据库将会支撑民用、商用和军用需求的各种类型的组织地理空间信息。有源电光传感系统潜在的科研、商业、军事转型应用是来自太空的风向和速度的精确映射,使天气预报更加准确,为飞机提供更高效的飞行路线,提高远程武器的精确度。另外一个实例是物美价廉的3D图像为引导无人驾驶汽车或控制机器人提供必要的信息。有源电光传感非常适合高敏感振动检测,可以判断功率是否流过变压器或液体是否流过管道或远程遥控车载多少液压缸以及是否需要补给。

  下面节选委员会给出的主要结论和建议:

  结论1-1:有源电光传感利用照明控制实现无源电光传感无法实现的测量。利用照明控制包括其相干特性。

  结论1-2:有源电光传感提供了许多雷达具有的控制照明优势,工作在更短波段,更大范围精度和角分辨率以及更多的文字可解释性。

  结论2-18:有源电光传感有望显著改变商业、军事和情报业务,正如雷达在过去七十年所作的贡献。

  传统雷达和有源电光传感之间的接近类比可以作为有源电光传感发展路线的指南。雷达作为第二次世界大战发明的改变游戏规则的技术,现在已经非常成熟,以新颖方式客服了各种限制,激增了范围更广的军事和商业应用。雷达开发出来的很多种技术都与有源电光传感相类似,如先进波形合成孔径成像渐渐地被有源电光传感所应用。

  光学有源电光传感有两种主要类型:1) 直接检测,直测量返回信号的强度;2)外差或相干检测,测量返回信号的电磁场,包括相位和强度。直接检测可以生成类似于无源电光传感的传统二维灰度图像,而有源电光传感产生的二维灰度图像可以提高额外的自由度,类似于无源电光传感的增强功能,也就是说,增强偏振度、颜色、时间调制。不同点在于有源传感器使用照明控制(定时、波形、频谱特性、偏振等),受控照明的一种结果是利用光速测量距离,利用时钟测量往返时间,这样很容易创建一个区域的3D 图像,如图1 所示。

  相同的时钟可以控制检测器的开关,因此,只有物体附件范围的后向散射被观察到,也就是说在能力范围内解决目标,只要足够照明达到目标并返回到传感器,范围内输出干预散射。在目标前/后消除散射和混乱是有源电光传感的一项重要功能(如图2 所示)。

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