机载激光雷达发展与应用简介

刘庭杰　陈玉茹　李建东

摘 要 机载激光雷达是一项迅速发展的新型探测应用方式，文章着重介绍了机载激光雷达的发展与应用前景。

关键词 机载激光雷达；机载平台

中图分类号：TN9 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）15-0200-01

激光雷达是用激光器作为辐射源的雷达系统，工作波长在红外到紫外光谱段，利用激光束对目标进行探测和定位，具有比传统雷达波束更窄、测速范围更广、抗电磁干扰和杂波干扰能力更强的优点，并且体积和重量都比传统雷达小得多，更适用于机载平台。近年来，随着军事、民用需求的急剧提升以及光电技术的飞速发展，激光雷达也正越来越多应用于机载平台，再次成为新的研究热点。

1 激光雷达分类

按工作时采用的探测技术，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种；按照激光雷达要实现的功能，则可分为跟踪激光雷达、动目标指示激光雷达、风切变探测激光雷达、目标识别激光雷达、振动传感激光雷达和成像激光雷达等几种。

2 机载激光雷达应用

机载激光雷达在军民用多领域都有广泛的潜力和前景。

低空和超低空障碍物，比如铁塔、高杆、电线和阻塞气球拉线等，是飞机和直升机飞行的严重威胁物，但之前飞机上的传感器，包括肉眼和雷达，发现上述障碍物都很困难，特别是在夜间和恶劣天气条件下。激光雷达具有更高的角度分辨率，能够在夜间工作，还能绘制障碍物的三维图像，提供的图像信息足以识别目标，因此激光雷达在飞机和直升机上的一个重要的应用就是低空、超低空障碍物预警，对于海上小目标探测也比现有的雷达系统具备更多的优势。

美国、德国、法国等国都已经发展了飞机和直升机飞行障碍回避系统[1]，早在20世纪末，德国的“Hellas”障碍探测激光雷达就能够探测300～500米距离内直径超过1厘米的电线。法国的吊舱载CLARA激光雷达不但能探测标杆和电缆之类的障碍物，还具有地形跟踪、目标指示和测距以及活动目标指示等功能。

尤其当激光雷达与其他遥感技术、全球定位系统（GPS）技术结合为激光雷达测距系统，可提供地物目标距离信息，再加上飞机惯性测量单元提供的飞机平台姿态信息，就可获得地物目标的三维坐标。激光雷达获取的目标强度信息与其他机载遥感仪器获得的影像信息相结合，可以作为地物目标分析的光谱数据，因此，有激光雷达参与的机载集成系统在航空侦察、反潜、测绘、勘探和探测领域具有广阔的应用前景。集激光扫描测距技术、GPS定位技术、惯性导航技术、图像处理技术和数字摄影测量技术的三维地理信息快速获取系统，目前是一项新型、尖端的探测系统，即机载激光雷达（Airborne Light Detection And Ranging-Airborne LiDAR）技术，能够提供低成本、快速度、高密集、高精度的数字表面数据或数字高程数据，因而成为各种测量应用中深受欢迎的高新技术，具有巨大的应用前景，开展机载LiDAR数据精度研究也具有非常重要的理论价值和现实意义。

由于电磁波在水中传输能量衰减迅速，之前的水下探测主要采用的是声呐设备。利用蓝绿脉冲的激光雷达，可以实现水下探测和水雷搜索。美军的“魔灯”水雷探测激光雷达系统和瑞典相继研制的“手电筒”和“鹰眼”机载海洋激光雷达，都是成功的机载水下探测系统。美国卡曼航天公司研制了机载水下成像激光雷达，可对水下目标成像，显示水下目标的形状等特征，便于识别目标。同时，成像激光雷达单个激光脉冲覆盖面积大，因而搜索效率远高于非成像激光雷达，这成为成像激光雷达的一大优势。2002年，中国科学院上海光学精密机械研究所在第一代机载激光测深系统基础上研制改进，可同时分别探测海底和海面。

激光雷达能够获取目标的三维图像信息和速度信息，便于识别隐身目标，也可用于测量各种飞行目标的轨迹，比如跟踪测量导弹和火箭初始段、飞机和巡航导弹的低仰角跟踪测量等。

激光雷达与计算机结合，可对目标进行自动识别，并提供可靠的目标速度信息，和区分特殊目标的目标特征信息，从而提高武器瞄准精度，作为组成自动和半自动瞄准系统的非常重要的装置，目前激光雷达越来越受到青睐。

激光在大气中能量衰减较大，大气中水凝物和颗粒物的吸收、散射会大大降低激光雷达的作用距离，因而激光雷达可用来监测大气环境，或者利用激光与颗粒物、化学制剂相互作用来遥感探测大气污染和化学战剂。大气激光雷达具有精细的空间分辨率和时间连续性以及较高的探测精度，对实时监测边界层（0～2千米）大气成分变化和分析研究气层结构特征，有着积极的实用意义。利用米散射激光雷达可以对大气气溶胶、云等进行监测。

通过相干探测原理，机载激光雷达可以探测风切变和晴空湍流，减小飞机处于起飞和着陆阶段风切变和晴空湍流的严重威胁，提高飞机的安全性和生存力。激光雷达还可进行直接多普勒探测大气风场，绘制弹道风，这对于减小和修正风对投弹的干扰意义重大。

另外，利用机载激光雷达数据反演大气温度、湿度等重要参数。

3 机载激光雷达局限性和难点

激光雷达的主要局限性如下。

1）探测距离近，激光在大气中传输时，能量受大气影响而衰减，激光雷达的作用距离在20千米以内；尤其在恶劣气候条件下，比如浓雾、大雨和烟、尘，作用距离会大大缩短，难以有效工作。大气湍流也会不同程度上降低激光雷达的测量精度。

2）由于激光雷达的接收孔径小，波束太窄，所以搜索空域也较小，快速搜索和粗捕获目标困难，应由其他设备完成上述工作。因此机载激光雷达并不能完全取代传统雷达，多作为普通雷达的补充。

对于激光雷达系统实现机载，还有一些需要进一步加强研究和改进的关键技术，比如：

1）空间扫描体制和方式技术，激光雷达的空间扫描体制分为非扫描和扫描体制，扫描体制下有机械扫描、电扫描和二元光学扫描等方式，采用扫描体制的激光雷达工作时，对于实现不同的功能任务，需要研究相应的具体的技术应用。非扫描体制采用多元传感器，使设备重量和体积更小，并且作用距离更远，是机载的理想技术，但由于所需多元传感器不易获得，目前该项技术在国内还难以迅速实现工程应用。

2）激光器的发展，目前多数使用的半导体激光器、半导体泵浦的固体激光器和气体激光器各有优缺点，仍需进一步改进和发展。

3）接收机设计，机载激光雷达的自身特点和工作环境决定接收单元的接收灵敏度需求越来越高，同时要求高回波探测概率和低虚警率，这些都需要在设计环节不断改进和研制新技术。

4 机载激光雷达应用发展趋势

自20世纪60年代末激光器首次问世，激光雷达技术就一直是世界各国各界争相掌握和发展的技术。目前，激光雷达仍在发展中，而机载激光雷达系统的应用也正逐步实现实用化，另外一些激光雷达的应用正在研制探索中。与发达国家相比，我国机载激光雷达技术的应用研究起步晚，发展程度还相对落后，为促进机载激光雷达应用的快速发展，应对机载激光雷达的系统组成、数据和图像信息处理进行更为深入的研究，积极探索激光雷达新体制，并不断向激光雷达的远程化、多传感器集成化和多功能一体化方向发展。

参考文献

[1]屈平，杨培根，孟敏.发展中的激光雷达[J].现代兵种，2004（11）：54-55.

[2]王勇，王艳，王楠，李谦.浅析机载激光雷达系统[J].通信与计算技术，2010（2）：8-14.

[3]陈一峰，杨小丽.机载激光雷达风切变探测性能分析[J].光学与光电技术，2008（6）：38-40.

[4]郑永超，赵铭军，张文平，等.激光雷达技术及其发展动向[J].红外与激光工程，2006（10）：241-246.endprint