制导激光雷达的发展

制导激光雷达的发展

摘要：激光雷达在上世纪80年代出现后，就得到了迅猛的发展。由于其克服了

传统的无线电雷达的许多缺点，完成了其不能胜任的任务。其应用也越来越广，本文将就制导激光雷达方面展开介绍。

关键词：激光雷达；制导；成像；美国

激光雷达的介绍

激光雷达（Laser Detection And Ranging,缩写Ladar）是以激光波束为信息载体的雷达。激光雷达的工作原理与传统的无线电雷达相同，且具备雷达技术与激光技术的优势，可以作为无线电雷达的补充，完成其不能胜任的任务。激光雷达通过将工作频段从微波、毫米波频段延伸到波长更短的光频段，可以获得许多独特的优点：角分辨率高，距离分辨率高，速度分辨率高，测速范围广，能获得目标的多种图像，抗干扰能力强，比微波雷达的体积和重量小等。[1]

激光雷达的分类及工作原理

激光雷达的分类

激光雷达可以按照所用探测技术、工作体制或雷达功能来分类。根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。而按照不同功能，则可分为跟踪雷达、运动目标指示雷达、流速测量雷达、风剪切探测雷达、目标识别雷达、成像雷达及振动传感雷达等。若按工作体制划分，则有单脉冲、连续波、调频脉冲压缩、调频连续波、调幅连续波、脉冲多普勒等体制的激光雷达。

激光雷达的工作原理

激光雷达与无线电雷达的工作原理基本相同，且依赖于所采用的探测技术。其中直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距仪颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率来求得速度。

相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送—接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学孔径，分别供发送与接收信号使用，发送—接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。[4]

激光雷达的出现

自从上个世纪80年代美国MIT的Lincoln实验室研究出世界上第一台CO2激光成像雷达，世界各国就关注激光雷达的发展及应用。激光雷达有强度像、距离像和多普勒像，能获取丰富目标信息，提高了制导精度，对ATR(自动目标识别)技术也是重大革命。美国是世界上研究激光雷达技术水平最高的国家之一，近年来，美国在激光雷达制导技术上取得了重大突破，并完成了导弹挂飞试验。这就意味着激光雷达制导技术已具备实际应用条件．它必将对精确制导产生深远影响。[2]由于同时实现了强度、速度和距离的成像功能, 因而突破了传统的成像概念, 倍受军方重视。美、俄、英、德、法、瑞典等国都在积极发展这种体制的雷达。目前人们称此成像雷达为第四代激光雷达, 且逐渐应用于导弹制导中。

精确制导技术

精确制导武器

精确制导武器是一种命中精度高，杀伤威力大、消费比高、费交比（费用交换比）好可以改变大型常规兵器传统军事价值的低代价威慑力量，是影响总体作战能力的重要因素之一。发展精确制导武器是常规战略的最佳选择。

精确制导激光雷达

最近几年发生的几场高技术局部战争和军事冲突中，巡航导弹发挥了重要的威慑和杀伤作用。巡航导弹的突出特点是突防能力强、命中精度高、射程远、可远离防御区域外发射，是远程精确制导武器库中的一种“杀手锏”，已成为以“非接触精确打击”为主要特点的新作战思想的重要支柱。巡航导弹的发展需要进一步提高制导精度，激光雷达技术就是一种有效手段。[3]

激光制导

激光制导是光电制导中发展较早，技术较成熟，应用较广的一种制导体制。 现已有多种型号的激光制导武器装备军队并多次成功地用于实战。由于空地导 弹的发展，必须对地面目标进行识别，而激光主动制导成像导引头具有成像识别 的优势，因而激光主动成像制导技术得到发展。从辐射源的角度来看，目前的激 光成像制导雷达可分为三类，即：CO2激光成像雷达；二极管泵浦固体激光成像 雷

达;二极管激光成像雷达 。[5]

C02激光成像雷达

CO2激光相干成像雷达主要由扫描器、扩束望远镜、碲镉汞光电探测器、放

大电路、计算机及其辅助设备、显示器、C02声光调制器及C02激光器等组成。

C02相干成像激光雷达的研究始于20世纪70年代，于1978年研制出第一台

三维成像外差激光雷达样机。随着小型化、高性能C02激光器和图像处理技术的

发展以及军事的需求，使得多功能C02激光相干成像雷达在整个80年代获得了

迅速发展。到90年代初，已有数种样机问世并开始进行演示性试验。根据报道，目前在巡航导弹上作为激光地形轮廓匹配系统应用的是AGM-129战斧式巡航导弹上的成像激光雷达，它采用10.6 µm的C02激光器。[6]

目前，制导用的C02相干成像激光雷达的研究工作与20世纪80年代相比已经

有所降温。但是可以看到美、英等国仍然在积极地致力于这方面的研究，特别是在系统的可靠性、小型化上下功夫，同时也正在致力于研究新型的成像技术等。

二极管泵浦固体激光雷达

二极管泵浦固体激光雷达是最近几年激光雷达发展的重点，它克服了C02 激光雷达体积大、价格高的缺点，且激光器无需制冷，这种主动传感系统可实现高分辨率的距离和强度成像。它不像红外热成像系统容易受环境变化的影响，允许采用更为简单的自主目标跟踪算法，因而更适合于自主精确制导。先进的半导体激光二极管泵浦固体激光器技术是小型化、低价格激光雷达的保证。[3]

二极管泵浦固体激光雷达的研究始于80年代末，90年代的后期得到了迅猛发展。应用比较成功的如林肯实验室的火池测距二极管泵浦Nd:YAG激光雷达。二极管泵浦固体激光雷达已经广泛应用于大气测污、大气风场测量、环境监测等领域。

二极管激光成像雷达

二极管激光成像雷达是第二个率先在实战中获得应用的光电武器，其优点是体积小、质量轻、造价低、使用寿命长、可靠性高和低功耗，可采用室温探测。自80年代中期开始研制以来，发展很快，迄今已研制出几种样机，但大多处于研制阶段。二极管激光雷达的一个吸引力在于它的测距和三维截面成像能力，这使它能成为一种很有效的军事传感器。另一个吸引力在于它的潜在的低成本，这对于自动制导非常重要。

另外，国外90年代初开始研制的新一代二极管激光雷达除具备早期二极管激光雷达的优点外，还具备以下特性：(1)和被动即红外系统相结合；(2)作用距离达到10km左右；(3)具有多种成像功能；(4)具有先进的实时图像处理功能。

这种新型的二极管激光雷达在军事上还可用于战术防空系统对来袭目标的精确定位和低空飞行器的地形跟随，取代现在使用的毫米波雷达以及用于其它所 有作用距离在10km左右的战术任务。

美军在激光雷达制导技术方面的进展

美国陆军和空军已经开展了多项激光雷达制导技术的研究工作。按照美国国防部的“ 武器自动目标识别”科技目标，美国陆军正在试验将红外成像传感器自动目标识别用的图形识别算法用于激光雷达，目标是验证将快速响应和低虚警相结合的自动目标识别技术。该技术将允许发展以有限搜索、发射前锁定和发射后锁定模式工作的武器。有效的自动目标识别能力可以给士兵提供直接攻击、发射后不管的武器。这种武器能在发射后捕获目标，锁定丢失后能自动再捕获目标，识别友军，并为弹头选择最佳瞄准点。[4]

按照低成本自主攻击系统计划，美国空军赖特实验室研制了激光雷达寻的器。激光雷达寻的器可以为空地武器提供自主精确制导手段。

美国空军怀特实验室（WL）是国际上激光雷达研究比较先进的几个重要实验室之一。该实验室的一个主要研究内容就是常规武器的自主精确制导，在激光雷达自动寻的弹头技术和自主目标跟踪算法研究中一直处于领先地位。在寻的技术中，一般可采用合成孔径雷达（SAR）、红外成像技术（IIR）、毫米波雷达（MMW）和激光雷达（LADAR）。目前他们主要研究工作于1µm的二极管泵浦固体激光雷达系统。

结束语

面对日益严重的光电干扰，对制导系统在高可靠性、小型化，高抗干扰性，实时成像和精确测量等方面提出更高的要求，然而激光相干成像雷达由于受其体积、重量、成像速率等因素的影响，因此，各国都在积极改进现有的制导体制并努力发展以C02激光相干成像雷达为主的多模导引。多模导引即为两种或两种以

上制导方式参与制导，但不是这些制导方式的简单组合，而是一种新的导引方式。这种导引方式综合几种制导方式优点后，可以提高制导精度和打击精度。

参考文献：

[1] 机载军用激光雷达技术。电子工程学院，马超立。总参陆航部驻西安地区军

事代表室，王科伟。

[2] 激光雷达三维像对精确制导的作用。孙剑峰，李琦，王骐。(哈尔滨工业大

学可调谐激光技术国家级重点实验室)

[3] 二极管泵浦固体激光雷达技术及其应用。赵远，蔡喜平，刘剑波，陈锺贤。

哈尔滨工业大学应用物理系。

[4] 美军激光雷达武器的应用和发展趋势探讨。袁华， 王飞， 万少松

滨工业大学威海分校理学系，哈尔滨工业大学应用物理系

学院 [5] 激光主动成像制导雷达的研究方向。刘立宝，蔡喜平，乔立杰，杨洋。哈尔 [6] C02激光成像雷达及其在制导技术中的应用。许毅玢，徐军。第二炮兵工程