2.7　激光雷达系统

激光雷达类似于微波雷达，但其工作频率要高一些（在20～200倍的量级上）。采用更高频率的好处是使用的部件更小、测角精度更高。然而，在高频条件下大气衰减比较明显，因此地面激光雷达的探测距离有限（约10 km）。而航天激光雷达不受大气衰减影响，其探测距离可达到几千千米。

由于激光雷达波束宽度较窄（1 mrad量级），因而不适用于空域搜索，这个任务最好由被动红外系统完成。后者提供的目标粗方位角可以引导激光雷达，由激光雷达给出目标的距离和径向速度。

主要考虑到大气透射窗口（见图2.3）以及探测器和激光源的可用性，激光雷达一般只在两个波长的频段上工作：固态半导体激光器使用的1 μm（1 μm=10-6 m）和气体（CO2）激光器使用的9.2～10.8 μm。

激光系统的军事应用如下。

●指示器：利用激光束照射目标，引导武器攻击目标；

●测距机：准确测量出目标与观测点之间的距离；

●雷达导引头：集成在武器（或导弹）上，用于识别目标并自主地引导武器攻击指定目标；

●目标速度测量：在外差接收机构架中使用，用于确定目标的多普勒频移；

●在核、生物及化学（NBC）作战中测量差分吸收（差分吸收激光，DIAL）：根据辐射信号两种波长的衰减差，测量大气中特殊气体的浓度。把第一个波长调谐到所选择气体的吸收线，而第二个波长远离它。衰减量与大气中的气体浓度成正比。最后两种应用需使用二氧化碳气体激光器，它可以在上述的大带宽上调谐。

2.7.1　激光目标指示和测距

目标指示器用于地面战场场景，可以用于LANTIRN（夜间低空导航和目标瞄准红外系统）这样的机载场合，也可以用于地面设备，为针对目标的武器提供距离和方位等信息。激光目标指示器是一种相对较大较重（达20 kg）的系统，作用距离约为10 km。一些像“小牛”（Maverick）激光制导炸弹和“海尔法”导弹等这样的空射武器配有激光导引头，可定位目标并将武器导向目标。

激光测距仪体积较小，重量比指示器轻（约3～4 lb），它们装有一对望远镜，有效距离约1 km。目前使用的大多数激光目标指示器和测距仪均工作在1.064μm波长下（Nd：YAG），但这并不是一个对视力无害的波长［14］，因为人眼的敏感范围为0.4～1.2 μm。

最近出现的一种小巧而坚硬的非制冷中红外半导体激光二极管把可用频带移出了1.4 μm，这超出了对人眼不安全的极限波长。

典型的半导体激光材料有：

●Ho：YAG，发射的激光波长为2.09～2.10 μm；

●Tm：YAG，发射的激光波长为2.32 μm；

●Er：YAG，发射的激光波长为2.94 μm；

●Dy：YLF，发射的激光波长为4.34 μm。其中，Ho表示钬，Tm表示铥，Er表示铒，Dy表示镝，YAG表示钇铝石榴石，YLF表示氟化钇锂。

在军事应用上，激光雷达用于对目标进行定位、识别，并将武器引向目标。通常情况下，激光雷达通过下列三种图完成其使命：

●距离图像：通过处理来自目标散射体的后向散射信号获得；

●俯仰图像：勾画出视场场景内的高度轮廓；

●强度图像：根据视场内物体的不同反射率而生成。

2.7.2　激光雷达接收机

有两种接收机：直接接收机和外差接收机。直接接收机与光电探测器类似，不同的是直接接收机是测量来自目标的后向散射能量。图2.99为直接激光雷达接收机的示意图，说明了成像功能以及捕捉视场内目标的扫描光学镜的伺服机构。

在外差接收机中，激光器发射的部分波束被分配到了移频器。移频器会产生本振频率并与接收到的激光信号混频，这样就把信号转换为低频进行放大以增强接收机的灵敏度。图2.100为外差激光雷达接收机的示意图。这个框图可以对激光雷达作相干处理，不仅提供了强度和距离信息，还提供了与目标径向速度成正比的多普勒频移。相干激光处理是基于波长为10.6 μm的二氧化碳激光器，它可产生一个非常高的长期稳定频率。

2.7.3　激光雷达距离方程

对于激光雷达接收的来自相距R的目标的信号功率，其公式推导与微波雷达非常类似（见第2.2节）。我们仍将使用微波推导公式中的符号，但在红外领域，将用透镜和光学器件代替天线。

接收到的信号功率Pr可表示为下列五项之积：

第一项表示点状源激光功率Pt在球面4πR2上的分布；第二项以增益Glens表示透镜的聚焦效果，将激光功率引向目标方向，且在整个4π的立体角上是非均匀的。透镜的增益还可表示为Glens=4π/（/4），其中透镜产生的波束宽度θB乘以因子（），以考虑孔径照射均匀的情况（会使波束变窄）；第三项表示点目标拦截并向所有方向重新辐射（即所谓的雷达散射面积）的部分入射功率；第四项为接收孔径的有效面积（通常是一个直径为D0的圆）；第五个因子表示双向大气路径损耗和系统损耗。

与微波雷达方程式的主要不同之处在于目标的雷达反射截面积。首先要考虑的是，在微波域中，雷达距离方程式适用于天线远场，其定义为：

式中，RFF（m）为远场距离，D（m）为较大的天线尺寸，λ（m）是发射波长。在激光域中，如果λ=1 μm=10-6 m，透镜直径D0=0.05 m，那么RFF=5161 m。因此，考虑到透镜的实际直径可能会高出两至三倍，我们认为：激光雷达总是工作在透镜近场的。

其次要考虑的是，对于波束极窄的激光雷达，其波束宽度正比于波长与透镜直径的比值：

这说明，如果D0=0.05 m，λ=1 μm，那么波束宽度θB=0.0176 mrad。

在距离为10 km的位置，具有上述波束宽度的波束会产生一个直径d=RθB=0.176 m的点，且通常比任何有效目标的尺寸小得多。

这后一个考虑也就是说，实际目标从未被激光束完全照射过，因此，后向散射不会均匀散布在整个球面上，而仅照射目标的前半个球面上，即不再是σ/（4πR2），而是σ/（2πR2）。所以，它的雷达反射截面积为：

式中，ρ为目标反射率（即辐射率ε相对于1的补数：ρ=1-ε）。例如，未上漆的金属在中红外频段的反射能力比在反射背景的要强得多。

另一个关于目标后向散射功率分布的常用假设是朗伯散射假设，即每单位立体角的反射通量正比于关注方向与曲面法线之间夹角的余弦。所以，总的后向散射功率并未分布在2π球面度上，而仅分布在π球面度上，这可以从图2.101推导出来，计算公式如下：

所以，激光雷达距离方程式中后向散射项为：

考虑到式（2.106）至式（2.108），式（2.104）变为：

上述等式说明，实际目标反射的信号功率与其距雷达的距离平方成反比。

如果目标非常小（尺寸d＜RθB），除考虑朗伯散射（可减小σ至σ/2）外，式（2.104）仍然保持不变；因此，等式变为：（2.111）

对于激光目标指示器，距离R1处的目标上的激光束通常比目标的尺寸大（目的是为避免搜索目标），激光接收机放置在距离R2（R2≠R1）处。

因此，激光目标指示器等式与微波双基地或半主动雷达公式非常相似，具体如下：

注意，在上述等式中，目标的雷达反射截面积以σ′表示，表示其不同于发射机和接收机在同一方向上时测得的值。

2.7.4　目标探测

如微波雷达情况那样，接收机中若存在噪声，会影响目标的探测。接下来讨论前面所述两种激光接收机的噪声电平。

对于直接接收机，激光后向散射能量直接到达探测器，探测器的噪声电平为（参见第2.6节）：

式中，Ad为探测器面积，Δf为信号带宽，D*表示探测器材料的探测率。

外差接收机的噪声电平可通过量子力学方法计算得出，这表明理想放大器的功率谱密度可表示为：

式中，

h=普朗克常数=6.6256×10-34 （W/s2）；

f=频率（Hz）；

k=玻尔兹曼常数=1.38×10-23［W/（s·K）］；

T=绝对温度（K）。

式（2.114）曲线图为图2.102所示。根据该曲线图，外差接收机的噪声电平可表示为：

式中，B表示接收机的带宽，η为量子效率（0.3～0.5）。

激光雷达的目标可分为两大类：①斑点状目标，由若干类似的反射体组成；②闪烁目标，有一个主要反射体。这两种目标分别对应微波雷达探测理论研究的闪烁目标和起伏目标（见斯威林模型1和3），二者遵循与其反射波值相同的概率密度分布：斑点状目标为瑞利分布，闪烁目标为高斯分布。

一旦确定了Pr/N=SNR和目标类别，在噪声功率电平上设置一个固定阈值之后，就可以通过通常的检测曲线（微波雷达的斯威林模型）对检测概率做出评估，而噪声阈值设置是为了在只有噪声时获得选定的虚警率。

关于目标运动参数的测量，激光雷达的工作方式与微波雷达一样，且本章节中关于雷达波形与信号处理的所有讨论均适用于激光雷达。