激光雷達(dá)具備獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如極高的距離分辨率和角分辨率、速度分辨率高、測速范圍廣、能獲得目標(biāo)的多種圖像、抗干擾能力強(qiáng)、比微波雷達(dá)的體積和重量小等。這使得激光雷達(dá)能精確測量目標(biāo)位置(距離和角度)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(速度、振動(dòng)和姿態(tài))和形狀,探測、識別、分辨和跟蹤目標(biāo)。
自1961年科學(xué)家提出激光雷達(dá)的設(shè)想,歷經(jīng) 40余年,激光雷達(dá)技術(shù)從最簡單的激光測距技術(shù)開始,逐步發(fā)展了激光跟蹤、激光測速、激光掃描成像、激光多普勒成像等技術(shù),進(jìn)而研發(fā)出不同用途的激光雷達(dá),如精密跟蹤激光雷達(dá)、偵測激光雷達(dá)、偵毒激光雷達(dá)、靶場測量激光雷達(dá)、火控激光雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)激光雷達(dá)、氣象激光雷達(dá)、水下激光雷達(dá)、導(dǎo)航激光雷達(dá)等。激光雷達(dá)已成為一類具有多種功能的系統(tǒng)。目前,激光雷達(dá)在低空飛行直升機(jī)障礙物規(guī)避、化學(xué)和生物戰(zhàn)劑探測和水下目標(biāo)探測等軍事領(lǐng)域方面已進(jìn)入實(shí)用階段,其它軍事應(yīng)用研究亦日趨成熟。它在工業(yè)和自然科學(xué)領(lǐng)域的作用也日益顯現(xiàn)出來。
激光雷達(dá)分辨率高,可以采集三維數(shù)據(jù),如方位角-俯仰角-距離、距離-速度-強(qiáng)度,并將數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示,獲得輻射幾何分布圖像、距離選通圖像、速度圖像等,有潛力成為重要的偵察手段。 美國雷錫昂公司研制的ILR100激光雷達(dá),安裝在高性能飛機(jī)和無人機(jī)上,在待偵察地區(qū)的上空以120~460m的高度飛行,用GaAs激光進(jìn)行行掃描。獲得的影像可實(shí)時(shí)顯示在飛機(jī)上的陰極射線管顯示器上,或通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送至地面站。1992年,美國海軍執(zhí)行了“輻射亡命徒”先期技術(shù)演示計(jì)劃,演示用激光雷達(dá)遠(yuǎn)距離非合作識別空中和地面目標(biāo)。該演示計(jì)劃使用的CO2激光雷達(dá)在P-3C試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了飛行試驗(yàn),可以利用目標(biāo)表面的變化、距離剖面、高分辨率紅外成像和三維激光雷達(dá)成像,識別目標(biāo)。同時(shí),針對美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的戰(zhàn)備需求,桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和Burns公司分別提出了手持激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)備能由一名海軍陸戰(zhàn)隊(duì)隊(duì)員攜帶,重量在2.3~3.2kg之間,可以安裝在三腳架上;系統(tǒng)能自聚焦,能在低光照條件下工作;采集的影像足夠清晰,能分辨遠(yuǎn)距離的車輛和近距離的人員。
直升機(jī)在進(jìn)行低空巡邏飛行時(shí),極易與地面小山或建筑物相撞。美國研制的直升機(jī)超低空飛行障礙規(guī)避系統(tǒng),使用固體激光二極管發(fā)射機(jī)和旋轉(zhuǎn)全息掃描器可檢測直升機(jī)前很寬的空域,地面障礙物信息實(shí)時(shí)顯示在機(jī)載平視顯示器或頭盔顯示器上,為安全飛行起了很大的保障作用。德國戴姆勒.奔馳宇航公司研制成功的障礙探測激光雷達(dá)更高一籌,它是一種固體1.54微米成像激光雷達(dá),視場為32度×32度,能探測300―500米距離內(nèi)直徑1厘米粗的電線,將裝在新型EC―135和EC―155直升機(jī)上。 法國達(dá)索電子公司和英國馬可尼公司聯(lián)合研制的吊艙載CLARA激光雷達(dá)采用了CO2激光器。不但能探測標(biāo)桿和電纜之類的障礙,還具有地形跟蹤、目標(biāo)測距和指示、活動(dòng)目標(biāo)指示等功能,適用于飛機(jī)和直升機(jī)。
傳統(tǒng)的化學(xué)戰(zhàn)劑探測裝置由士兵肩負(fù),一邊探測一邊前進(jìn),探測速度慢,且士兵容易中毒。 俄羅斯研制成功的KDKhr―1N遠(yuǎn)距離地面激光毒氣報(bào)警系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)地遠(yuǎn)距離探測化學(xué)毒劑攻擊,確定毒劑氣溶膠云的斜距、中心厚度、離地高度、中心角坐標(biāo)以及毒劑相關(guān)參數(shù),并可通過無線電通道或有線線路向部隊(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號,比傳統(tǒng)探測前進(jìn)了一大步。 德國研制成功VTB―1型遙測化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器技術(shù)更加先進(jìn),它使用兩臺9― 11微米、可在40個(gè)頻率上調(diào)節(jié)的連續(xù)波CO2激光器,利用微分吸收光譜學(xué)原理遙測化學(xué)戰(zhàn)劑,既安全又準(zhǔn)確。
傳統(tǒng)的水中目標(biāo)探測裝置是聲納。根據(jù)聲波的發(fā)射和接收方式,聲納可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式,可對水中目標(biāo)進(jìn)行警戒、搜索、定性和跟蹤。但它體積很大,重量一般在600公斤以上,有的甚至達(dá)幾十噸重。而激光雷達(dá)是利用機(jī)載藍(lán)綠激光器發(fā)射和接收設(shè)備,通過發(fā)射大功率窄脈沖激光,探測海面下目標(biāo)并進(jìn)行分類,既簡便,精度又高。 如今,機(jī)載海洋激光雷達(dá)以第二代系統(tǒng)為基礎(chǔ),增加了GPS定位和定高功能,系統(tǒng)與自動(dòng)導(dǎo)航儀接口,實(shí)現(xiàn)了航線和高度的自動(dòng)控制。
美國諾斯羅普公司為美國國防高級研究計(jì)劃局研制的ALARMS機(jī)載水雷探測系統(tǒng),具有自動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測功能和三維定位能力,定位分辨率高,可以24小時(shí)工作,采用卵形掃描方式探測水下可疑目標(biāo)。美國卡曼航天公司研制成功的機(jī)載水下成像激光雷達(dá),最大特點(diǎn)是可對水下目標(biāo)成像。由于成像激光雷達(dá)的每個(gè)激光脈沖覆蓋面積大,因此其搜索效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非成像激光雷達(dá)。另外,成像激光雷達(dá)可以顯示水下目標(biāo)的形狀等特征,更加便于識別目標(biāo),這已是成像激光雷達(dá)的一大優(yōu)勢.
化學(xué)/生物武器是一種大規(guī)模毀傷武器。面對不斷擴(kuò)散的化學(xué)和生物武器的威脅,許多國家正在采取措施,加強(qiáng)對這類武器的防御。激光雷達(dá)可用于化學(xué)和生物戰(zhàn)劑的遙測。每種化學(xué)戰(zhàn)劑僅吸收特定波長的激光,對其他波長的激光是透明的。被化學(xué)戰(zhàn)劑污染的表面則反射不同波長的激光?;瘜W(xué)戰(zhàn)劑的這種特性,就允許利用激光雷達(dá)探測和識別之。激光雷達(dá)可以利用差分吸收、差分散射、彈性后向散射、感應(yīng)熒光等原理,實(shí)現(xiàn)化學(xué)生物戰(zhàn)劑的探測。化學(xué)和生物戰(zhàn)劑探測激光雷達(dá)采用的激光器。
激光雷達(dá)通過測量大氣中自然出現(xiàn)的少量顆粒的后向散射,可以檢測風(fēng)速、探測紊流、實(shí)時(shí)測量風(fēng)場等。由于返回的后向散射輻射很微弱,因而大氣監(jiān)測激光雷達(dá)需要使用靈敏的接收器。目前的飛機(jī)陣風(fēng)緩和系統(tǒng)以安裝在機(jī)身上的加速度計(jì)為基礎(chǔ),效能有限。有效的系統(tǒng)要求在飛機(jī)與紊流相遇前測量紊流。激光雷達(dá)探測紊流陣風(fēng)的能力,可以為未來的軍用和民用飛機(jī)提供更好的陣風(fēng)緩和系統(tǒng)。美國航天局的“先進(jìn)的飛行中測量用機(jī)載相干激光雷達(dá)”,正在探索這個(gè)概念。
飛機(jī)后微爆風(fēng)切變和尾流,給與其相遇的飛機(jī)造成危險(xiǎn)。英國國防鑒定與研究局(DARA)的研究人員研制的激光雷達(dá),能測量在飛機(jī)后微爆風(fēng)切變和尾流速度。將這種激光雷達(dá)置于跑道上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,就可以提高安全性,增加飛機(jī)的通過量。
測風(fēng)激光雷達(dá)通過測量大氣中自然出現(xiàn)的氣溶膠顆?;蚍肿舆\(yùn)動(dòng)(風(fēng)速引起)產(chǎn)生的具有多普勒頻移的后向散射信號,利用對回波信號頻率進(jìn)行鑒頻或相干,測量出后向散射信號的多普勒頻移Δν,利用Δν與風(fēng)速的關(guān)系就可反演得到徑向風(fēng)速數(shù)值,通過掃描激光光束得到不同方向上徑向速度,矢量合成即可得到風(fēng)速、風(fēng)向,實(shí)現(xiàn)檢測風(fēng)速、探測紊流、實(shí)時(shí)測量風(fēng)廓線風(fēng)場等。目前,激光雷達(dá)探測風(fēng)速風(fēng)向的主要技術(shù)有相干激光雷達(dá)技術(shù)及非相干技術(shù)。相干激光雷達(dá)主要適用于氣溶膠密度較大的對流層, 探測范圍最大可達(dá)10 km左右,精度可達(dá)0.1m/s。而非相干激光雷達(dá)主要利用氣溶膠及大氣分子測速,屬于能量檢測,其適用范圍較廣,適合對流層到平流層的風(fēng)廓線探測,測速精度可到1 m/s 以內(nèi)。
圖1多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)示意圖
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在所有的海洋生物中,浮游植物占有特殊的地位,因?yàn)槠渌Q笊镆愿∮沃参镒鳛橹苯踊蜷g接的食物來源。為觀察海洋生物量的分布,調(diào)查者一般借助于測定海水中的葉綠素濃度來作為浮游植物生物量的指標(biāo)。傳統(tǒng)的儀器分析技術(shù),如分光光度法、熒光分光光度法和色譜分析,雖然精度能滿足要求,但這些方法依靠逐點(diǎn)采樣測量的方式,且分析速度很慢,故很難應(yīng)用于大面積水域的現(xiàn)場探測。海洋激光雷達(dá)是進(jìn)行葉綠素濃度測量的主動(dòng)遙測設(shè)備,也是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。海色遙感衛(wèi)星的發(fā)射,需要精確的地面遙測手段作為印證,激光雷達(dá)系統(tǒng)又可作為重要的印證設(shè)備。很多古跡因?yàn)槟甏眠h(yuǎn)和歷史變遷,淹沒在漫漫黃沙或蔥郁的密林中。微波雷達(dá)曾用于探測古長城,近年來隨著lidar技術(shù)的發(fā)展與普及,激光雷達(dá)技術(shù)也逐漸用于考古中。由于其對密林的一定穿透性,lidar技術(shù)成功地用于發(fā)現(xiàn)熱帶雨林下的瑪雅文明遺跡。
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