光电技术-三维成像激光雷达

日期：2012,10,21

一，摘要：本文简要介绍了ＤＰＳＳ三维成像激光雷达系统的典型代表ＬＯＣＡＡＳ和ＪＩＧＳＡＷ的主要技术及发展动态，并以ＭＥＭＳ激光雷达为例，通过对传统成像激光雷达的分析，介绍了下一代成像激光雷达的发展趋势及需要解决的关键技术。

二，关键词：激光雷达；成像；三维成像

三，正文：

1.引言

激光雷达（ＬＡｓｅｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＲａｎｇｉｎｇ，ＬＡＤＡＲ）是激光为载波的雷达，通过对回波信号所携带的目标调制信息的解调来获取目标的特征参数，如距离、目标表面反率等信息，以及通过对激光雷达图像处理而获得的目标的轮廓等其它特征信息。

三维成像激光雷达可以提供目标的三维图象，目前主要应用于军事领域，包括：战术飞机上近程全天候的目标探测、分类、识别和跟踪，完成闭环火控任务；直升飞机或低空飞行器的障碍物回避和地形跟踪；巡航导弹上的激光雷达制导：目标和地形探测，目标分辨、识别和跟踪，地形跟随和障碍物回避，中段航路的位置修正，末段导引等，三维成像激光雷达是麻省理工学院的林肯实验室在美国国防部资助下于上个世纪的７０年代末率先开始研究的在上个世纪７０、８０年代，成像激光雷达研究集中于以军事应用为背景、采用相干探测技术的ＣＯ２相干激光雷达。从上个世纪９０年代开始，以军事应用为背景的ＣＯ２成像激雷达的研究逐渐淡出了人们的视线，目前ＣＯ２激光雷达更多的是用在大气探测方面；而在三维成像方面的研究主要集中于采用直接探测技术的二极管泵浦固体（ＤＰＳＳ）激光雷达，波

长为１．０６!ｍ。

本文将简要介绍国际上最著名的ＤＰＳＳ三维成像激光雷达系统ＬＯＣＡＡＳ和ＪＩＧＳＡＷ的技术发展动态，及成像激光雷达的最新发展趋势。

２ＤＰＳＳ三维成像激光雷达的发展

低成本自主攻击系统（ＬＯＣＡＡＳ）是美国在研的一种高度智能化防区外发射的无人驾驶飞机（ＵＡＶ），其概念于１９９０年９月提出。１９９８年１２月１０日，洛克希德?马丁公司获得美国空军研究实验室价值３２９４．２万美元的合同，以进行为期３６个月的ＬＯ－ＣＡＡＳ动力型先期技术演示工作［３］。ＬＯＣＡＡＳ的末段

制导采用洛克希德?马丁公司研制的低成本激光雷达导引头。激光雷达制导系统的关键技术是“光学关联”，即通过制导计算机将预先存储的目标三维全息图象与导引头获得的目标图象进行对比，以确认目标。美军在此方面的首次突破是在２０世纪９０年代后期研制的“空间光调制器”，它可以明显提高图象关联的速度。而从１９９９年６月开始，他们又尝试研制一种闪烁式激光雷达（ＦｌａｓｈＬａｄａｒ），即非扫描三维成像激光雷达，图象刷新速度比ＬＯＣＡＡＳ所用的扫描成像激光雷达至少提高５倍。２００５年１０月２１日洛克希德?马丁公司在佛罗里达洲埃格林空军基地成功进行了ＬＯＣＡＡＳ人在回路中的飞行试验，同时宣告ＬＯＣＡＡＳ计划圆满结束，激光雷达导引头已被美国陆军的非视线－发射系统的巡逻攻击导弹所采用。

日期：2012,10,21 竖锯（ＪＩＧＳＡＷ）是美国高级计划研究局（ＤＡＰＲＡ）资助的用于无人驾驶飞机的三维成像激光雷达验证项目，主要目的是研究和验证高分辨率三维成像激光雷达系统和技术，用于无人驾驶的空基平台，通过成像发现和辨认隐蔽在树丛中及伪装的目标如坦

克等［６］。在该项目的研究初期，有很多研究单位参与激光雷达系统的设计。２００２年５月，该项目研究合同只授予了２个项目组，１个是美国的Ｉｒｖｉｎｅ传感器公司和ＮｏｒｔｈｒｏｐＧｒｕｍｍａｎ公司，另外１个项目组是美国的林肯实验室和哈里斯（Ｈａｒｒｉｓ）公司［７］。２个项目组分别研究２种不同的成像技术。一种是利用１．０６μｍ的激光器和拼装在一起的８×１２８元ＩｎＧａＡｓ－ＰＩＮ探测器，测量数据通过集成在一起的读出芯片输出；另外一组是利用工作于５３２ｎｍ的微芯片激光器和工

作于光子计数模式的３２×３２元的ＡＰＤ阵列，在２００２年１２月，这套系统已经成功地完成了飞行试验。２００５年６月６日，哈里斯公司又获得了美国陆军通讯电子司令部授予的一份价值为６６０万美元的研发合同，为其ＤＰ－５Ｘ无人驾驶飞机研制并验证机载竖锯激光雷达三维成像实验系统［８］。

ＪＩＧＳＡＷ三维激光雷达系统是一个阵列探测器加扫描装置的收发合置的成像系统，阵列探测器采用工作于光子计数模式的３２×３２元的盖革－ＡＰＤ阵列，由于ＡＰＤ阵列的视场太小（瞬时视场为１０．１ｍｒａｄ×１０．１ｍｒａｄ），所以又加了一个非常小的双楔形扫描器用于扩大激光雷达系统视场。采用一个衍射光学元件将发射的单模（ＴＥＭ００）激光束分割为３２×３２个远场小子波。如何将３２×３２个子波的回波耦合至对应的ＡＰＤ阵列的探测单元，是整个成像系统的关键技

术，难度非常大。表１给出了ＪＩＧＳＡＷ激光雷达系统的参数。这套系统已经分别在２００２年的１２月至２００３年２月和２００３年６￣７月间在ＵＨ－１直升机上进行了飞行试验。

３下一代激光雷达

高速发展的微芯片激光器技术、光学技术、微电机系统（ＭＥＭＳ）技术、计算机技术和电子技术等，为研究小型化、低价格、高分辨率、高成像速率的三维成像激光雷达提供了所需要的大功率、窄脉冲光源、高速数据采集器、高可靠性的扫描器等器件。利用微芯片激光器和ＭＥＭＳ扫描系统的激光雷达系统被美国国家标准和技术研究院（ＮＩＳＴ）定义为下一

代激光雷达。因此，下一代激光雷达又可称为ＭＥＭＳ激光雷达

目前的激光雷达系统存在着分辨率（即我们通常所说的像素数）和成像速率的矛盾。比如通常采用的扫描成像系统，可以达到很高的分辨率，但分辨率越高，所需要的成像时间就越长，即系统的成像速率就越慢，非常不适于实时应用的场合，如制导和导航等；而实时应用要求高成像速率，但高成像速率势必以牺牲分辨率为代价，成像视场非常小，对提供目标的图像特征非常不利，如利用二极管泵浦固体激光器的直接探测扫描成像激光雷达系统由于受激光器功率、重复频率、扫描技术等的限制，成像速率和分辨率的矛盾非常突出。这样的系统在体积、重量和价格等方面都不占有优势，目前激光雷达的平均售价为１０万美元，重量远大于１５ｋｇ，不利于实际应用；而下一代三维成像激光雷达系统的

特点是分辨率高、成像速率快、价格低、对人眼安全、体积小，各方面的性能都全面超越了现有的激光雷达。

这种微型化的下一代三维成像激光雷达系统的应用范围除了在军事领域以外，在国民经济

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中也有非常重要的应用前景，见表２。

传统的扫描成像激光雷达无论是激光器还是扫描系统，体积都很大。新一代激光雷达的关键技术突破点是激光器和扫描系统，激光器将采用微芯片激光器；扫描系统将采用ＭＥＭＳ系统。

ＭＥＭＳ全称为微电子机械系统或微机电系统，是指在微米或纳米尺度上对材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。它用微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、ＬＩＧＡ和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。

传统的扫描成像激光雷达系统一般采用转鼓加摆镜、双摆镜或双振镜的扫描方式，由这些光学元件所构成的扫描系统体积庞大而笨重，需要耗费很多电能，由于惯性等原因无法实现高速扫描，因而不适于高速成像应用。ＭＥＭＳ扫描系统可采用１个双轴ＭＥＭＳ平面镜或２个单轴ＭＥＭＳ平面镜，利用这种ＭＥＭＳ扫描系统的最大限制是扫描角度太小（如±８°），不适于实时成像应用。通过采用在ＭＥＭＳ的入射光路中放置正透镜、在出射光路中放置副透镜，如图１所示，可有效的将ＭＥＭＳ系统的扫描角度从６°扩展至４０°１［０－１１］。据估计，这种微型激光雷达系统的价格将是现有激光雷达的１／１０。

ＭＥＭＳ激光雷达是将闪烁式激光雷达的焦平面阵列成像技术和ＭＥＭＳ扫描技术集成的一种激光雷达，是微型三维成像激光雷达，这种成像雷达可手持或安装在头盔上，视场将最少达到４０°，距离分辨率小于１ｃｍ，每帧图像含７６８００个距离和强度像素点（距离和强度信息可从同一回波信号的分析中得到），成像速率可以达到１５帧／ｓ以上。这种雷达的另外一个特点是对激光器的功率要求要远低于非扫描成像的闪烁式激光雷达的功率要求

4.结束语

激光雷达产生于军事领域的应用需求，在军事方面的应用首先要满足长距离的需要。对成像激光雷达，同时还要求有尽可能高的成像速率。为了解决长作用距离的问题，可以从体制方面考虑，即采用最灵敏的激光探测技术，如采用激光外差技术。外差技术可以保证有很高的探测信噪比，选择１０．６μｍ的波长除了能够满足对人眼安全的需求外，实现外差探测相对容易一些，即在光路的设计、调整等方面比较容易实现，对外差信号的准直要求比较低。但是这种技术的最大缺点来自于激光器，ＣＯ２激光器体积大、易碎、需要庞大的水冷却系统等，限制了ＣＯ２激光雷达在军事领域的应用。直接探测与外差探测技术相比，灵敏度会相差很多个数量级，但是直接探测技术在器件方面有很大的突破，体积、价格、成像速率等其它方面的优点可以弥补灵敏度低的缺陷。最近几年，纳米科学技术的发展推动了纳米电子技术的发展，为研究先进的微型高速数字处理技术和小型化的激光器、扫描器等激光雷达主要设备提供了技术支持。通过采用大功率的激光器和先进的信号处理技术，采用直接探测技术同样可以达到很高的信噪比，即作用距离同样可以达到很远。而固体激光器在体积、抗震性能、冷却方面都具有气体激光器所无法比拟的优势。

参考文献：

日期：2012,10,21

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［３］宗彩艳，译．小型ＬＯＣＡＳＳ的资金进展［Ｊ］．航空兵器，２０００，１：１５．

［４］ＪａｍｅｓＣ．Ｓａｖａｇｅ，Ｊ．ＫｅｖｉｎＯ!Ｎｅａｌ，ＲｏｂｅｒｔＡ．Ｂｒｏｗｎ，ｅｔａｌ．ＰｏｗｅｒｅｄＬｏｗＣｏｓｔＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＡｔｔａｃｋＳｙｓｔｅｍ：ｃｏｏｐｅｒａ－ｔｉｖｅ，ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ，ｗｉｄｅ－ａｒｅａ－ｓｅａｒｃｈｍｕｎｉｔｉｏｎｓｗｉｔｈｃａｐａｂｉｌｉｔｙｔｏｓｅｒｖｅａｓｎｏｎ－ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＩＳＲａｓｓｅｔｓｉｎａｎｅｔｗｏｒｋ－ｃｅｎｔｒｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，２００５，５７９１：６１－６９．［５］丛敏．ＬＯＣＡＡＳ完成人在回路中飞行试验［Ｊ］．飞航导弹，２００６，６：７－８．

［６］ＳａｉｋｉＴ，ＵｃｈｉｄａＳ，ＩｍａｓａｋｉＫ，ｅｔａｌ．Ｓｏｌａｒ－ｐｕｍｐｅｄＮｄｄｏｐｅｄｍｕｌｔｉｍｏｄｅ－ｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｗｉｔｈａＤ－ｓｈａｐｅｄｌａｒｇｅｃｌａｄ［Ａ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ２ｎｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＢｅａｍｅｄＥｎｅｒｇｙＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ［Ｃ］２００４：３７８－３８９．

［７］ＲｏｂｅｒｔＨａｕｇｅ．ＬＡＤＡＲｐｕｔｓｔｈｅｐｕｚｚｌｅｔｏｇｅｔｈｅｒ［Ｊ］．Ｓｐｉｅ!ｓｏｅｍａｇａｚｉｎｅ．２００３，（４）：１８－２０．

［８］ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｅｆｅｎｓｅｉｎｄｕｓｔｒｙｄａｉｌｙ．ｃｏｍ／２００５／０６／２３［Ｚ］．

［９］ＨａｓｓａｕｎＪｏｎｅｓ－Ｂｅｙ．ＮＩＳＴａｄｖｏｃａｔｅｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｎｅｘｔ－ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎＬＡＤＡ［Ｊ］．ＬａｓｅｒＦｏｃｕｓＷｏｒｌｄ，２００４，４０（９）：１３－１５．

［１０］ＳｍｅｓｔａｄＧ，ＲｉｅｓＨ，ＷｉｎｓｔｏｎＲ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｌｉｍｉｔｓｏｆｌｉｇｈｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｒｓ［Ｊ］．ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９０，２１：９９－１１１．

［１１］ＪａｍｅｓＳｉｅｐｍａｎｎ，ＡｄａｍＲｙｂａｌｔｏｗｓｋｉ．ＯｐｔｉｃａｌｌｙｅｘｔｅｎｄｅｄＭＥＭＳｓｃａｎｎｉｎｇｔｒａｎｓｆｏｒｍｓｉｍａｇｉｎｇｌａｄａｒ［Ｊ］．ＬａｓｅｒＦｏｃｕｓＷｏｒｌｄ，２００５，４１（７）：８９－９１．