激光雷達(dá)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

趙一鳴， 李艷華， 商雅楠， 李 靜， 于 勇， 李涼海

(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

激光雷達(dá)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

趙一鳴， 李艷華， 商雅楠， 李 靜， 于 勇， 李涼海

(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

相比傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)，激光雷達(dá)以它的高測量精度、精細(xì)的時(shí)間和空間分辨率以及大的探測距離而成為一種重要的主動(dòng)遙感工具，不但能夠精確測距，而且能夠精確測速、精確跟蹤，在民用、軍用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。首先簡要回顧了激光雷達(dá)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展歷程，介紹了激光雷達(dá)技術(shù)的系統(tǒng)組成與關(guān)鍵技術(shù)，著重分析了地球科學(xué)與氣象應(yīng)用領(lǐng)域中的大氣探測激光雷達(dá)，陸地、海洋探測激光雷達(dá)；空中交會(huì)對接領(lǐng)域的激光技術(shù)；軍事應(yīng)用中的偵察成像激光雷達(dá)，障礙回避激光雷達(dá)，化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達(dá)，水下探測激光雷達(dá)，空間監(jiān)視激光雷達(dá)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和現(xiàn)有技術(shù)水平。最后對激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢及重要意義進(jìn)行了總結(jié)，提出作者的建議。

激光雷達(dá)； 應(yīng)用； 發(fā)展趨勢

引 言

激光雷達(dá)Lidar(LIght Detection And Ranging)是一種主動(dòng)式的現(xiàn)代光學(xué)遙感技術(shù)，是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等特點(diǎn)，因此激光雷達(dá)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：角分辨率高、距離分辨率高、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)。同時(shí)激光雷達(dá)的體積和重量都比微波雷達(dá)小，使用方便靈活。

激光雷達(dá)是以激光束作為信息載體，可以用振幅、相位、頻率和偏振來搭載信息的雷達(dá)。它不但能夠精確測距，而且能夠精確測速、精確跟蹤。繼微波雷達(dá)之后，激光雷達(dá)把輻射源的頻率提高到光頻段，比毫米波高出兩到四個(gè)數(shù)量級，這使之能夠探測微小自然目標(biāo)，包括大氣中的氣溶膠。圖1所示為包括光波段與微波波段的電磁波譜以及各波長大氣透過率，激光雷達(dá)所用波長為圖中紅線波段內(nèi)。

本文主要從激光雷達(dá)的概念、系統(tǒng)組成入手，根據(jù)激光雷達(dá)工程及實(shí)際應(yīng)用的不同進(jìn)行分類，并著重介紹了地球科學(xué)與氣象應(yīng)用領(lǐng)域中的大氣探測激光雷達(dá)，陸地、海洋探測激光雷達(dá)；空中交會(huì)對接領(lǐng)域的激光技術(shù)；軍事應(yīng)用中的偵察成像激光雷達(dá)，障礙回避激光雷達(dá)，化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達(dá)，水下探測激光雷達(dá)，空間監(jiān)視激光雷達(dá)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和現(xiàn)有技術(shù)水平。

圖1 電磁波譜及其大氣透過率

1 激光雷達(dá)的概念

激光雷達(dá)是一種通過探測遠(yuǎn)距離目標(biāo)的散射光特性來獲取目標(biāo)相關(guān)信息的光學(xué)遙感技術(shù)。隨著超短脈沖激光技術(shù)、高靈敏度的信號探測和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，激光雷達(dá)以它的高測量精度、精細(xì)的時(shí)間和空間分辨率以及大的探測跨度而成為一種重要的主動(dòng)遙感工具。

微波雷達(dá)使用的頻段，除了金屬目標(biāo)物有明顯的反射外，其他非金屬物質(zhì)，諸如巖石、雨滴等只能產(chǎn)生極其微弱的回波信號[1]。在大氣探測應(yīng)用中，只能與大氣中的云、雨、雪等大尺寸粒子或大范圍的大氣不均勻體相互作用產(chǎn)生回波，一些細(xì)小目標(biāo)物，如大氣分子和氣溶膠基本上不會(huì)產(chǎn)生可探測的回波信號，從而對晴空均勻大氣直接穿透形成探測盲區(qū)。激光雷達(dá)主要使用電磁波譜中的近紅外、可見光及紫外等波段，波長可以從250nm到11μm[2]，比以往雷達(dá)用的微波和毫米波短得多，并且激光光束因其發(fā)散角小，有著很窄的波束，能量集中，加之光束本身良好的相干性，這樣可以達(dá)到很高的角分辨率、速度分辨率和距離分辨率，更小尺度的目標(biāo)物也能產(chǎn)生回波信號，對探測細(xì)小顆粒有著特有的優(yōu)勢。激光雷達(dá)探測原理如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)探測原理

激光雷達(dá)是激光、大氣光學(xué)、雷達(dá)、光機(jī)電一體化和電算等技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，幾乎涉及了物理學(xué)的各領(lǐng)域。目前激光雷達(dá)種類繁多，可以按照所用激光器、功能用途、運(yùn)載平臺(tái)及探測技術(shù)進(jìn)行分類。

對于不同的用途激光雷達(dá)所選擇的激光器不同，大多數(shù)的激光雷達(dá)使用的是氣體或固體脈沖激光器，也有部分使用氣體連續(xù)激光器。目前激光雷達(dá)中常用的激光器有CO2激光器(9.2～11.2μm)、Er：YAG激光器(2μm)、拉曼頻移Raman-shifted Nd：YAG激光器(1.54μm)、Nd：YAG激光器(1.06μm)、GaAIAs半導(dǎo)體激光器(0.8～0.904μm)、HeNe激光器(0.63μm)、倍頻Nd：YAG激光器(0.53μm)等。

微波雷達(dá)接收的信號大多數(shù)情況下為目標(biāo)物的反射信號，而激光雷達(dá)可以接收反射信號，也可以接收彈性散射信號，如瑞利散射(Rayleigh scattering)、米散射(Mie scattering)信號、共振散射信號(resonancescattering)、熒光信號(fluorescence)及拉曼散射信號(Raman scattering)，相應(yīng)的有不同類型的激光雷達(dá)[3]。

從實(shí)際工程和應(yīng)用角度來說，激光雷達(dá)的分類方式繁多：

按照激光波段來分，有紫外激光雷達(dá)、可見激光雷達(dá)和紅外激光雷達(dá)等。

按照激光器的工作介質(zhì)分，有固體激光雷達(dá)、氣體激光雷達(dá)、半導(dǎo)體激光雷達(dá)、二極管泵浦固體激光雷達(dá)等。

按照激光發(fā)射波形分，有脈沖激光雷達(dá)、連續(xù)調(diào)制激光雷達(dá)等。

按功能用途來分，有激光測距雷達(dá)、激光測速雷達(dá)、激光測角和跟蹤雷達(dá)、激光成像雷達(dá)、大氣探測激光雷達(dá)和生物激光雷達(dá)等。

按照激光雷達(dá)的載荷平臺(tái)可分為便攜式激光雷達(dá)、地基激光雷達(dá)、車載激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、船載激光雷達(dá)、星載激光雷達(dá)和彈載激光雷達(dá)等。

按照激光雷達(dá)探測技術(shù)的不同，可以分為直接探測激光雷達(dá)和相干探測激光雷達(dá)兩種類型。

按照體制來分，有多普勒激光雷達(dá)、合成孔徑成像激光雷達(dá)、差分吸收激光雷達(dá)、相控陣激光雷達(dá)等。

鑒于激光雷達(dá)能全天時(shí)對地觀測，受地面背景、天空背景干擾小，并具有高分辨率和高靈敏度，激光雷達(dá)可以廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測、海洋探測、森林調(diào)查、地形測繪、深空探測、軍事應(yīng)用等方面。

激光雷達(dá)由于單色性好、方向性強(qiáng)、相干性好、體積小等特點(diǎn)，在氣象領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，可以用來測量氣溶膠、云、霧、能見度、空中風(fēng)場、溫室氣體、污染氣體、溫度和濕度的變化，精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不僅是飛行的保障，而且能為研究大氣變化、天氣預(yù)報(bào)和建立正確的大氣模型提供依據(jù)，對全球長遠(yuǎn)氣候變化和全球碳循環(huán)的認(rèn)知和預(yù)測有重要的指導(dǎo)意義。大氣垂直尺度的精確風(fēng)場、海洋風(fēng)場、平流層的風(fēng)場，無論從民用還是軍用的角度，都有著極其重要的意義。利用后向散射激光雷達(dá)可以探測可吸入顆粒物和云-氣溶膠的濃度和立體分布；利用多普勒激光雷達(dá)可以測量大氣風(fēng)場，包括風(fēng)切變、風(fēng)速等信息；利用差分吸收雷達(dá)可以測量溫室氣體和污染氣體的濃度和分布。

激光雷達(dá)的海洋應(yīng)用平臺(tái)包括機(jī)載平臺(tái)、船載平臺(tái)以及水下平臺(tái)，用于探測淺海水深、水雷、溫度、海浪、海洋葉綠素、油污以及海洋油氣勘查等。水深測量一般基于淺海、島礁或者船只無法到達(dá)的海域。機(jī)載海洋激光雷達(dá)可以快速掃描，獲得淺海地貌，測量效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聲納測量。另外淺海水深測量與水下目標(biāo)探測密切相關(guān)，利用水深測量技術(shù)可以對水下目標(biāo)(如潛艇、水雷等)進(jìn)行探測。

在森林探測方面，激光雷達(dá)發(fā)射的激光脈沖能部分穿透植被冠層，通過回波波形數(shù)據(jù)可以分析出整個(gè)植被冠層的三維結(jié)構(gòu)和冠層下的地形，可以測量和估算樹木高度、冠層結(jié)構(gòu)等參數(shù)，從而估算森林生物量，為其他林業(yè)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

激光雷達(dá)由于工作波長短，具有極高的方向性和角度分辨率，可以實(shí)現(xiàn)對距離、速度、角度、姿態(tài)等參量的高精度測量，而且其體積小、重量輕、功耗低，再加上空間沒有大氣衰減和散射的問題，激光雷達(dá)在空間飛行器(如衛(wèi)星、飛船)上具有很好的應(yīng)用前景。目前激光雷達(dá)已在地球(星體)激光測高儀、航天器對接、飛行器接近成像、航天器著陸導(dǎo)航等空間領(lǐng)域得到應(yīng)用，近十多年來發(fā)展迅速，已成為激光雷達(dá)最重要的應(yīng)用方向之一。

在軍事應(yīng)用方面，激光雷達(dá)可以用于武器制導(dǎo)、飛行器導(dǎo)航、戰(zhàn)場偵查、高空監(jiān)視、障礙規(guī)避、低空探測、生化戰(zhàn)劑探測、水下探測和水雷搜索等?，F(xiàn)代戰(zhàn)場上，小到單兵定位，大到對整個(gè)戰(zhàn)場的監(jiān)控，戰(zhàn)爭的各個(gè)環(huán)節(jié)都有激光雷達(dá)的用武之地。

2 激光雷達(dá)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 地球科學(xué)與氣象應(yīng)用

2.1.1 大氣探測激光雷達(dá)

1云-氣溶膠探測激光雷達(dá)

用于氣溶膠探測的激光雷達(dá)主要是以單波長或多波長(如Nd：YAG激光器1064、532、355nm)米散射激光雷達(dá)為主[2]，地基、機(jī)載、星載等多種平臺(tái)應(yīng)用，技術(shù)比較成熟。單波長米散射激光雷達(dá)可以用來探測大氣氣溶膠的光學(xué)特性，主要有散射系數(shù)、消光系數(shù)、雷達(dá)比。而多波長激光雷達(dá)除了可以得到上述參數(shù)以外，還常用于反演氣溶膠的粒譜分布及不同波長的氣溶膠消光系數(shù)，為研究激光在大氣中的傳輸特性、大氣湍流等提供科學(xué)依據(jù)。

1994年搭載發(fā)現(xiàn)號航天飛機(jī)升空的LITE激光雷達(dá)是世界上第一臺(tái)星載激光雷達(dá)[4]，它采用355nm、532nm和1064nm三個(gè)波長，在10天的飛行任務(wù)中，LITE共收集了45小時(shí)的大氣散射曲線數(shù)據(jù)，對層云、對流層和平流層的氣溶膠、沙漠氣溶膠、化學(xué)燃燒的煙霧等進(jìn)行了初步探測，LITE的觀測結(jié)果非常令人滿意。圖3是LITE的外形圖。

圖3 星載大氣探測激光雷達(dá)LITE外形圖

2003年，美國地球觀測GLAS激光測高系統(tǒng)裝載到全球首顆激光測高試驗(yàn)衛(wèi)星ICESat升空[5]，GLAS采用了532nm和1064nm兩個(gè)波長，主要科學(xué)目的是了解極地冰雪變化物質(zhì)總量平衡、測量全球范圍云層高度和云/氣溶膠垂直結(jié)構(gòu)以及繪制陸地拓?fù)鋱D。圖4是GLAS激光測高系統(tǒng)外形圖。發(fā)射機(jī)為半導(dǎo)體泵浦的Nd：YAG激光器，脈沖寬度為5ns，1064nm脈沖能量為75m J，532nm脈沖能量為32mJ。接收望遠(yuǎn)鏡口徑為100cm。

圖4 美國地球觀測GLAS激光測高系統(tǒng)外形圖

2006年4月28日，裝載正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)(CALIOP)的CALIPSO衛(wèi)星由德爾它-Ⅱ火箭發(fā)射升空[17]。圖5是CALIOP系統(tǒng)外形圖。CALIPSO衛(wèi)星的配置包括三個(gè)儀器：①云-氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP；②三通道紅外成像輻射計(jì)ⅡR(Imaging Infrared Radiometer)；③寬帶照相機(jī)(Wide Field Camera)。CALIOP除采用532nm和1064nm兩個(gè)波長外，還增加了偏振檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋，其首批試驗(yàn)結(jié)果更表明，CALIOP具備識(shí)別氣溶膠、沙塵、煙塵以及卷云的能力，它成為世界上首個(gè)應(yīng)用型的星載云和氣溶膠激光雷達(dá)，其觀測能力優(yōu)異。

圖5 正交偏振云-氣溶膠激光雷達(dá)CALIOP系統(tǒng)外形圖

歐洲空間局(ESA)在過去20年進(jìn)行了多項(xiàng)激光雷達(dá)試驗(yàn)[6]，其中包括后向散射激光雷達(dá)ATLID。1996年發(fā)射的ATLID(Atmosphere LIDAR)是ESA支持的第一個(gè)空間激光雷達(dá)項(xiàng)目，它采用1064nm波長，主要用于云頂高和云層邊界層的測量，它利用線性掃描擴(kuò)大觀測視場以保證在800km軌道高度進(jìn)行全球覆蓋。圖6是ATLID外形圖。

ESA預(yù)計(jì)2013年發(fā)射EarthCARE衛(wèi)星[7]，其主要目的是定量測量云和氣溶膠之間的相互轉(zhuǎn)換，并準(zhǔn)確地添加進(jìn)氣候和天氣預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型中。該衛(wèi)星的配置有后向散射激光雷達(dá)ATLID、云廓線雷達(dá)(Cloud Profiling Radar)、多光譜成像儀(Multi-Spectral Imager)和寬帶輻射計(jì)(Broad-Band Radiometer)。其中ATLID激光雷達(dá)采用355nm的紫外激光光源，脈沖能量30mJ，重復(fù)頻率74Hz，激光線寬50MHz。接收望遠(yuǎn)鏡直徑為0.6m。

圖6 歐空局后向散射激光雷達(dá)ATLID外形圖

表1和表2分別列出了已發(fā)射和在研的星載云-氣溶膠探測激光雷達(dá)相關(guān)參數(shù)信息。

表1 已發(fā)射的星載云-氣溶膠探測激光雷達(dá)[8]

續(xù)表

表2 在研的星載云-氣溶膠探測激光雷達(dá)[5]

我國尚沒有星載大氣激光雷達(dá)發(fā)射計(jì)劃，主要的激光雷達(dá)研究單位有中科院安徽光機(jī)所、中科院上海光機(jī)所、中科院武漢物數(shù)所、中科院空間中心、中國海洋大學(xué)、武漢大學(xué)、西安理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、中國科技大學(xué)、中國電子科技集團(tuán)、北京遙測技術(shù)研究所等單位。其中，中國海洋大學(xué)較早開始基于高譜分辨激光雷達(dá)的氣溶膠及風(fēng)場探測工作，還為中歐開展的龍計(jì)劃Ⅱ開發(fā)了新型地基激光雷達(dá)[9]。中科院安徽光機(jī)所在激光雷達(dá)設(shè)備研制上積累了多年經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了多種激光雷達(dá)，取得了很好的應(yīng)用效果[10]。中國科技大學(xué)研發(fā)了米-瑞利-鈉熒光和多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)[11]。西安理工大學(xué)發(fā)展了多套不同類型的激光雷達(dá)[12]。中科院上海光機(jī)所和中國電子科技集團(tuán)分別研發(fā)了測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)[13]。北京理工大學(xué)最近也研制了一臺(tái)拉曼-米散射激光雷達(dá)進(jìn)行氣溶膠探測[14]。中科院光電研究院還和法國科學(xué)家合作進(jìn)行機(jī)載激光雷達(dá)探測的研究[15]。

北京遙測技術(shù)研究所在2012年成功研制了具有國際先進(jìn)技術(shù)水平的大氣探測激光雷達(dá)產(chǎn)品[16]，能夠在復(fù)雜天氣條件下長期運(yùn)行，工作性能穩(wěn)定，可提供高質(zhì)量的一級、二級、三級數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其反演數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確表征大氣中氣溶膠、云層等目標(biāo)的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)和時(shí)空演化過程，可有效分辨大氣中氣溶膠的不同模態(tài)和云層相態(tài)，區(qū)分局地顆粒物和外來沙塵以及局地污染和遠(yuǎn)距離輸送污染，并可實(shí)時(shí)跟蹤污染物的時(shí)空演化狀態(tài)，有助于分析污染物來源和傳輸路徑。北京遙測技術(shù)研究所多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達(dá)產(chǎn)品實(shí)物和數(shù)據(jù)結(jié)果分別示于圖7和圖8。該產(chǎn)品在對沙塵、灰霾、火山灰等大氣環(huán)境的實(shí)時(shí)三維空間監(jiān)測中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

圖7 北京遙測技術(shù)研究所多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達(dá)產(chǎn)品實(shí)物圖

圖8 北京遙測技術(shù)研究所多波長拉曼偏振大氣探測激光雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)果

2多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)

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，通常有兩種探測機(jī)制——非相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)與相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)。國外使用激光雷達(dá)進(jìn)行大氣風(fēng)速測量始于上世紀(jì)七十年代初期[11]，當(dāng)前歐洲、美國、日本均已研制了機(jī)載大氣風(fēng)場探測激光雷達(dá)，并已進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。世界上第一臺(tái)星載大氣風(fēng)場探測激光雷達(dá)是歐空局研制的ALADIN[18]，計(jì)劃于2014年由ADM-AEOLUS衛(wèi)星攜帶升空，它采用355nm直接探測多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)0～30km高度三維風(fēng)場測量。美國NASA和NOAA也已計(jì)劃了星載測風(fēng)激光雷達(dá)NPOESS[19]，它采用355nm直接多普勒探測和2μm相干多普勒探測相結(jié)合的方式，可實(shí)現(xiàn)全球高度三維風(fēng)場測量。中國海洋大學(xué)也已成功研制出測風(fēng)激光雷達(dá)，其系統(tǒng)外觀和實(shí)測結(jié)果分別示于圖9和圖10。

圖9 中國海洋大學(xué)測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)外觀

圖10 中國海洋大學(xué)測風(fēng)激光雷達(dá)實(shí)測結(jié)果

①非相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)發(fā)展?fàn)顩r

1979年，美國Michigan大學(xué)的空間物理研究實(shí)驗(yàn)室研制了第一臺(tái)車載激光多普勒雷達(dá)[20]，其系統(tǒng)光源為Nd：YAG激光器和染料激光器，采用高分辨率的Fabry-Perot干涉儀和多環(huán)陽極探測器，模擬了大氣風(fēng)場的測量。該雷達(dá)在對流層、平流層可以實(shí)現(xiàn)的測風(fēng)精度為2m/s，中間層精度為5m/s。1994年，該所研制了可移動(dòng)的高分辨率多普勒激光雷達(dá)，激光源為532nm的Nd：YAG種子注入倍頻激光器，脈沖能量60mJ，重復(fù)頻率50Hz，線寬為0.0045cm(135MHz)、脈沖振動(dòng)不超過±0.6ns。采用Fabry-Perot干涉儀和窄帶干涉濾光片相結(jié)合的方法濾除白天背景光，在大氣對流層和低平流層實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速測量和氣融腔負(fù)載輪廓的測量，白天探測距離為1500m，白天和黑夜在大氣邊界層垂直分辨率為100m，時(shí)間分辨率為5min，風(fēng)速精度為1～2m/s。

法國國家科學(xué)研究中心研制了地基非相干多普勒激光測風(fēng)系統(tǒng)，激光源波長532nm，脈沖能量250mJ，重復(fù)頻率30Hz，采用雙Fabry-Perot干涉儀來測量大氣分子散射，獲得了高度為25～60km的高空風(fēng)速數(shù)據(jù)[23]。

美國Cornell大學(xué)的Arecibo觀測中心也研制了一臺(tái)Rayleigh非相干多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)[20]，獲得了中高空大氣的水平風(fēng)場信息。

2000年，日本福井大學(xué)研制了小型測風(fēng)激光雷達(dá)[21]，系統(tǒng)采用Fabry-Perot單邊緣技術(shù)及連續(xù)二極管泵浦的Nd：YAG激光器，波長532nm，激光重復(fù)頻率從1kHz到10kHz進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)重復(fù)頻率為10kHz時(shí)，脈沖能量0.1mJ，由于發(fā)射能量小，該雷達(dá)只對4km以下風(fēng)場進(jìn)行測量。

美國NASA/GSFC于2001年研制成功的GLOW(Goddard Lidar Observatory for Wind)系統(tǒng)[22]，是一套基于雙邊緣檢測技術(shù)的車載測風(fēng)激光雷達(dá)。GLOW系統(tǒng)實(shí)物示于圖11。它可以實(shí)現(xiàn)從地面到20km、垂直分辨率為1km的風(fēng)廓線測量。

美國Michigan航天公司于2001年研制了兩套GroundWinds地基測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)[20]，分別位于New Hampshire和Hawaii，系統(tǒng)采用Fabry-Perot雙邊緣技術(shù)測量0.5～40km的風(fēng)廓線。

圖11 GLOW系統(tǒng)實(shí)物圖

2002年，美國Colorado州立大學(xué)的She等在鈉熒光激光雷達(dá)中使用Faraday濾波器濾除白天背景光[20]，實(shí)現(xiàn)了在中層大氣的溫度和風(fēng)速測量。

歐空局于2002年著手進(jìn)行了ADM-風(fēng)神計(jì)劃，該衛(wèi)星搭載的ALADIN(The Atmospheric Laser Doppler Instrument)星載多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)是全球第一臺(tái)星載多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)[23]，主要采用非相干(直接)探測技術(shù)測量風(fēng)場廓線，可提供滿足數(shù)值天氣預(yù)報(bào)與氣候建模需求的風(fēng)場數(shù)據(jù)，為氣候?qū)W和氣象學(xué)服務(wù)，并為天氣預(yù)報(bào)服務(wù)。ADM-Aeolus原計(jì)劃2013年發(fā)射，激光波長為355nm，望遠(yuǎn)鏡直徑為1.5m，激光輸出功率為15W，風(fēng)速測量精度為1～3m/s，測量數(shù)據(jù)垂直分辨率為0.5～1km，水平分辨率為200km，壽命為3年。ALADIN通過向大氣發(fā)射激光，并分別接收激光經(jīng)大氣氣溶膠、云粒子等物質(zhì)散射回的Mie散射光和經(jīng)大氣氣體分子散射回的Rayleigh散射光，來計(jì)算由大氣運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的激光多普勒頻移，進(jìn)而計(jì)算出風(fēng)速。該任務(wù)的實(shí)施將首次實(shí)現(xiàn)星載全球三維風(fēng)場的直接觀測，為氣候研究與數(shù)值天氣預(yù)報(bào)帶來了新的機(jī)遇。該系統(tǒng)采用高效率、高功率、高可靠性的固體激光器；共用大口徑望遠(yuǎn)鏡對光學(xué)信號進(jìn)行發(fā)射和接收；光學(xué)接收終端通過將條紋成像通道(分析低空氣溶膠和云層)和雙邊緣通道(分析空氣分子)相結(jié)合的方式對激光后向散射信號進(jìn)行分析，可充分覆蓋關(guān)注信息所在的高度范圍。

②相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)發(fā)展?fàn)顩r

最早的相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)研究始于上世紀(jì)七十年代[13]，進(jìn)入九十年代以來，隨著激光技術(shù)的發(fā)展，相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)歷經(jīng)了10.6μm波段、1.06μm波段、2.0～2.1μm波段和1.5～1.6μm波段幾個(gè)階段，先后采用了連續(xù)CO2激光器、脈沖CO2激光器、固體Nd激光器、閃光燈泵浦Cr，Tm，Ho激光器、固體Tm激光器、固體Er激光器作為激光器光源。目前，美國、德國、日本等國家已經(jīng)先后研制了多套相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)場的風(fēng)場測量、飛機(jī)飛行的氣流和尾跡探測、大氣湍流探測、全球氣流監(jiān)控、森林火警輔助預(yù)警等場合[11]。

1970年Huffaker首次報(bào)道了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用連續(xù)單頻CO2激光器進(jìn)行短距離測風(fēng)的實(shí)驗(yàn)[24]。之后連續(xù)CO2激光測風(fēng)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到近地面風(fēng)場測量和飛機(jī)尾部渦流的探測等領(lǐng)域。上世紀(jì)七十年代，采用MOPA結(jié)構(gòu)的CO2脈沖激光器開始被應(yīng)用到相干測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)中。至今很多科研機(jī)構(gòu)仍在利用CO2脈沖激光器對近地面風(fēng)場進(jìn)行探測研究。上世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的脈沖能量1J、重復(fù)頻率20Hz的TEACO2激光測風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)一步提高了激光器脈沖能量，壓縮了激光器的體積，讓CO2測風(fēng)激光雷達(dá)向?qū)嵱没诌~進(jìn)了一步。

1987年美國斯坦福大學(xué)Kane小組首次報(bào)道了利用Nd：YAG激光器作光源的1.06μm相干測風(fēng)激光雷達(dá)[25]。1989年CTI公司Kavaya和Henderson首次利用1.06μm激光雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)程風(fēng)場探測。

1990年Suni和Henderson小組首次報(bào)道2.09μm相干激光雷達(dá)系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)采用閃光燈泵浦Cr，Tm，Ho：YAG激光器作光源，雷達(dá)的發(fā)射接收系統(tǒng)口徑20cm，水平方向可以探測20km范圍內(nèi)的大氣風(fēng)場，對硬目標(biāo)探測距離可達(dá)145km。

1994年，美國CTI公司(Coherent Technology Inc，后為美國最大軍火公司Lockheed Martin兼并)實(shí)現(xiàn)了最早的2μm機(jī)載相干測風(fēng)激光雷達(dá)的研制[20]，該激光雷達(dá)安裝在USAFC-141飛機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。后來該系統(tǒng)被美國海洋大氣局(NOAA)成功應(yīng)用于高分辨率邊界層風(fēng)場探測。1995年CTI公司又在美國宇航局(NASA)與美國空軍的共同的資助下完成了脈沖能量10mJ、重復(fù)頻率100Hz的2μm激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[22]，并用于武裝直升飛機(jī)C-130H進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。近些年NASA主要致力于縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，目的是讓激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠更加適合太空環(huán)境，NASA用于測量全球大氣風(fēng)場的星載2μm測風(fēng)激光雷達(dá)預(yù)計(jì)2020年發(fā)射升空。

2001年，CTI公司開始為美國海軍研制TODWL機(jī)載2μm相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)[22]，用于評估強(qiáng)風(fēng)條件下海洋和大氣之間的動(dòng)力學(xué)和能量交換情況，同時(shí)研究水面的反射效應(yīng)。圖12給出了該激光雷達(dá)實(shí)物照片。

2002年美國CTI公司推出了WindTracer相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)商業(yè)產(chǎn)品[22]，實(shí)物如圖13所示。這是一套可用來測量大氣風(fēng)速、切變風(fēng)風(fēng)場和旋風(fēng)軌跡的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

2001年，日本三菱電氣公司研制了基于Er：Yb玻璃激光器的激光雷達(dá)，波長1.54μm，脈沖能量10.9mJ，重復(fù)頻率15Hz，對應(yīng)的測速范圍是±50m/s[21]，實(shí)物如圖14所示。

圖12 TODWL機(jī)載2μm相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)實(shí)物圖

圖13 WindTracer相干多普勒測風(fēng)激光雷達(dá)商業(yè)產(chǎn)品實(shí)物圖

圖14 日本三菱電氣公司研制的激光雷達(dá)實(shí)物圖

2006年French Aerospace Lab使用光纖MOPA結(jié)構(gòu)完成了1.5μm激光多普勒雷達(dá)[15]。光纖激光器輸出脈沖能量1mJ，重復(fù)頻率4kHz，測量范圍小于4000m，測速精度達(dá)1m/s。

2007年，CTI公司推出了1.6μm的相干多普勒測風(fēng)雷達(dá)[22]，該激光雷達(dá)采用Er：YAG激光器，脈沖能量4mJ，重復(fù)頻率500Hz。

2008年美國利用CTI公司的1.6μmWTX-16激光頭研制了機(jī)載多普勒測風(fēng)雷達(dá)，對臺(tái)風(fēng)進(jìn)行了研究[22]。圖15為雷達(dá)實(shí)物及機(jī)載安裝圖。該激光雷達(dá)脈沖能量為1mJ，重復(fù)頻率為2000Hz，風(fēng)速測量精度小于1m/s，根據(jù)不同的氣溶膠條件作用距離可達(dá)3km～20km。

圖15 CTI公司的機(jī)載多普勒測風(fēng)雷達(dá)實(shí)物及機(jī)載安裝圖

日本的Mitsubishi Electric公司近年來也開展了1.5μm光纖多普勒雷達(dá)的研究[21]，2007年該小組研制了8.3μJ＠50kHz光纖脈沖激光器，完成了對20m/s的大氣風(fēng)場測量，其測量距離小于1km，測速精度達(dá)1m/s。

美國NASA的LaRC一直針對可用于全球三維風(fēng)場信息測量的星載測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行研究。早在1996年就報(bào)道了該雷達(dá)的大能量、高效率、高穩(wěn)定性[26]。它采用緊湊型的2μm激光雷達(dá)光源，發(fā)射機(jī)主要是側(cè)重于可以獲得大能量輸出的半導(dǎo)體側(cè)面泵浦的Tm，Ho共摻的單縱模激光器，并在LD泵浦2μm種子注入鎖定激光器方面做了大量研究工作。2010年，NASA搭建了相干激光雷達(dá)DOWN系統(tǒng)，采用兩級放大，脈沖輸出能量為250mJ，脈寬為200ns，重復(fù)頻率10Hz。LaRC將2μm測風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝在NASA DC-8試驗(yàn)飛機(jī)上，成功進(jìn)行了飛行測風(fēng)試驗(yàn)。2012年將在原有激光器基礎(chǔ)上，最終獲得脈沖能量400mJ、脈寬180ns、重復(fù)頻率10Hz的單縱模激光輸出。

3溫室氣體差分吸收激光雷達(dá)

差分吸收激光雷達(dá)結(jié)合了差分吸收探測技術(shù)和激光雷達(dá)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，利用待測氣體對不同激光波長的吸收系數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)對大氣中待測氣體濃度的三維探測，并且具有時(shí)空分辨率高、探測精度高等優(yōu)點(diǎn)。將對溫室氣體主要成分進(jìn)行探測的差分吸收激光雷達(dá)應(yīng)用于空間平臺(tái)，形成星載CO2探測激光雷達(dá)，可實(shí)現(xiàn)對全球范圍內(nèi)CO2濃度和分布的探測，為天氣和氣候的形成和變化提供數(shù)據(jù)依據(jù)，對災(zāi)害性天氣和氣候進(jìn)行預(yù)報(bào)和分析，還可以促進(jìn)對氣候變化、全球碳循環(huán)的認(rèn)知和預(yù)測，從而更好地改善地球環(huán)境。

目前星載差分吸收激光雷達(dá)是一個(gè)重要的研究方向。在NASA的火星大氣探測方案中，計(jì)劃采用諧振泵浦Er：YAG激光器同時(shí)完成火星大氣風(fēng)場、大氣CO2含量以及火星大氣氣溶膠的探測[27]。美國NASA計(jì)劃于2013年～2016年發(fā)射二氧化碳探測激光雷達(dá)衛(wèi)星ASCENDS，主載荷CO2激光雷達(dá)參數(shù)指標(biāo)為：激光脈沖能量24μJ，重復(fù)頻率10kHz，脈寬10μs，激光波長1572.33nm，望遠(yuǎn)鏡直徑20cm。

2010年日本NICT成功使用Ho：Tm：YLF激光器測量到25km范圍內(nèi)的大氣CO2含量，并計(jì)劃將該激光雷達(dá)用于國際空間站(International Space Station)，展開針對地球大氣的探測研究[21]。該激光器激光波長為2.05μm，脈沖能量為80mJ，重復(fù)頻率30Hz，脈寬150ns，on-line波長2051.004～2051.060nm，off-line波長為2051.250nm。

在ESA的地球大氣探測計(jì)劃中，將分別于2014年和2017年發(fā)射MERLIN和A-SCOPE衛(wèi)星用于探測地球大氣CH4和CO2含量[28]。MERLIN衛(wèi)星使用Nd：YAG激光器經(jīng)OPO產(chǎn)生波長1.645μm激光，用于探測大氣CH4含量。其脈沖能量為9mJ，重復(fù)頻率50Hz，脈寬130ns，光束發(fā)散角0.27mrad(FWHM)，online波長為1645.552nm，off-line波長為1645.846nm。

SCOPE則分別使用1.57μm的OPO和2.05μm的Ho：YAG兩臺(tái)激光器同時(shí)對大氣CO2進(jìn)行測量[29]。1.57μm激光脈沖能量則為50mJ，重復(fù)頻率50Hz，望遠(yuǎn)鏡直徑1m。2.05μm激光脈沖能量55mJ，重復(fù)頻率50Hz，望遠(yuǎn)鏡直徑為1.2m。圖16給出了國外溫室氣體差分吸收激光雷達(dá)CO2探測結(jié)果。

圖16 國外溫室氣體差分吸收激光雷達(dá)CO2探測結(jié)果

2.1.2 陸地、海洋探測激光雷達(dá)

1海洋探測激光雷達(dá)

國外自上世紀(jì)六十年代開始研制激光雷達(dá)水深測量系統(tǒng)，經(jīng)過四十多年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家機(jī)載激光雷達(dá)海洋探測系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用階段。其中具有代表性的有：加拿大Optech公司為美國海軍研制的SHOALS機(jī)載水文勘測系統(tǒng)[30]、美國Kaman宇航公司的魚眼(FishEye)和魔燈(Magiclantern)[31，32]、加拿大Optech公司研制的ALARMS機(jī)載水雷探測系統(tǒng)[33]、澳大利亞的LADS機(jī)載海底地貌測繪系統(tǒng)[34]以及加拿大Optech公司為瑞典水文探測部門和瑞典海軍研制的HAWK EYE機(jī)載水文勘測系統(tǒng)等[35～37]。前蘇聯(lián)開展海洋探測激光雷達(dá)研究的時(shí)間也比較早，1984年就報(bào)道探測到100m的海底；1986年進(jìn)行了Chaika系統(tǒng)的試驗(yàn)研究；1988年研制成功Chaika -2機(jī)載激光雷達(dá)；1991年研制成功GOI系統(tǒng)[38]。

ALARMS(Airborne Laser Radar Mine Sensor)系統(tǒng)是加拿大Optech公司、美國Northrop公司開發(fā)的藍(lán)綠激光機(jī)載探雷系統(tǒng)[33]，其原型機(jī)在加利福尼亞海岸進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)，被認(rèn)為大大提高了海軍探測水雷的能力。另外，經(jīng)過1987年兩伊戰(zhàn)爭，以及1991年波斯灣戰(zhàn)爭的實(shí)際戰(zhàn)爭驗(yàn)證，Magic Lantern系統(tǒng)有效地進(jìn)行了水雷探測，在水雷戰(zhàn)爭中扮演了重要的角色。艦隊(duì)司令Capt.Kelly提出，激光水雷探測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，它能在聲探測系統(tǒng)失效的區(qū)域很好運(yùn)行。系泊水雷靠近海岸或在淺海里，由于海水移動(dòng)，也許包含海浪，產(chǎn)生的噪聲可能掩蓋了聲納探測器信號，而光電探測系統(tǒng)在小于20m深度內(nèi)，不受這種噪聲的影響。

SHOALS(Scanned Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey)系統(tǒng)，先后經(jīng)過二十余年的發(fā)展，是目前世界上最為先進(jìn)的激光雷達(dá)海洋探測系統(tǒng)[30]。它具有先進(jìn)的GPS定位和定高功能，目前最新一代系統(tǒng)采用重復(fù)頻率為1kHz和10kHz的Nd：YAG激光器，采用綠光和紅光共線掃描方式，具有獨(dú)立的紅外和拉曼通道，有5個(gè)接收通道，3個(gè)用于探測海水界面，2個(gè)用于探測海底，增加的647nm拉曼后向散射通道進(jìn)行海面檢測以及海面、陸地的區(qū)分。該系統(tǒng)出色地完成了五十多個(gè)課題的海洋探測任務(wù)，其中包括佛羅里達(dá)新航道賓夕法尼亞的普利切島和墨西哥育卡灘海域的探測任務(wù)；它還與超光譜探測設(shè)備進(jìn)行復(fù)合，成功探測并識(shí)別到了海底沙子、珊瑚、泥漿、不同的水藻等物質(zhì)，更加說明了SHOALS系統(tǒng)的探測能力優(yōu)于傳統(tǒng)探測方法。圖17為SHOALS系統(tǒng)目前最新的CZMIL激光雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)。

圖17 SHOALS系統(tǒng)目前最新的CZMIL激光雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)圖

我國自上世紀(jì)八十年代開始進(jìn)行機(jī)載激光雷達(dá)的研制[39]，而將機(jī)載激光雷達(dá)應(yīng)用于海洋探測相對發(fā)達(dá)國家更為滯后。針對海洋探測目前仍缺乏可以實(shí)用的機(jī)載激光雷達(dá)海洋探測系統(tǒng)，無論是海底地貌測繪，獲得海圖；還是水下目標(biāo)探測，例如失事船、障礙物、水雷和潛艇探測等，激光雷達(dá)海洋探測系統(tǒng)的開發(fā)研制都是十分必要而迫切的。華中科技大學(xué)等科研單位開展了機(jī)載激光雷達(dá)海洋探測系統(tǒng)的初期研究，西安光機(jī)所、長春光機(jī)所、北京理工大學(xué)、華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、北京遙測技術(shù)研究所等單位均對水下成像系統(tǒng)進(jìn)行了研究，正逐步拉近與國際技術(shù)的差距[40]。

2陸地地形、森林探測激光雷達(dá)

資源載荷一直以被動(dòng)光學(xué)成像載荷為主，后發(fā)展為微波SAR成像，2003年美國發(fā)射了攜帶GLAS(地球科學(xué)激光高度系統(tǒng))的ICESAT衛(wèi)星，開始了星載激光雷達(dá)地球三維成像新時(shí)代[41]。GLAS激光雷達(dá)采用1064nm和532nm兩個(gè)波長，主要用來探測陸地和冰層輪廓圖、云和大氣屬性以及云層高度和厚度。美國即將于2016年發(fā)射第二代ICESAT衛(wèi)星，即ICESAT2[42]，它采用532nm波長的多波束微脈沖激光雷達(dá)ATLAS。另外NASA還計(jì)劃了專門用于森林覆蓋測量的VCL激光雷達(dá)衛(wèi)星和全球地形高分辨測量的LIST激光雷達(dá)衛(wèi)星[43]。國外典型的星載地球三維成像激光雷達(dá)產(chǎn)品的技術(shù)現(xiàn)狀如表3所示。

表3 國外典型星載地球三維成像激光雷達(dá)[44]

續(xù)表

我國中科院上海技術(shù)物理所和上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制了月球探測衛(wèi)星“嫦娥一號”和“嫦娥二號”[45，46]，激光高度計(jì)是這兩顆衛(wèi)星的主要有效載荷之一，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星星下點(diǎn)月表地形高度數(shù)據(jù)獲取，為月球表面三維影像的獲取提供服務(wù)。通過星上激光高度計(jì)測量衛(wèi)星到星下點(diǎn)月球表面的距離，為光學(xué)成像探測系統(tǒng)的立體成圖提供修正參數(shù)；并通過地面應(yīng)用系統(tǒng)將距離數(shù)據(jù)與衛(wèi)星軌道參數(shù)、地月坐標(biāo)關(guān)系進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)處理，獲得衛(wèi)星星下點(diǎn)月表地形高度數(shù)據(jù)，取得了較好的應(yīng)用效果。

2.2 空中交會(huì)對接

上世紀(jì)七十年代美國已經(jīng)在進(jìn)行激光交會(huì)雷達(dá)和光學(xué)敏感器等自主交會(huì)對接測量設(shè)備的研制[47]。前蘇聯(lián)交會(huì)對接測量系統(tǒng)基本上采用無線電測量設(shè)備——微波雷達(dá)，有時(shí)也采用閉路電視系統(tǒng)，能在屏幕上給出前方飛行器沿滾動(dòng)軸的方向圖像。為使對接系統(tǒng)更加完善，并且具有更高技術(shù)性能，前蘇聯(lián)也將激光技術(shù)用于空間交會(huì)對接，重點(diǎn)發(fā)展激光交會(huì)雷達(dá)。歐洲空間局雖至今尚未實(shí)現(xiàn)在軌交會(huì)對接，但自上世紀(jì)八十年代初就開始研究自主交會(huì)對接測量技術(shù)和敏感器，其中中短程采用激光雷達(dá)，目前也正在研制激光交會(huì)雷達(dá)。上世紀(jì)八十年代后期日本也開始研制交會(huì)對接測量系統(tǒng)和敏感器，主要是掃描式激光雷達(dá)。1997年日本發(fā)射衛(wèi)星交會(huì)試驗(yàn)系統(tǒng)ETS-Ⅶ，它主要有三個(gè)傳感器：一個(gè)為GPS；一個(gè)為近紅外激光雷達(dá)；一個(gè)是交會(huì)傳感器[21]。激光雷達(dá)作用距離在0.3m～660m，采用激光二極管，波長為810nm，輸出功率為50mW?？梢娢⒉ɡ走_(dá)作為遠(yuǎn)距離交會(huì)測量手段比較適合，而在中近距離上采用激光交會(huì)雷達(dá)則性能更優(yōu)。

由于近期激光技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，采用大功率半導(dǎo)體激光器和改進(jìn)掃描機(jī)構(gòu)性能，提高跟蹤精度以及在目標(biāo)飛行器上設(shè)置協(xié)作目標(biāo)，從而使復(fù)合式激光雷達(dá)作為交會(huì)對接全過程的測量敏感器成為了可能。目前這些敏感器大部分還在試驗(yàn)和研制階段。表4給出了上世紀(jì)八十年代以來交會(huì)對接激光雷達(dá)敏感器一覽表。

表4 上世紀(jì)八十年代以來交會(huì)對接激光雷達(dá)敏感器一覽表[48]

續(xù)表

空間目標(biāo)成像探測與航天器著陸導(dǎo)航：

①VTT成像激光雷達(dá)

日本VTT電子公司1999年從歐洲航天局獲得了一份成像激光雷達(dá)研制合同，研制用于行星表面導(dǎo)航與避障的成像激光雷達(dá)[49]。該激光雷達(dá)作用距離為100m，采用激光二極管，波長905nm，峰值功率150W，脈寬10ns，脈沖重復(fù)頻率500Hz，幀速率為1Hz，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)口徑13mm，接收光學(xué)系統(tǒng)口徑25mm，距離分辨率5cm(10m內(nèi)2cm)，重量8.6kg，功耗15.6W。

②火星著陸器激光雷達(dá)LAPS

2004年，加拿大Optech公司和MD Robotics公司為火星探測開發(fā)了一種用于行星自動(dòng)著陸的激光雷達(dá)(LAPS)[52]。LAPS工作于有動(dòng)力降落階段，它具有為著陸器提供自主危險(xiǎn)探測和導(dǎo)航的能力。

③XSS-11激光雷達(dá)SSLS

XSS-11是美國的一個(gè)小衛(wèi)星演示項(xiàng)目，旨在試驗(yàn)空間目標(biāo)的探測、跟蹤和檢查[51]。XSS-11小衛(wèi)星于2004年7月發(fā)射，在軌使用壽命為1年。XSS-11攜帶有被動(dòng)式和主動(dòng)式傳感器，其中主動(dòng)式傳感器為MD Robotics公司和Optech公司聯(lián)合研制的掃描型激光雷達(dá)(SSLS)。2006年，美國的DC-X計(jì)劃已將SSLS激光雷達(dá)應(yīng)用于自動(dòng)導(dǎo)航著陸原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)。

④LDRI激光雷達(dá)

LDRI是美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室采用傳統(tǒng)的相位法測距研制的非掃描激光成像雷達(dá)，已于2005年應(yīng)用于航天飛機(jī)表面探傷及國際空間站三維成像[49]。

⑤Flash激光雷達(dá)

2007年12月，美國NASA公開發(fā)布了自動(dòng)登陸和危險(xiǎn)回避項(xiàng)目(ALHAT)的激光雷達(dá)招標(biāo)文件，旨在招標(biāo)研制用于月球登陸軟著陸器的激光雷達(dá)[50]。該文件對美國下一步應(yīng)用于月球著陸的激光雷達(dá)指標(biāo)提出了一些初步要求。由于降落過程時(shí)間短，因而要求激光雷達(dá)足夠快，希望數(shù)據(jù)更新率能達(dá)到30Hz，采用Flash激光雷達(dá)體制。

國內(nèi)中國電子科技集團(tuán)11所也進(jìn)行了空間交會(huì)對接相關(guān)工作[50]。

2.3 軍事應(yīng)用

激光雷達(dá)在軍事上也有重要的應(yīng)用，以下僅列舉幾種典型應(yīng)用。

2.3.1 偵察用成像激光雷達(dá)

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)[50]，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。

美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提出，現(xiàn)有手持?jǐn)z影裝置不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)場的要求，需要一種新型手持成像設(shè)備，不僅能提供及時(shí)處理的影像，而且能提供定量信息。這種設(shè)備必須能由一名海軍陸戰(zhàn)隊(duì)隊(duì)員攜帶，重量在2.3～3.2kg之間，能安裝在三腳架上；系統(tǒng)必須能自聚焦，能在低光照條件下工作；采集的影像必須足夠清晰，能分辨遠(yuǎn)距離的車輛和近距離的人員，而且可先由使用者觀看，然后在海軍陸戰(zhàn)隊(duì)空-地特遣部隊(duì)中分發(fā)。具體的性能要求是視場15×15mrad，影像分辨率0.15mrad，作用距離1km，距離分辨率15m，拍攝時(shí)間1/3s。根據(jù)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的要求，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[49]。一種是無掃描器的系統(tǒng)，使用閃光燈泵浦Q開關(guān)Nd：YAG激光器、數(shù)字CCD攝像機(jī)和調(diào)制像增強(qiáng)器。另一種是掃描型系統(tǒng)，采用二極管泵浦固體激光器、32元雪崩光電二極管、纖維光學(xué)中繼系統(tǒng)和二元光學(xué)掃描器。據(jù)稱兩種方案都能滿足要求。

2.3.2 障礙回避激光雷達(dá)

許多國家正在研制直升機(jī)用的障礙回避激光雷達(dá)[53，54]。美國羅斯洛普·格魯曼公司與陸軍通信電子司令部夜視和電子傳感器局聯(lián)合研制直升機(jī)超低空飛行用的障礙回避系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用半導(dǎo)體激光發(fā)射機(jī)和旋轉(zhuǎn)全息掃描器，探測直升機(jī)前很寬的范圍，可將障礙信息顯示在平視顯示器或頭盔顯示器上。該激光雷達(dá)系統(tǒng)已在兩種直升機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。

在美國陸軍夜視和電子傳感器處的指導(dǎo)下，作為陸軍直升機(jī)障礙回避系統(tǒng)計(jì)劃的一部分，F(xiàn)ibertek公司研制了直升機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)，用于探測電話線、動(dòng)力線之類的障礙。該激光雷達(dá)由傳感器吊艙和電子裝置組成，使用二極管泵浦1.54μm固體激光器。吊艙中安裝激光發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、掃描器和支持系統(tǒng)。電子裝置由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)和視頻記錄器、定時(shí)電子系統(tǒng)、功率調(diào)節(jié)器、制冷系統(tǒng)和控制面板組成。該激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝在UH-1H直升機(jī)上。

德國戴姆勒-奔馳宇航公司按照聯(lián)邦防衛(wèi)技術(shù)合同，研制了Hellas障礙探測激光雷達(dá)。該激光雷達(dá)是1.54μm成像激光雷達(dá)，視場為32o，能探測距離300～500m、直徑1cm以上的電線和其他障礙物(取決于角度和能見度)。1999年1月德國聯(lián)邦邊防軍為新型EC-135和EC-155直升機(jī)訂購了25部Hellas障礙探測激光雷達(dá)。

德國達(dá)索電子技術(shù)(dassault Electronique)公司和英國馬可尼公司聯(lián)合研制了Clara激光雷達(dá)。這種吊艙載激光雷達(dá)采用CO2激光器，能探測標(biāo)桿和電纜之類的障礙，并具有地形跟蹤、目標(biāo)測距和指示、活動(dòng)目標(biāo)指示功能，可用于飛機(jī)和直升機(jī)。

德國達(dá)索電子技術(shù)公司、蔡司光電公司和英國GEC—馬可尼航空電子公司、馬可尼SpA公司聯(lián)合研制的Eloise CO2激光雷達(dá)，是另一種直升機(jī)載障礙報(bào)警系統(tǒng)，可提前10s提供前方有5mm電纜的報(bào)警，使直升機(jī)能在惡劣氣候條件下作戰(zhàn)飛行。

馬可尼SpA公司還提供自行研制的Loam障礙回避系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用人眼安全激光技術(shù)，探測電線、樹木、桅桿等障礙。飛行員接收視覺和聲音報(bào)警，顯示器顯示障礙的形狀、位置、方位和距離。

2.3.3 化學(xué)/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達(dá)

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)/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。美國國防部認(rèn)為，需要能在戰(zhàn)場上使用的、快速響應(yīng)的、靈敏的監(jiān)視系統(tǒng)，以盡快提供化學(xué)/生物威脅的報(bào)警。這種系統(tǒng)不同于防空和反潛警戒系統(tǒng)，必須具有搜索、探測、識(shí)別、定量化、監(jiān)測和診斷等功能。激光雷達(dá)可用于化學(xué)/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(shí)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?；瘜W(xué)/生物戰(zhàn)劑探測激光雷達(dá)采用的激光器主要是CO2激光器和Nd：YAG激光器[53]。

2.3.4 水下探測激光雷達(dá)

激光雷達(dá)具有足夠的空間分辨率來分辨目標(biāo)的尺寸和形狀，因而是一種有效的探測水下目標(biāo)并進(jìn)行分類的工具。1988年美國“羅伯茨”號護(hù)衛(wèi)艦在阿拉伯灣幾乎被廉價(jià)的水雷擊沉。此后Kaman宇航公司研制了“魔燈”水雷探測激光雷達(dá)[55]。該激光雷達(dá)使用藍(lán)-綠激光器、靈敏的電子選通像增強(qiáng)攝像機(jī)和精確脈沖定時(shí)發(fā)生器。機(jī)載激光器向海面發(fā)射激光脈沖，掃描水雷。同時(shí)，脈沖定時(shí)發(fā)生器控制攝像機(jī)快門，僅接收特定深度反射的激光能量。在這個(gè)深度的目標(biāo)反射激光而被顯現(xiàn)。影像通過數(shù)據(jù)鏈路傳送給艦船?！澳簟奔す饫走_(dá)可以在海面以上120～460m高度工作，名義工作高度460m，但低空飛行時(shí)分辨率和信噪比較高，致使視場有限。其探測深度最初定為12～61m的淺水區(qū)，但根據(jù)初步作戰(zhàn)評估和不斷的研究，調(diào)整為包括3～12m的極淺水區(qū)和深度不足3m的沖浪區(qū)?！澳簟奔す饫走_(dá)不僅可以自動(dòng)探測水中目標(biāo)，而且可以實(shí)施目標(biāo)分類和定位。1988年的樣機(jī)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以迅速探測錨雷，并定位。

海灣戰(zhàn)爭期間，美國軍艦“特里波利”號和“普林斯頓”號被水雷毀傷，使人們將注意力集中到采用新技術(shù)的水雷對抗手段上。部署到該地區(qū)的“魔燈”水雷探測激光雷達(dá)初樣機(jī)成功地發(fā)現(xiàn)了水雷和水雷錨鏈。1996年美國海軍將第一個(gè)“魔燈”系統(tǒng)部署到海軍航空兵HSL-94預(yù)備役中隊(duì)。目前，該中隊(duì)有三套“魔燈”系統(tǒng)供SH-2G“超海妖”直升機(jī)使用?！澳簟奔す饫走_(dá)仍屬于應(yīng)急性系統(tǒng)，美國海軍計(jì)劃最終用機(jī)載激光水雷探測系統(tǒng)取而代之。機(jī)載水雷探測系統(tǒng)在2005年前后開始研制，最終安裝在H-60直升機(jī)上。

2.3.5 空間監(jiān)視激光雷達(dá)

美國空軍在毛伊島空間監(jiān)視站利用激光雷達(dá)的精密跟蹤和高分辨率成像能力，進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測、跟蹤和成像，核查軌道上的衛(wèi)星。安裝在毛伊島的高性能CO2激光雷達(dá)監(jiān)視傳感器系統(tǒng)(也稱為“野外激光雷達(dá)演示”系統(tǒng))，是一臺(tái)高功率、寬帶、相干激光雷達(dá)[53]。該激光雷達(dá)是按照一項(xiàng)分四個(gè)階段的計(jì)劃研制的。第一階段建造了實(shí)驗(yàn)室硬件，在毛伊島組裝了綜合激光雷達(dá)系統(tǒng)，使用緊湊的脈沖相干CO2振蕩器、外差接收器、信號記錄器與0.6m激光束定向器耦合，演示了衛(wèi)星捕獲、照明、回波信號探測和信號記錄。然后，通過脫機(jī)處理，從回波信號中提取距離和距離速率數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了距離-振幅成像。隨后的第二階段，研制了改進(jìn)的振蕩器、接收器、處理器和光束定向器，并將其組合成最終的系統(tǒng)，使系統(tǒng)能力達(dá)到在30Hz時(shí)輸出能量12J。第三階段在發(fā)射機(jī)上增加了功率放大器(最后一個(gè)主要部件)，使系統(tǒng)能力達(dá)到30Hz時(shí)激光輸出能量30J。在第四階段，系統(tǒng)可以提供高精度位置和速度跟蹤，并打算最終測量非美國的航天器的尺寸、形狀和取向。按照計(jì)劃，這臺(tái)激光雷達(dá)將能進(jìn)行高精度位置和速度跟蹤，并提供尺寸、形狀和方位信息。

北京遙測技術(shù)研究所也開展了軍用激光雷達(dá)的研究工作，包括天基激光告警激光雷達(dá)、海島監(jiān)視激光雷達(dá)和船載無人機(jī)激光雷達(dá)。天基激光告警激光雷達(dá)用于地基激光武器對衛(wèi)星攻擊的告警，保護(hù)己方的衛(wèi)星安全。海島監(jiān)視激光雷達(dá)主要用于海上態(tài)勢感知和海島的安全防護(hù)。船載無人機(jī)激光雷達(dá)主要用于對遠(yuǎn)海目標(biāo)的持續(xù)遠(yuǎn)距離監(jiān)視。

3 激光雷達(dá)的發(fā)展趨勢

總結(jié)國際上激光雷達(dá)的發(fā)展足跡和歷程，歸納、提煉出以下激光遙感技術(shù)發(fā)展趨勢：

①地基-機(jī)載-星載激光雷達(dá)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)載荷平臺(tái)一體化

建設(shè)地面監(jiān)測—航空測量—衛(wèi)星遙感的天空地載荷一體化監(jiān)測系統(tǒng)。利用地基激光雷達(dá)構(gòu)建地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)合機(jī)載激光雷達(dá)和星載激光雷達(dá)構(gòu)建空基測量系統(tǒng)和衛(wèi)星遙感系統(tǒng)，利用空中和衛(wèi)星平臺(tái)有效范圍覆蓋大的特點(diǎn)，提升大尺度監(jiān)測能力，精確測量被測目標(biāo)的全方位連續(xù)實(shí)時(shí)立體化信息。

②多種遙感方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)復(fù)合探測

激光主動(dòng)遙感與微波遙感、紅外遙感之間相比各有優(yōu)勢，微波波束的發(fā)散角大，激光發(fā)散角小，因此，激光的精度和角分辨率高，而微波的搜索能力強(qiáng)；微波雷達(dá)對電磁干擾敏感，在探測地空目標(biāo)時(shí)，回波信號可能被地面的雜波所淹沒，而激光雷達(dá)抗電磁干擾能力強(qiáng)，它們之間存在著互補(bǔ)性。激光高度計(jì)就可以和微波SAR合在一起使用；未來的預(yù)警系統(tǒng)傾向于激光主動(dòng)遙感和紅外系統(tǒng)組合使用，先用紅外系統(tǒng)大面積搜索，一旦發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)則通知激光雷達(dá)跟蹤、測速、測距，如夜晚沒有光源照明，熱紅外成像不能將目標(biāo)和環(huán)境區(qū)分開來，如果和激光主動(dòng)遙感相配合則可以很好地解決這一問題。

③單臺(tái)遙感設(shè)備功能綜合化

激光雷達(dá)單臺(tái)設(shè)備只測一個(gè)參數(shù)的情況在將來會(huì)越來越少，往往是共用光源與光學(xué)系統(tǒng)，盡量從散射和反射回波中獲得更多信息，形成帶有一定綜合性的遙感設(shè)備。2001年發(fā)射的ICESAT衛(wèi)星上的GLAS激光雷達(dá)，是NASA為測量海冰而設(shè)計(jì)的主動(dòng)傳感器，主要測量兩極地區(qū)的冰層，建立高精度的陸地?cái)?shù)字高程，同時(shí)獲得全球尺度的云和氣溶膠的垂直剖面，還能進(jìn)行海表和海洋次表層測量。設(shè)想中的導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)，激光雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的同時(shí)，不斷測距和多普勒測速；2005年德國科學(xué)家Andreas等提出了四維綜合性激光大氣雷達(dá)，同時(shí)用Mie散射測氣溶膠、Raman散射測溫度以及差分吸收測水汽。

④新型激光器、探測器走向應(yīng)用

激光遙感技術(shù)的重點(diǎn)突破關(guān)鍵技術(shù)有：激光器、探測器及探測數(shù)據(jù)處理技術(shù)和反演及其應(yīng)用。激光器是激光遙感技術(shù)的核心及關(guān)鍵技術(shù)。按激光雷達(dá)所需激光器來劃分，可以分為兩類激光器，即波長為1μm的Nd：YAG激光器和人眼安全波長1.6μm和2μm的激光器。這兩類激光波長可為執(zhí)行地球科學(xué)探測任務(wù)、軍民兩用的化學(xué)和生物戰(zhàn)劑探測提供所需的主波長。由于激光器性能的提高需要更高的成本，因此目前更多地寄希望于探測器和探測數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展。改進(jìn)探測器的性能成為當(dāng)務(wù)之急，目前光量子產(chǎn)額約為2%，而對于光子計(jì)數(shù)而言，光量子產(chǎn)額需要達(dá)到30%～50%。激光雷達(dá)接收到的回波信息并不能直接體現(xiàn)出被測目標(biāo)的一些特征信息，需要通過數(shù)據(jù)反演才能得到我們所需的目標(biāo)信息參數(shù)。因而激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)反演一直是國內(nèi)外研究的一個(gè)重要課題。

4 啟示與建議

通過上述分析，獲得以下幾點(diǎn)啟示和建議：

①前瞻部署激光遙感技術(shù)開發(fā)重點(diǎn)方向

NASA及ESA均將激光雷達(dá)技術(shù)作為未來行星探索任務(wù)的使能技術(shù)之一，尤其是可實(shí)現(xiàn)“距離成像”的三維成像激光雷達(dá)技術(shù)，將在行星表面輔助著陸和交會(huì)對接、自主導(dǎo)航等應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。重點(diǎn)開發(fā)技術(shù)有：用于超高分辨率成像和三維測距的合成孔徑成像激光雷達(dá)技術(shù)。建議我國相關(guān)機(jī)構(gòu)面向未來任務(wù)需求，前瞻部署激光雷達(dá)技術(shù)的研究與開發(fā)，為我國的深空探索任務(wù)做好準(zhǔn)備。

②擴(kuò)展激光遙感技術(shù)在我國的應(yīng)用領(lǐng)域

2009年以來，我國激光雷達(dá)研究論文數(shù)超過德國和法國位居世界第二，但研究重心仍主要停留在光學(xué)基礎(chǔ)研究及器件和系統(tǒng)開發(fā)上，除氣象與大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)兩個(gè)領(lǐng)域外，其他應(yīng)用領(lǐng)域的高水平研究成果還不突出。而國際上，激光雷達(dá)技術(shù)在對地觀測及遙感中的應(yīng)用已全面展開，從氣象和大氣科學(xué)到地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)與地球物理學(xué)，乃至林學(xué)和水資源等眾多學(xué)科領(lǐng)域遍地開花。建議我國機(jī)構(gòu)充分利用激光雷達(dá)這一技術(shù)手段，在繼續(xù)加強(qiáng)其在氣象和大氣科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、遙感等領(lǐng)域應(yīng)用的同時(shí)，積極拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域，如天文學(xué)與天體物理學(xué)、海洋科學(xué)等，推動(dòng)我國相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。

③建立產(chǎn)學(xué)研用合作發(fā)展模式

建立國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研用合作發(fā)展模式，加強(qiáng)與國內(nèi)相關(guān)高校的合作，了解最前沿的學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，時(shí)刻跟蹤最新技術(shù)；加強(qiáng)與用戶的交流溝通，了解用戶所需所想，進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)品，滿足用戶的實(shí)際需求。

④搭建國際合作平臺(tái)，快速突破關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展

為了加快我國激光遙感系統(tǒng)的研制進(jìn)程，可以采用資助研發(fā)和國際引進(jìn)相結(jié)合的模式，搭建國際合作平臺(tái)，借鑒在激光遙感領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位并與我國有著良好合作伙伴關(guān)系國家的先進(jìn)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，快速取得關(guān)鍵技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，形成實(shí)用化的激光遙感產(chǎn)品。

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Application and Development Direction of Lidar

Zhao Yiming， Li Yanhua， Shang Yanan， Li Jing， Yu Yong， Li Lianghai

Compared with the traditional radar，lidar with high measurement precision，fine time and spatial resolution，and largemeasurement range becomes an important active remote sensing tool.Lidar can not only used for precise rangemeasurement，but also accurately measure the angle and realize precise tracking，and in the civilian and military fields it has broad application prospects.

This paper beginswith a brief review of the development process of generating a lidar technology，introduces the concept of lidar system components and analyzes the status and technologies at home and abroad about the atmospheric lidar，land and sea detecting lidar in the field of Earth Science and Applications，air rendezvous docking areas laser technology，and military applications of vestigation imaging lidar，lidar obstacle avoidance，chemical/biological warfare agent detection lidar，underwater detection lidar，and lidar air surveillance.Finally，the development trend and importance of lidar are summarized，and some suggestions are put forward.

Lidar； Application； Development direction

TN957.51

A

CN11-1780(2014)05-0004-19

趙一鳴 1983年生，博士，高級工程師，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)總體設(shè)計(jì)。

李艷華 1963年生，研究員，主要研究方向?yàn)楹教鞙y控通信與飛行器測控設(shè)計(jì)。

商雅楠 1984年生，工程師，主要研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

李 靜 1985年生，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榧す馄髟O(shè)計(jì)。

于 勇 1971年生，博士，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)制導(dǎo)及雷達(dá)系統(tǒng)。

李涼海 1965年生，研究員，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2014-06-24