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八一建军节谈谈军用激光


激光雷达是一项正在迅速发展的高新技术,在军事部门具有广泛的用途,受到了各国军事部门的极大关注。国际导弹技术控制法明确指出:“激光雷达系统将激光用于回波测距、定向,并通过位置、径向速度及物体反射特性识别目标,体现了特殊的发射、扫描、接收和信号处理技术”,并把激光雷达作为限制扩散的军事技术之一。 
        激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光问世后的第二年,即1961年,科学家就提出了激光雷达的设想,并开展了研究工作。40年来,激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始,逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术,陆续开发出不同用途的激光雷达,使激光雷达成为一类具有多种功能的系统。
        激光雷达之所以受到关注,是因为其具有一系列独特的优点:具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、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。但是,激光雷达的技术难度很高,至今尚未成熟,而且在恶劣天气时性能下降,使其应用受到一定的限制。
        激光雷达仍是一项发展中的技术,有的激光雷达系统已经实用,但许多激光雷达系统仍在研制或探索之中。激光雷达类别可以从不同的角度来划分。若按用途和功能划分,则有精密跟踪激光雷达、制导激光雷达、火控激光雷达、气象激光雷达、侦毒激光雷达、水下激光雷达等;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。下面分别介绍军事部门大力发展的几类激光雷达。
        一、侦察用成像激光雷达
        激光雷达分辨率高,可以采集三维数据,如方位角-俯仰角-距离、距离-速度-强度,并将数据以图像的形式显示,获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等,有潜力成为重要的侦察手段。
        美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达,安装在高性能飞机和无人机上,在待侦察地区的上空以120~460m的高度飞行,用GaAs激光进行行扫描。获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上,或通过数据链路发送至地面站。
        1992年,美国海军执行了“辐射亡命徒”先期技术演示计划,演示用激光雷达远距离非合作识别空中和地面目标。该演示计划使用的CO2激光雷达由海军空战中心设计,组装在Pack Tack吊舱中。该激光雷达采用输出功率100W、光束发散度100mrad的CO2激光器和工作在3.8~4.5µm波段的 256(256焦平面凝视阵列。发射机和接收机共用一个孔径和分辨率4mrad的灵活的光束控制反射镜。该雷达在P-3C试验机上进行了飞行试验,可以利用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红外成像和三维激光雷达成像,识别目标。
        美国海军陆战队提出,现有手持摄影装置不能满足现代战场的要求,需要一种新型手持成像设备,不仅提供能及时处理的影像,而且能提供定量信息。据任务需求声明书说,这种设备必须能由一名海军陆战队队员携带,重量在2.3~3.2kg之间,能安装在三脚架上;系统必须能自聚焦,能在低光照条件下工作;采集的影像必须足够清晰,能分辨远距离的车辆和近距离的人员,而且可先由使用者观看,然后在海军陆战队空-地特遣部队中分发。具体的性能要求是视场15×15mrad,影像分辨率0.15mrad,作用距离1km,距离分辨率15m,拍摄时间1/3 s。根据海军陆战队的要求,桑迪亚国家实验室和Burns公司分别提出了手持激光雷达的设计方案。一种是无扫描器的系统,使用闪光灯泵浦Q开关Nd(YAG激光器、数字CCD摄像机和调制像增强器。另一种是扫描型系统,采用二极管泵浦固体激光器、32元雪崩光电二极管、纤维光学中继系统和二元光学扫描器。据称两种方案都能满足要求。
        二、障碍回避激光雷达
        许多国家在研制直升机用的障碍回避激光雷达。美国罗斯洛普・格鲁曼公司与陆军通信电子司令部夜视和电子传感器局联合研制直升机超低空飞行用的障碍回避系统。该系统使用半导体激光发射机和旋转全息扫描器,探测直升机前很宽的范围,可将障碍信息显示在平视显示器或头盔显示器上。该激光雷达系统已在两种直升机上进行了试验。
        在美国陆军夜视和电子传感器处的指导下,作为陆军直升机障碍回避系统计划的一部分,Fibertek公司研制了直升机激光雷达系统,用于探测电话线、动力线之类的障碍。该激光雷达由传感器吊舱和电子装置组成,是使用二极管泵浦1.54µm固体激光器。吊舱中安装激光发射机、接收机、扫描器和支持系统。电子装置由计算机、数据和视频记录器、定时电子系统、功率调节器、制冷系统和控制面板组成。该激光雷达系统安装在UH-1H直升机上。
        德国戴姆勒-奔驰宇航公司按照联邦防卫技术和采办办公室的合同,研制了Hellas障碍探测激光雷达。该激光雷达是1.54µm成像激光雷达,视场为32 o (32 o,能探测距离300~500m的、直径1cm以上的电线和其他障碍物(取决于角度和能见度)。1999年1月德国联邦边防军为新型EC-135和EC-155直升机订购25部Hellas障碍探测激光雷达。
        德国达索电子技术(dassault Electronique)公司和英国马可尼公司联合研制了Clara激光雷达。这种吊舱载激光雷达采用CO2激光器,能探测标杆和电缆之类障碍,并具有地形跟踪、目标测距和指示、活动目标指示功能,可用于飞机和直升机。
        德国达索电子技术公司、蔡司电光公司和英国 GEC-马可尼航空电子公司、马可尼SpA公司联合研制的Eloise CO2激光雷达,是另一种直升机载障碍报警系统,可提前10s提供前方有5mm电缆的报警,使直升机能在恶劣气候条件下作战飞行。
        马可尼SpA公司还提供自行研制的Loam障碍回避系统。该系统使用人眼安全激光技术,探测电线、树木、桅杆等障碍。飞行员接收视觉和声音报警,显示器显示障碍的形状、位置、方位和距离。
        三、大气监测激光雷达
        激光雷达通过测量大气中自然出现的少量颗粒的后向散射,可以检测风速、探测紊流、实时测量风场等。由于返回的后向散射辐射很微弱,因而大气监测激光雷达需要使用灵敏的接收器。
        在高空投掷炸弹和其它兵器时遇到的一个问题是,风干扰向下的弹道。美国空军尝试使用的主要办法是,利用增加的尾部装置进行惯性或GPS制导,修正飞行路线。但这增加了投掷的各种武器的成本。空军器材司令部正在进行的弹道风计划,采用了另一种方法,即利用机载激光雷达实时提供投掷区风场的信息,以便通过调整投掷点,来补偿风的影响。该计划的目标是,测量飞机和地面间的实时三维风场图,从而允许从3000m以上的高空精确地投掷。风场图按100m分层,速度精度在0.5m/s以内。空军赖特实验室委托相干技术公司研制激光雷达。第一台激光雷达采用闪光灯泵浦激光器,脉冲能量50mJ,脉冲重复频率7Hz,安装在C-141飞机上试验。第二台激光雷达采用二极管泵浦激光器,脉冲能量3.5mJ,脉冲重复频率200Hz,重913kg,体积3.26m3。第三台为人眼安全的Tm(YAG激光雷达。该激光雷达工作波长2021.84nm,激光脉冲能量12mJ,激光脉冲持续时间650ns,脉冲重复频率100Hz,重272kg,体积1.27m3。激光雷达由发射接收机、信号处理装置、环境控制装置、光学扫描器、惯性导航装置和电源组成,安装在C-130飞机的改装的油箱鼻锥内的支架上。扫描器使激光束沿椭圆形路线(20o×30 o)扫描。椭圆的中心的俯仰角可根据飞行条件控制在固定位置。该俯仰角的范围为-3 o~37 o。激光雷达与飞机航空电子系统、显示器、用户界面接口。1995年开始使用C-141飞机进行第一台激光雷达测风的飞行试验,随后C-130飞机上实验飞行第二和第三台激光雷达。据称,作战使用型激光雷达需要将硬件小型化,可使空投精度提高2倍以上。
        目前的飞机阵风缓和系统以安装在机身上的加速度计为基础,效能有限。有效的系统要求在飞机与紊流相遇前测量紊流。激光雷达探测紊流阵风的能力,可以为未来的军用和民用飞机提供更好的阵风缓和系统。美国航天局的“先进的飞行中测量用机载相干激光雷达”,正在探索这个概念。
        飞机后微爆风切变和尾流,给与其相遇的飞机造成危险。英国国防鉴定与研究局(DARA)的研究人员研制的激光雷达,能测量在飞机后微爆风切变和尾流速度。将这种激光雷达置于跑道上进行实时监测,就可以提高安全性,增加飞机的通过量。
        B-2“幽灵”轰炸机携带的激光雷达的与众不同的任务是,检测飞机后的空气,检查有无暴露这种隐形轰炸机的凝结尾流。该激光雷达驾驶员报警系统使用Ophir公司的低截获概率激光发射机和激光接收机,探测突然出现的凝结尾流,向乘员报警。
        四、制导激光雷达
        以非制冷二极管泵浦固体激光器为基础的工作波长1µm左右的激光雷达系统,可以提供以距离和强度为基础的高分辨率影像。激光雷达得到的影像不同于红外影像,允许使用比处理红外场景简单的算法实现自主目标捕获。因此,激光雷达寻的器可以为空-地武器提供自主精确制导手段。随着成本的降低,激光雷达寻的器还将用于短程消耗性弹药。
        美国陆军和空军开展了多项激光雷达制导技术的研究工作。按照国防部的“武器自动目标识别”科技目标,美国陆军正在试验将成像红外传感器自动目标识别用的图形识别算法用于激光雷达。目标是演示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。
        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。该寻的器能以100Hz的速率精确、自主地扫描,扫描宽度750m。一旦捕获到目标,扫描宽度就减小到100m,并开始攻击。该激光雷达寻的器的目标识别算法具有先进的特征提取功能,可以区分炮管、雷达盘型天线、战区弹道导弹等,在1997年的系留飞行试验中成功地识别出“飞毛腿”导弹型的目标。按照计划,改进的能力更强的激光雷达寻的器,将于1998年在有诱饵和遮蔽的条件下识别目标。为了解决激光雷达寻的器作用距离有限和缺少全天候能力的问题,赖特实验室又按照二极管激光器和探测器阵列发展计划,研制采用高功率二极管泵浦固体激光器和末脉冲探测技术的成像激光雷达。该激光雷达在静止试验中作用距离为10km,在系留飞行试验中作用距离为5km。
        美国空军研究实验室弹药处参与了适用于空-空和空-面弹药的激光雷达寻的器技术的研究和发展工作。目前正研究能得到距离和强度影像的高速二维探测器阵列。要求这些阵列的帧速大于30Hz,增益调制速率在兆赫量级。研究工作集中在电子轰击CCD(EBCCD)技术上。目标是制造以EBCCD为基础的像素数至少为256(256的阵列,以及获得使EBCCD能工作在1.0~2.5µm近红外波段的光电阴极材料。
        三维成像激光雷达最初采用光栅扫描和扫帚式扫描接收机,需要多个激光脉冲,才能组合成一帧完整的三维影像。平台/目标的运动和大气效应会引起三维影像抖动和撕裂,使影像处理复杂化。为此空军赖特实验室按照SBIR计划开发无扫描器激光雷达接收机技术,研制了625通道组件式并行接收机。该接收机能以1kHz的帧速产生高分辨率三维距离影像,有可能作为高性能低成本激光雷达寻的器的通用组件。桑迪亚国家实验室以主动泛光场照明器和像增强CCD摄像机为基础的无扫描器距离成像器,可用于先进常规弹药制导。
        使用激光雷达制导的唯一在役导弹,是通用动力公司的AGM-129A先进巡航导弹。这种隐形巡航导弹在大部分飞行期间依靠惯性中段制导,但末段使用激光雷达。
        弹药制导用的低成本小型激光雷达寻的器,一直受到美国军方的关注。美国陆军和空军通过高质量反器材子弹药技术演示计划、子弹药制导计划、低成本反装甲子弹药计划等一系列计划,发展子弹药制导用激光雷达。
        美国陆军的高质量反器材子弹药技术演示计划,正研制对轻型装甲进行经济有效的攻击所需的制导系统。主要目标是,演示能用于子弹药的小型激光雷达寻的器技术。为了有效地对付轻型装甲目标,要求多管火箭炮系统和陆军战术导弹系统这样的武器每发弹能击毁的目标比现有型号多5~10倍,因此需要携带更多的子弹药。为此,要求新型子弹药比目前的小,而且能准确地识别目标和杂乱回波。目前的激光雷达寻的器已经有了所需的基础自动目标识别技术,但直径约为200mm,而新型子弹药的直径将约为75mm。为了减小激光雷达寻的器的尺寸,将需要使用低成本无常平架扫描器的设计(如声光扫描器、相控阵扫描器或转楔扫描器)、在适当的地方使用衍射和全息光学系统、发展新的将探测器与脉冲捕获电子系统集成的方法。
        美国陆军研究实验室集中于低空、近距离应用的低成本、高距离分辨率激光雷达。最初,军用激光雷达的研究曾集中于CO2激光器。CO2激光雷达虽能探测远距离目标,但对陆军应用来说,太大、太贵、太不可靠。因而目前的研究工作大多集中于采用二极管泵浦激光器的激光雷达。这种激光雷达作用距离可在1km以上,但成本高,也不能满足要求。陆军子弹药目标捕获、引信、遥控传感器等,需要用低成本、高距离分辨率激光雷达获得理想的三维影像。为此,陆军研究实验室将低成本连续波半导体激光器与现代调频雷达信号处理技术相结合,来获得便宜、结实、可靠的激光雷达系统。这种激光雷达用射频子载波调制发射的激光。目标反射光被光电二极管非相干探测,转变成电压波形。然后,这个波形与原调制波形无延迟采样混合。再对混频器的输出进行处理,去除自杂波。最后,利用离散傅立叶变换将无杂波波形进行相干处理,获得目标的振幅和距离。研制的实验室型激光雷达,采用工作波长830nm的30W GaAlAs 半导体激光器,获得的影像和距离响应表明,理论距离分辨率为0.25m。
        根据子弹药制导计划,美国空军赖特实验室研制了两类可供子弹药使用的激光雷达寻的器,即采用24元GaAs半导体激光器阵列的、有效作用距离200m激光雷达,和采用二极管泵浦Nd(YLF激光器的、有效作用距离2km的激光雷达。根据空军-陆军联合的低成本反装甲子弹药计划,赖特实验室还研制了采用二极管泵浦Nd(YVO4激光器的激光雷达寻的器,并实验证明了激光雷达的自主制导能力。据称,这种寻的器是经济可承受的,预计产量为1万个时生产成本为12000美元。
        空军提出的“灵巧小炸弹”将采用激光雷达制导。灵巧小炸弹是一种以外科手术式精度投放22.7kg(50磅)高爆炸药的113.4kg(250磅)炸弹,其毁伤效能类似于现有的精度较低的900kg(2000磅)侵彻武器,而且附带破坏的危险较小。按照空军-海军的联合DASSL计划,赖特实验室已经根据灵巧小炸弹的任务要求导出对激光雷达的要求和激光雷达寻的器的基本设计参数。
        洛克希德・马丁・沃尔特公司的低成本自主攻击系统,是攻击地面目标的小型有翼制导子导弹。这种陆军-空军联合发展的子导弹,采用以惯性/GPS装置和激光雷达寻的器为基础的制导系统,可以由AGM-130导弹、AGM-154导弹、多管火箭炮系统火箭弹、陆军战术导弹系统和SUU-64战术弹药撒布器投放。激光雷达寻的器能搜索370×900m的范围,形成目标的三维影像,分辨率为15cm,确保准确地识别目标。可能的目标包括坦克和其他装甲车辆、面-空导弹阵地和弹道导弹运输车/竖立/发射架。
        五、化学/生物战剂探测激光雷达
        化学/生物武器是一种大规模毁伤武器。面对不断扩散的化学/生物武器的威胁,许多国家正在采取措施,加强对这类武器的防御。美国国防部认为,需要能在战场上使用的、快速响应的、灵敏的监视系统,以尽快提供化学/生物威胁的报警。这种系统不同于防空和反潜警戒系统,必须具有搜索、探测、识别、定量化、监测和诊断等功能。激光雷达可用于化学/生物战剂的遥测。每种化学战剂仅吸收特定波长的激光,对其他波长的激光是透明的。被化学战剂污染的表面则反射不同波长的激光。化学战剂的这种特性,就允许利用激光雷达探测和识别之。激光雷达可以利用差分吸收、差分散射、弹性后向散射、感应荧光等原理,实现化学生物战剂的探测。化学/生物战剂探测激光雷达采用的激光器,主要是CO2激光器和Nd:YAG激光器。
        在CO2激光雷达方面,1988年法国和美国合作发展Mirela化学战剂激光探测系统,研制出过渡性硬件,在法国进行了试验,为进一步发展提供了数据。1994年美国国防部在考察了激光雷达在战场上探测化学战剂的作用后,为法国研制了以距离分辨双CO2激光器为基础的差分吸收激光雷达系统,并进行了野外试验。该系统利用可编程伺服马达驱动的扫描器完成半球扫描,采用高速直接探测接收机,可在1~2km的距离内探测化学蒸气羽烟,测绘羽烟的移动和扩散,获得了大约20m的距离分辨率。
        与此同时,美国还研制、试验了采用频率捷变CO2激光器和先进探测算法的激光雷达系统。按照“激光防区外化学探测器”研究计划,陆军埃奇伍德研究、工程和发展中心与休斯飞机公司合作研制出可调谐封离频率捷变CO2激光器。该激光器脉冲重复频率为200Hz,占空因数为40%,输入功率不到1kW,可在所有谱线上提供100mJ以上的能量。采用该激光器研制的两台激光雷达系统,采用25.4cm的孔径,以地形测绘模式工作,探测距离达10km。其中一台供与法国合作研究使用,另一台用于与空军菲利浦实验室、洛斯・阿拉莫斯国家实验室的机载激光雷达的合作研究。此后,又按照三军联合化学警戒和识别激光雷达计划,研制供固定设施和舰载应用的、可大面积侦察的激光雷达系统。该系统是使用差分吸收和差分散射激光雷达模式的距离分辨激光雷达,可扫描大气和地面,探测化学蒸气以及空中的液体和颗粒,使用脉冲重复频率100Hz、1J级的激光器和61cm的光学系统,以半球扫描模式,可在5~7km距离实现距离分辨。使用较高的脉冲能量和较大的光学系统时,作用距离可达20km。目前正制造和试验实验室型装置,开发不变背景识别算法和大面积侦察用的变背景算法。
        美国空军进行了机载远距离化学战剂探测研究,目标是发展作用距离50km以上的、以CO2激光器为基础的差分吸收激光雷达。第一阶段采用简单的直接探测法。发射接收机包括工作在9~11μm波段、输出能量4J、重复频率30Hz的波长捷变CO2激光器,35cm孔径望远镜,光学稳定平台,以及碲镉汞光伏探测器。发射接收机安装在具有红外发射窗口的KC-135飞机上,进行了一系列飞行试验,作用距离为20~50km。1997年开始的第二阶段,发展采用相干探测原理的激光雷达。该雷达采用同样的发射机,但增添了波长捷变本机振荡器,并用宽带探测器代替碲镉汞探测器。按照计划,应在1997年底开始飞行实验。
        美国能源部的“通过激光询问扩散物的化学分析”计划,最初的目标是探测核武器扩散,但随后扩展到包括探测化学和生物战剂,发展以激光为基础的遥测化学扩散物并确定其特性的系统。按照这项计划洛斯・阿拉莫斯国家实验室负责差分吸收激光雷达的开发,评估了高重频、低能脉冲激光稳定激光光斑的能力,进行了利用光谱遥感数据识别气体混合物化学成分的化学度量分析。
        德国Hungrian公司研制了VTB-1型遥测化学战剂传感器。该传感器使用两台可在9~11µm间大约40个频率上调节的连续波CO2激光器,利用差分吸收原理进行工作。
        在Nd:YAG激光雷达方面,美国洛斯・阿拉莫斯国家实验室按照远距离防区外生物战剂探测系统计划,建造了3个系统,以迅速形成临时性的生物战剂探测能力。该系统通过测量弹性后向散射,提供生物战剂气溶胶云的浓度、距离信息,并跟踪之。远距离防区外生物战剂探测系统,采用脉冲能量420mJ、脉冲重复频率20Hz的Nd:YAG激光器和具有48.3cm抛物面主镜和8.13cm副镜的卡塞格伦望远镜,用硅雪崩光电二极管探测回波能量,并在机上完成信号处理。整个系统重590kg,体积3m3,安装在UH-60直升机上。直升机垂直于风向飞行,激光雷达垂直扫描,可探测并跟踪最远达30 km的模拟线源生物气溶胶云。将来,远距离防区外生物战剂探测系统要安装在“环球隼”无人机这样的高空平台上,并利用新发展的转移电子增强光电二极管技术提高探测能力。
        按照短距离防区外生物探测系统计划,Fibertek公司制造了利用感应荧光测量原理的激光雷达系统。该激光雷达采用两台紫外激光器和一台红外激光器,能在310~445nm范围内探测,作用距离达3km。美国陆军化学和生物防御司令部已在野外进行了试验,以探讨性能和人体安全问题。为了支持这项计划,SRI国际公司制造了专用高分辨率分光计。该分光计采用能量为1~10mJ/脉冲、脉宽为3~8ns、束散小于1mrad、在220~345nm波长范围连续可调的紫外激励激光源,将双光栅Czerny-Turner单色仪和光电倍增管相结合,探测荧光,测量激光导致的气溶胶化生物战剂的荧光横截面。
        按照国防部高级研究计划局的研究合同,EOO公司正在研制紧凑的红外/紫外混合激光雷达系统。该系统利用二极管泵浦Nd:YAG激光器产生的1.064μm激光,进行弹性后向散射测量,探测生物战剂气溶胶云的位置、形状、大小,并利用多普勒探测边缘滤波技术确定风向和风速;通过将1.064μm红外激光4倍频成0.266μm的紫外激光,进行生物战剂气溶胶云感应荧光的探测。最终的目标是研制出战术无人机载激光雷达系统样机。预计样机重量34kg,体积0.0425m3,功率需求小于500W。目前设计的实验室型系统,打算测量气溶胶浓度的距离为5km,以1m/s的分辨率测量风场的距离为2km,测量荧光的距离为1km以上。该实验室型系统进行地面性能评估后,将再建造一个可供机载使用的实验室型装置,安装在“空中女王”飞机上测量布撒的气溶胶。该机载系统是足够结实和灵活的,在需要时可进一步最佳化。
        EOO公司还在按照国防部高级研究计划局的小型商业创新研究合同,研制高空化学-生物战剂探测系统。该系统是高空飞机携带的多功能成套传感器,将Nd:YAG激光雷达、10μm外差可调谐差分吸收激光雷达和频率调制-差分吸收激光雷达光谱仪的功能组合在一起,探测和识别浓度极低的短暂发射,用于监视化学-生物战威胁。频率调制-差分吸收激光雷达使用频率调制激光发射机和灵敏的射频探测技术。射频探测技术是将射频边带置于激光脉冲上,当欲探测的化学战剂产生边带的差分吸收时,造成以射频频率振幅调制激光脉冲,然后利用标准信号处理技术探测这个振幅调制,从而探测和分离出化学战剂的吸收谱线。实验已证明,实验室系统在进行点化学战剂探测时,能够以量子噪声极限运转。
        六、水下探测激光雷达
        激光雷达具有足够的空间分辨率,来分辨目标的尺寸和形状,因而是有效的探测水下目标并进行分类的工具。1988年美国“罗伯茨”号护卫舰在阿拉伯湾几乎被廉价的水雷击沉。此后Kaman 宇航公司研制了“魔灯”水雷探测激光雷达。该激光雷达使用蓝-绿激光器、灵敏的电子选通像增强摄像机和精确脉冲定时发生器。机载激光器向海面发射激光脉冲,扫描水雷。同时,脉冲定时发生器控制摄像机快门,仅接收特定深度反射的激光能量。在这个深度的目标反射激光而被显现。影像通过数据链路传送给舰船。“魔灯”激光雷达可以在海面以上120~460m高度工作,名义工作高度460m,但低空飞行时分辨率和信噪比较高,而视场有限。探测深度最初定为12~61m的浅水区,但根据初步作战评估和不断的研究,调整为包括3~12m的极浅水区和深度不足3m的冲浪区。“魔灯”激光雷达不仅可以自动探测水中目标,而且可以实施目标分类和定位。1988年的样机试验表明,该系统可以迅速探测锚雷,并定位。
        海湾战争期间,美国军舰“特里波利”号和“普林斯顿”号被水雷毁伤,使人们将注意力集中到采用新技术的水雷对抗手段上。部署到该地区的“魔灯”水雷探测激光雷达初样机成功地发现了水雷和水雷锚链。1996年美国海军将第一个“魔灯”系统部署到海军航空兵HSL-94预备役中队。目前,该中队有三套“魔灯”系统供SH-2G“超海妖”直升机使用。“魔灯”激光雷达仍属于应急性系统,美国海军计划最终用机载激光水雷探测系统取代之。机载水雷探测系统将在2005年前后开始研制,最终安装在H-60直升机上。
        ATD-111激光雷达是美国海军的另一种水雷搜索激光雷达。该雷达由桑德斯公司研制,是吊舱载系统,能安装在SH-60“海鹰”直升机上。
        瑞典国防研究局、国家海洋局、海军和国防器材局共同开展了激光海洋测绘研究,首先研制了“手电筒”机载激光雷达,继而进一步研制了“鹰眼”激光雷达。萨伯动力学公司(Saab Dynamics)作为主承包商,研制了两台“鹰眼”激光雷达。试验表明,激光雷达是一种快速、精确的测深设备,可以满足国际水文办公室对海洋深度测量的精度要求。
        七、空间监视激光雷达
        按照短距离防区外生物探测系统计划,Fibertek公司制造了利用感应荧光测量原理的激光雷达系统。该激光雷达采用两台紫外激光器和一台红外激光器,能在310~445nm范围内探测,作用距离达3km。美国陆军化学和生物防御司令部已在野外进行了试验,以探讨性能和人体安全问题。为了支持这项计划,SRI国际公司制造了专用高分辨率分光计。该分光计采用能量为1~10mJ/脉冲、脉宽为3~8ns、束散小于1mrad、在220~345nm波长范围连续可调的紫外激励激光源,将双光栅Czerny-Turner单色仪和光电倍增管相结合,探测荧光,测量激光导致的气溶胶化生物战剂的荧光横截面。
        按照国防部高级研究计划局的研究合同,EOO公司正在研制紧凑的红外/紫外混合激光雷达系统。该系统利用二极管泵浦Nd:YAG激光器产生的1.064μm激光,进行弹性后向散射测量,探测生物战剂气溶胶云的位置、形状、大小,并利用多普勒探测边缘滤波技术确定风向和风速;通过将1.064μm红外激光4倍频成0.266μm的紫外激光,进行生物战剂气溶胶云感应荧光的探测。最终的目标是研制出战术无人机载激光雷达系统样机。预计样机重量34kg,体积0.0425m3,功率需求小于500W。目前设计的实验室型系统,打算测量气溶胶浓度的距离为5km,以1m/s的分辨率测量风场的距离为2km,测量荧光的距离为1km以上。该实验室型系统进行地面性能评估后,将再建造一个可供机载使用的实验室型装置,安装在“空中女王”飞机上测量布撒的气溶胶。该机载系统是足够结实和灵活的,在需要时可进一步最佳化。
        EOO公司还在按照国防部高级研究计划局的小型商业创新研究合同,研制高空化学-生物战剂探测系统。该系统是高空飞机携带的多功能成套传感器,将Nd:YAG激光雷达、10μm外差可调谐差分吸收激光雷达和频率调制-差分吸收激光雷达光谱仪的功能组合在一起,探测和识别浓度极低的短暂发射,用于监视化学-生物战威胁。频率调制-差分吸收激光雷达使用频率调制激光发射机和灵敏的射频探测技术。射频探测技术是将射频边带置于激光脉冲上,当欲探测的化学战剂产生边带的差分吸收时,造成以射频频率振幅调制激光脉冲,然后利用标准信号处理技术探测这个振幅调制,从而探测和分离出化学战剂的吸收谱线。实验已证明,实验室系统在进行点化学战剂探测时,能够以量子噪声极限运转。
        八、其他军用激光雷达
        ● 弹道导弹防御激光雷达
        七八十年代,美国曾考虑将激光雷达用于洲际弹道导弹防御,测量重入飞行器的距离和速度。由于要求目标识别距离在1000km以上,因而造成系统非常庞大、复杂和昂贵。到90年代,美国认为战区弹道导弹成为主要的威胁,防御这些导弹需要早期探测和跟踪,以便确定发射点、命中点和可能的拦截点。为此,波音防御和空间集团公司考察了将机载激光雷达用于战区弹道导弹防御。研究表明,激光雷达与被动红外系统相结合时,利用连续的红外方位和俯仰测量结果与激光雷达的精确距离测量数据,可以使目标弹道估算迅速收敛,使弹道估算误差成数量级地下降。该公司考察了CO2激光器、掺钬或铥YAG激光器以及喇曼频移YAG激光器等在这种激光雷达中的应用前景,进行了激光雷达的性能分析,考虑了与波长有关的目标横截面、大气衰减、背景辐射以及直接或外差探测对信噪比的影响等。
        ● 靶场测量激光雷达
        美国白沙导弹靶场利用快速光束控制CO2激光雷达系统,进行成像和跟踪测量。该系统由0.5m孔径的光学系统、3~5μm摄像机和CO2激光雷达组成,可在大角度范围内以高跟踪修正速率跟踪单个目标,可在多个目标间重新确定目标,可进行测距和多普勒测量。该系统已在靶场实用。
        ● 振动遥测激光雷达 
        激光雷达可以远距离测量振动,完成目标识别等任务。几个国家一直在研究这项技术。瑞典国防研究局设计并制造了以半导体激光技术为基础的相干激光雷达系统。该系统输出功率50mW,线宽280kHz,可进行振动测量,利用自适应信号处理,可获得运动目标的振动特征信号。
        ● 多光谱激光雷达
        美国空军赖特实验室和戴顿大学在研究多光谱激光雷达。该激光雷达采用激光输出在1.35~5μm连续可调的光学参量振荡器,脉冲能量为3.3mJ,脉宽3ns。用可调单态反射计系统,测量目标的双向反射分布函数。该激光雷达可在有杂乱回波和目标部分隐蔽的情况下将地面目标成像,并识别之。      
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