激光雷达原理、关键技术及应用的深度解析
“雷达”是一种利用电磁波探测目标位置的电子设备.电磁波其功能包括搜索
目标和发现目标;测量其距离,速度,角位置等运动参数;测量目标反射率,散射截面和形状等特征参数。
传统的雷达是微波和毫米波波段的电磁波为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波.可以用振幅、频率、相位和振幅来搭载信息，作为信息载体。
激光雷达利用激光光波来完成上述任务。可以采用非相干的能量接收方式，这主要是一脉冲计数为基础的测距雷达。还可以采用相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现探测。激光雷达和微波雷达并无本质区别，在原理框图上也十分类似，见下图
激光雷达是工作在光频波段的雷达。与微波雷达的原理相似，它利用光频波段的电磁波先向目标发射探测信号，然后将其接收到的同波信号与发射信号相比较，从而获得目标的位置(距离、方位和高度)、运动状态(速度、姿态)等信息，实现对目标的探测、跟踪和识别。 激光雷达由发射，接收和后置信号处理三部分和使此三部分协调工作的机构组成。激光光速发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高。多普勒频移大，可以探测从低速到高速的目标。天线和系统的尺寸可以作得很小。利用不同分子对特定波长得激光吸收、散射或荧光特性，可以探测不同的物质成分，这是激光雷达独有的特性。 激光雷达的种类
目前，激光雷达的种类很多，但是按照现代的激光雷达的概念，常分为以下几种: 按激光波段分：有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。
按激光介质分：有气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵浦固体激光雷达等。
按激光发射波形分：有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。 按显示方式分：有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。
按运载平台分：有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、
星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。
按功能分：有激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角雷达和跟踪雷达、激光成像雷达，激光目标指示器和生物激光雷达等。
按用途分：有激光测距仪、靶场激光雷达、火控激光雷达、跟踪识别激光雷达、多功能战术激光雷达、侦毒激光雷达、导航激光雷达、气象激光雷达、侦毒和大气监测激光雷达等。 在具体应用时，激光雷达既可单独使用，也能够同微波雷达，可见光电视、红外电视或微光电视等成像设备组合使用，使得系统既能搜索到远距离目标，又能实现对目标的精密跟踪。
激光雷达与微波雷达比较
激光雷达的波长比微波短好几个数量级，又有更窄的波束。因此，于微波雷达相比，激光雷达具有如下优点：
1、角分辨率高，速度分辨率高和距离分辨率高。采用距离-多普勒成像技术可以得到运动目标的高分辨率的清晰图象。
2、抗干扰能力强，隐蔽性好；激光不受无线电波干扰，能穿越等离子鞘，低仰角工作时，对地面多路径效率不敏感。激光束很窄，只有在被照射的那一点，那瞬间，才能被接收，所以激光雷达发射的激光被截获的概率很低。
3、激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标探测。这是微波雷达无能为力的。 4、在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。
当然，激光雷达也有如下缺点：
1、激光受大气及气象影响大。大气衰减和恶劣天气使作用距离降低。此外，大气湍流会降低激光雷达的测量精度。
2、激光束窄，难以搜索目标和捕获目标。一般先有其他设备实施大空域、快速粗捕目标，然后交由激光雷达对目标进行精密跟踪测量。 激光雷达探测原理
激光雷达最重要的性能参数是系统信噪比（SNR）。下图给出了激光雷达的非相干和相干接收机方框图。 背景噪声
非相干接收机除了信号光功率Ps以外，还有附加项，即背景光功率PBK。。它是由太阳光和物体的自身辐射，物体对辐射的反射、漫反射和闪烁等引起的不必要的噪声信号在接收机非线性光探测器中变为电信号和被放大，经过匹配滤波器和其他抑制噪声的措施后，产生一个视频带宽的有效信号。
相干接收机中，除了激光器所发出的频率为f0的信号光外还有经过光束分束器的本振光。信号光的回波和本振光一同耦合到光探测。除了接收到光信号光功率PS，外本地震荡光功率PLo，它们一同与背景噪声项PBK相竞争，结果就压抑了噪声。 背景噪声有：
上式中，ε是目标的辐射系数;ρ是目标的反射系数;T是目标的温度(K);Δλ是光波长范围(μm);AR是接收机探测器敏感面面积(m2);k1是太阳光通过大气的透过系数;SIRR是太阳的辐射度(是大气的散射系数;ηSys是系统的光学效率;ΩR是辐射体辐射的能量的立体角;σT是斯特藩-玻耳兹曼常数。 信噪比的表达
式中, 是信号电流的均方值; 是散弹噪声电流的均方值; 是热噪声电流的均方值; 是背景噪声电流的均方值; 是暗电流的均方值;是本振电流的均方值。
将以上电流代入信噪比SNR方程可以得到非相干和相干激光雷达信噪比方程： 非相干激光雷达的信噪比SNR方程可以表示为：
相干激光雷达的信噪比SNR方程表示为：
激光雷达原理、关键技术及应用的深度解析
