半导体激光主动成像雷达扫描成像实验

第２５卷第６期　激　光　技　术　Ｖｏ１．２５．Ｎｏ．６　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ．２００ｌ　２００１年１２月　ＬＡＳＥＲ　ＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ　半导体激光主动成像雷达扫描成像实验　成向阳　李　宁　王海虹　尚铁粱王　蒜　（哈尔滨工业大学光电子技术研究所，哈尔滨，１５０００１１　摘要：对激光主动成像雷达做了一些初步的理论与实验研究，建立了一个半导体激光扫描戚　像演示系统．利用雷达距离方程计算丁系统的最大作用距离，井在实验室做了成像实验。在实验　室内获得了１Ｏ帧　每帧３２行的轮廓像．月戚像质量较高　关键词：【　Ｄ雷达扫描成像主动戍像作用臣离　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｂｙ　ＬＤ　ｌａｓｅｒ　ａｃｔｉｖｅ　ｒａｄａｒ　Ｃｈｅｎｇ　Ｘｉａｎｇｙａｎｇ，Ｌｉ　Ｎｉｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｈａｉｈｏｎｇ，Ｓｈａｎｇ　Ｔｉｅｌｉａｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｑｉ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｏｐｔｃ－Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏ［ｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ，１５０００１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｄｏｎｅ　Ｏｌｌ　ｌａｓｅｒ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｒａｄａｒ．Ａ　ｌａｓｅｒ　ｗａｎｎｉｎｇ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｄｅｍｏｎｓｔｔｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｅ￣ｓｔａｈｌｉｓｈｅｄ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｒａｄａｒ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ．ｍａｘｉｍｕｍ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｔａｔｅｄ　Ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｅｔｕｐ．ａ　Ｉ￣ｕｒｅ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　１０　ｆｒａｍｅｓ　ｐｅｒ　ｓｅｃｏｎｄ．３２　ｒＯＷＳ　ｐｅｒ　ｆｒａｍｅ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｑｕａ［ｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｈｉｇｈ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｉｄ）ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｉｍａｇｉｎｇ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　引　言　主动成像已成为现在及今后一段时期，激光雷达的主要研究方向＿ｌ・　。国外已经有了一　些成型的产品投放市场，甚至装备部队　－｜］，而国内还只做了一些概念性研究。我们对激光主　动成像雷达做了一些初步的理论与实验研究，建立了一个激光扫描成像演示系统，并在实验室　做了成像实验。该演示系统采用收发分置、激光脉冲发射、二维扫描、能量接收、电脑实时显示　的工作方式。光源是中心波长为６５０ｎｍ的可见光半导体激光器，扫描器是检流计式扫描振　镜，采用光电倍增管接收，接收天线采用伽利略望远镜。我们研制的半导体激光扫描成像雷达　演示装置，结构紧凑、操作方便、耗资低廉，实现了１Ｏ帧／ｓ、每帧３２行的快速扫描成像，并且成　像质量较好，具有广阔的应用前景，例如　可用于低空飞行器下视地形匹配。　１系统装置　图１是我们建立的半导体激光成像雷　达系统结构示意图，这是一个收发分置激　光雷达演示系统．采用脉冲发射、二维扫　描、直接接收、计算机实时显示的工作方　Ｆｉｇ．１　Ｏｐｔｉ￣　把ｒ址　。ｆ　ＬＤ　ｌｓｓｅｒ　印Ｉｄ　ｒａｄａｒ　ｓｙｓｔ￣ｌ　式。半导体激光器发出的光脉冲经过二维扫描器直接照射目标，经目标反射的回渡信号由天　线接收，经过干涉滤光片到达光电倍增管探测器，探测器输出的电信号经过整形与放大电路被　哈尔演工业大学枝基盘赞所项日。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２５卷第５期　成向阳　半导体激光主动成像雷达扫描成像实验４６５　进至计算机。　我们为本雷达演示系统专门研制了可见光半导体激光器及控制电源，中心波长为６５０ｎｍ，　运行机制为连续脉冲均可，脉冲平均功率约１０ｍＷ，重复频率在０～１００ｋＨｚ范围内可调，且可　以不均匀发射脉冲，脉冲发射时间及脉宽均可由外部输入的１ｖｒＬ电信号控制。扫描器是检流　计式二维振镜扫描器，由外部输入的电信号控制其扫描波形、频率和范围，扫描视场为±５　×　２．５。。接收天线采用伽利略望远镜，物镜直径１５０ｍｍ，焦距２００ｍｍ，目镜直径４０ｍｍ，焦距　４０ｍｍ。　上述雷达系统结构紧凑、操作方便、耗资低廉，应用前景广大。　２最大作用距离的计算　２．１激光雷达距离方程一般表达式　当发射、接收同在一处时．激光雷达距离方程的一般表达式可写成【ｌＪ］：　Ｐ　：ＰｔＴｌＴ２２ｏｌ；－Ａ　／Ｒ　，（１）　式中，Ｐ　为接收功率；Ｐ　为发射功率；Ｔ　是光学系统透过率；Ｔ２是单程大气透过率；ｐ　是目　标反射率的定向分布函数．如果目标上各点的特性一致，可取平均值；Ａ　是有效接收面积；Ｒ　是目标与发射器或接收器的距离；　＝Ａ。／Ａｂ，Ａ。是垂直于光束的目标被照面积，Ａｈ是目标处　的光束截面积。　在不同的激光雷达应用中．目标被发射在目标处的光斑照射的关系不同，激光雷达的作用　距离表达式也不同。当目标较小，可以看成“点目标”时，目标全部被照射，方程（１）中接收到的　功率与距离４次方（Ｒ　）成反比；当目标大小与发射在目标处的光斑相当时，Ｐ　与Ｒ　成反比；　我们所建立的雷达演示系统中．垂直光束的目标截面始终大于目标处的光束截面，则有：Ａ　＝　Ａ　ｂ，即ｒ＝ｌ，这时．方程（１）可写为：２．２本系统最大作用距离的估算　Ｐ　＝Ｐ　Ｔ【了＇；ＰｌＡ／Ｒ　（２）　为求本雷达演示系统的最大作用距离，须求出系统的最小接收功率。本系统采用的是光　电倍增管接收，属于能量检测，为了计算简便，只考虑信号散粒噪声和暗电流噪声而忽略背景　噪声和热噪声，则信噪比可表示为　：ＳＮＲ＝Ｐ　（　／ｈｕ）　／１２Ｐ△，　［　＋Ｉｄ］｝　（３）　式中，ｒ／为量子效率；ｈ为普朗克常数；　是入射光频率；Ａｆ为电路带宽；ｄ为光电倍增管打拿　极的二次发射系数，一般取值为３～６；ｅ为电子电荷；ｒ　为光电倍增管的暗电流，我们所用的　是ＧＤＢ２４，暗电流为１０ｎＡ。根据（３）式，由需要的最小信噪比可求出最小可探测功率，再根据　（２）式可求出最大作用距离。　２．３计算结果　本系统中发射功率Ｐ　为１０ｍＷ；光路元件少且距离较短，了＇．了＇；取为０．３；反射系数平均　值取０．０６；Ａ　＝ＣＤ　／４，Ｄ是接收物镜的直径，为１５０ｍｍ；考虑到发射波长并非处于光电倍增　管的峰值波长，量子效率　取为０．３；最小信噪比取为９；电路带宽Ａｆ＝１／２７ｒＲｌＪｃ，大约为　１．７５×１０　Ｈｚ，其中，ＲＬ为等效负载约９１ｋＤ，，Ｃ为探测器结电容、分布电容和前置放大器输入　电容之和，大约１００ｐＦ。最后计算得出在以上条件下，最大作用距离为１５ｍ左右。　维普资讯 http://www.cqvip.com

激　光　技　术　３成像试验研究　作用距离和成像质量是评价激光成像雷达性能的两个重要指标。我们目前尚未做外场实　验。现有实验全部在室内完成，１０ｍ远的实验距离尚未达到计算得出的最大作用距离。本雷达　系统的光源脉冲平均功率虽然仅为１０ｍＷ，但结构简单，光路元件较少，损耗较少　另外，本系　统中光束经扫描后形成的准均匀点阵直接照射目标，减少了成像过程中引起图像失真的因素。　本系统实验中，行扫描器由１６０Ｈｚ简谐波控制做简谐扫描，帧扫描器做５Ｈｚ三角波扫描，　激光器发射时间不均匀脉冲，以保证扫描点阵的空间均匀性，脉冲发射时间经过计算得出，关　于计算方法我们有文献报道。　目前，在实验室内进行了成像实　验，由计算机实时显示。漫反射目标　置于距雷达系统１０ｍ处．获得了模拟　目标强度像。目标是包装用的白色泡　塑裁剪成的英文大写字母…ｒ”．见图　２ａ，图２ｂ是从计算机上拍摄到的图　２　Ｐｉｃｍｔ￣　ｔｈｅ　ｔ　ａ　ａｎｄＩ｜Ｉ１】一ｒａｄａｒｉｎｍｇｅ　ｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔ　ｂ　像。可见，雷达成像质量较好。　４结　论　半导体激光雷达的特点是测距和三维成像能力强，我们研制的半导体激光扫描成像雷达　演示装置，实现了ｌ０帧／ｓ、每帧３２行的快速扫描成像，并且成像质量较好，具有广阔的应用前　景．例如，提高激光器功率到１ｗ．最大作用距离即可达到１５０ｍ，可用于低空飞行器下视地形　匹配。　参熊辉丰．激光雷选考文献　北京：宇航出版牡，１９９４：２８５　简莉．军用∞　激光系统北京：机电部兵器科学技术情报所，】９８９：７７～８７　ｄｅ　Ｇ］ｏｒｉａ　Ｄ　Ｐ．Ｐａｇｌｉｕｇｈｉ　Ｆ　Ｍ．ＳＰＩＥ，１９９２　１６３３：２７４　Ｇ￣ｔｓｖｓｏｎ　Ｒ　Ｉ　．Ｉ￣ｖｉｓ　Ｔ　Ｅ　ＳＰｉＥ．１９９２；１６３３：２ｌ　Ｄｉｌｌｏｎ　Ｒ　ＣｏｏｋｅＣＫ．ＡｐｐｔＯｐｔ，１９７２；（２）：２２７～２８４　高稚允．光电世涮技术．北京：国防工业出版社．１９９５：７６～９６　刘仁昌．光电器件手册．北京：人民邮电出版牡．１９８９：１０５３～１０５７　＊　＊　＊　作者简介；成向阳，女．１９７１年１１月出生。硕士．讲师　现主要从事激光技术等方面的研究工作。　收精日期：２０００　０７－１７　收到修改稿日期：２０ｏ０　ｉ１　０７