传说中的激光雷达

与合成孔径雷达系统相比，激光雷达的波长短，它不但可以探测到簇叶下的目标，还可以对目标进行分类，为地面部队提供实施交战所需的精确目标信息。美国陆军和国防高级研究计划局联合投资，启动了“线锯”激光雷达计划，目标是发展一种无人机载的小型三维成像激光雷达。

　　“线锯”激光雷达的基本概念是，根据合成孔径雷达的标示，携带“线锯”激光雷达的无人机按程序飞行到目标的上空，在预先确定的非常小的搜索区域内（例如，两三辆军用车辆占据的几十米见方的区域），利用树冠或和伪装中随机出现的空隙，采集数据。这些空隙隐约露出目标未被遮蔽的部分。激光雷达可以有效地通过这些空隙“观看”目标的暴露部分，获得场景的三维（角度-角度-距离）影像。无人机运动时，对“线锯”激光雷达来说，就会出现新的空隙分布，暴露出目标的其他部分。如果“线锯”激光雷达从足够多的角度观看目标，并将各帧影像融合成一个合成影像时，就可以显现出目标的形状。

　　目前，美国的多家公司开展了无人机载“线锯”激光雷达的研究工作。诺斯罗普•格鲁曼公司研制的“线锯”激光雷达，由激光器、激光放大器、二极管电源、热控制装置、有效载荷控制器（ ARM 微型控制器）、接收机、惯性测量组件和相关的电源等部分组成，安装在常平架的两侧。激光器与接收机用机械方法校准。该激光雷达利用窄脉冲发射机、高频接收机、近实时数据显示用三维可视化软件，提供高分辨率影像。窄脉宽发射机，可以发射具有足够功率的窄激光脉冲，通过衍射光束成形光学系统，照明方形的目标区，以便探测距离达100米的低反射率目标。照明区与探测器视场匹配。接收机采用128×8像素的探测器阵列和CMOS读出集成电路。接收机阵列扫描目标区，提供256×304的数据帧。在接收机探测器处理电路中，利用多回波处理，排除杂乱环境和目标形成的多个回波的影响。应用接收机控制的全局阀值，使目标探测几率最大，并使噪声导致的虚警最低。然后将飞行过程中获得的各帧影像配准、显示，进行分类分析。根据2003年的报告，该激光雷达的地面试验证明，它能通过树木、伪装网之类的遮蔽物观看，根据凸起的可分辨的特征揭露和识别隐蔽的目标。下一步将进行直升机系留飞行试验，并研制和使用128×128元的凝视探侧器阵列。集成的系统将激光雷达数据发送给战场指挥官，以确定和识别敌方目标。

　　Lite Cycles公司与先进科学概念公司、科学应用国际公司组成联合研制集团，研制了三维偏振测定闪光型激光雷达。该激光雷达在100～500米的高度生成瞄准点周围24×24米区域的合成三维影像。目标位置处的像元尺寸为3×3×4英寸。利用新的信号处理算法，目标位置距离精度达到亚像素级（亚英寸级）。通过偏振识别，增加了目标与簇叶的反差，提高了系统的距离分辨率，使其超出（基于脉宽和探测带宽的）传统极限。利用6纳秒长发射机脉宽进行了实验，实验证明，被簇叶遮蔽的坦克类目标的距离分辨率为25毫米，未遮蔽目标的距离精度为7毫米。

　　阿雷特联合公司则研制出用多缝条纹管作为接收元件的闪光型激光雷达。其方案是，使用条纹管进行高速时间采样，利用CCD摄像机进行数字化和读出。条纹管成像激光雷达发射短激光脉冲，测量目标反射光的往返时间。激光在方位维发散成扇形光束。条纹管用多个时间分辨通道有效地接收该光束。于是，每个激光脉冲均产生y一个2维方位-距离影像。由多个脉冲产生三维（角度-角度-距离）影像。这时，通过传感器平台的向前运动和使用单轴俯仰扫描反射镜，使接收系统以航迹推扫方式扫描。阿雷特联合公司研制的64×64元多狭缝条纹管成像激光雷达的发射机采用闪光泵浦倍频Nd:YAG激光器，脉冲重复频率为30赫兹，脉冲能量100毫焦，脉冲持续时10.5纳秒。利用市售的扩束器和定制的光束发散器产生均匀的正方形照明。该激光雷达具有5.8°的正方形视场，飞行高度50米时每次拍摄可以将4.8×4.8米的一块地面成像。空间采样为每个像素750毫米2 。接收机孔径为42毫米。在空速为25节时以30赫兹的速率采集影像，连续拍摄时的重叠约为80％。新型前端光纤组件使用4096根光纤，将64×64像素焦平面阵列影像成像在条纹管光阴极的16条狭缝上。该激光雷达系统，能以30赫兹的速率、以每个像素40个距离块（二进制计数）获得64×64像素影像数据。处理原始传感器数据，即可产生64×64像元的距离和强度，或每个激光脉冲的立体影像。在机载野外试验中，装载激光雷达的直升机飞行高度50米，以0°、5°、10°、20°的前视角度，探测暴露的目标、伪装网下的目标、树冠下的目标。数据的后处理包括多次拍摄和多次通过的配准，证明了闪光型激光雷达可以将伪装网和树冠下的目标成像。与合成孔径雷达系统相比，激光雷达的波长短，它不但可以探测到簇叶下的目标，还可以对目标进行分类，为地面部队提供实施交战所需的精确目标信息。美国陆军和国防高级研究计划局联合投资，启动了“线锯”激光雷达计划，目标是发展一种无人机载的小型三维成像激光雷达。

　　“线锯”激光雷达的基本概念是，根据合成孔径雷达的标示，携带“线锯”激光雷达的无人机按程序飞行到目标的上空，在预先确定的非常小的搜索区域内（例如，两三辆军用车辆占据的几十米见方的区域），利用树冠或和伪装中随机出现的空隙，采集数据。这些空隙隐约露出目标未被遮蔽的部分。激光雷达可以有效地通过这些空隙“观看”目标的暴露部分，获得场景的三维（角度-角度-距离）影像。无人机运动时，对“线锯”激光雷达来说，就会出现新的空隙分布，暴露出目标的其他部分。如果“线锯”激光雷达从足够多的角度观看目标，并将各帧影像融合成一个合成影像时，就可以显现出目标的形状。

　　目前，美国的多家公司开展了无人机载“线锯”激光雷达的研究工作。诺斯罗普•格鲁曼公司研制的“线锯”激光雷达，由激光器、激光放大器、二极管电源、热控制装置、有效载荷控制器（ ARM 微型控制器）、接收机、惯性测量组件和相关的电源等部分组成，安装在常平架的两侧。激光器与接收机用机械方法校准。该激光雷达利用窄脉冲发射机、高频接收机、近实时数据显示用三维可视化软件，提供高分辨率影像。窄脉宽发射机，可以发射具有足够功率的窄激光脉冲，通过衍射光束成形光学系统，照明方形的目标区，以便探测距离达100米的低反射率目标。照明区与探测器视场匹配。接收机采用128×8像素的探测器阵列和CMOS读出集成电路。接收机阵列扫描目标区，提供256×304的数据帧。在接收机探测器处理电路中，利用多回波处理，排除杂乱环境和目标形成的多个回波的影响。应用接收机控制的全局阀值，使目标探测几率最大，并使噪声导致的虚警最低。然后将飞行过程中获得的各帧影像配准、显示，进行分类分析。根据2003年的报告，该激光雷达的地面试验证明，它能通过树木、伪装网之类的遮蔽物观看，根据凸起的可分辨的特征揭露和识别隐蔽的目标。下一步将进行直升机系留飞行试验，并研制和使用128×128元的凝视探侧器阵列。集成的系统将激光雷达数据发送给战场指挥官，以确定和识别敌方目标。

　　Lite Cycles公司与先进科学概念公司、科学应用国际公司组成联合研制集团，研制了三维偏振测定闪光型激光雷达。该激光雷达在100～500米的高度生成瞄准点周围24×24米区域的合成三维影像。目标位置处的像元尺寸为3×3×4英寸。利用新的信号处理算法，目标位置距离精度达到亚像素级（亚英寸级）。通过偏振识别，增加了目标与簇叶的反差，提高了系统的距离分辨率，使其超出（基于脉宽和探测带宽的）传统极限。利用6纳秒长发射机脉宽进行了实验，实验证明，被簇叶遮蔽的坦克类目标的距离分辨率为25毫米，未遮蔽目标的距离精度为7毫米。

　　阿雷特联合公司则研制出用多缝条纹管作为接收元件的闪光型激光雷达。其方案是，使用条纹管进行高速时间采样，利用CCD摄像机进行数字化和读出。条纹管成像激光雷达发射短激光脉冲，测量目标反射光的往返时间。激光在方位维发散成扇形光束。条纹管用多个时间分辨通道有效地接收该光束。于是，每个激光脉冲均产生y一个2维方位-距离影像。由多个脉冲产生三维（角度-角度-距离）影像。这时，通过传感器平台的向前运动和使用单轴俯仰扫描反射镜，使接收系统以航迹推扫方式扫描。阿雷特联合公司研制的64×64元多狭缝条纹管成像激光雷达的发射机采用闪光泵浦倍频Nd:YAG激光器，脉冲重复频率为30赫兹，脉冲能量100毫焦，脉冲持续时10.5纳秒。利用市售的扩束器和定制的光束发散器产生均匀的正方形照明。该激光雷达具有5.8°的正方形视场，飞行高度50米时每次拍摄可以将4.8×4.8米的一块地面成像。空间采样为每个像素750毫米2 。接收机孔径为42毫米。在空速为25节时以30赫兹的速率采集影像，连续拍摄时的重叠约为80％。新型前端光纤组件使用4096根光纤，将64×64像素焦平面阵列影像成像在条纹管光阴极的16条狭缝上。该激光雷达系统，能以30赫兹的速率、以每个像素40个距离块（二进制计数）获得64×64像素影像数据。处理原始传感器数据，即可产生64×64像元的距离和强度，或每个激光脉冲的立体影像。在机载野外试验中，装载激光雷达的直升机飞行高度50米，以0°、5°、10°、20°的前视角度，探测暴露的目标、伪装网下的目标、树冠下的目标。数据的后处理包括多次拍摄和多次通过的配准，证明了闪光型激光雷达可以将伪装网和树冠下的目标成像。