激光遥感技术及其应用

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1、激光遥感技术及其应用王建宇中国科学院上海技术物理研究所，200083jywang摘要：自从1960年人类利用红宝石研制出第一台激光器以来，激光以其单色性、高亮度和良好的方向性的特点，广泛的运用于测距，测速，大气研究，海洋研究，军事等领域。由于通过激光技术既是一种主动遥感技术，还可以同时获得地球表明的空间特征和物理特性，具有被动光学遥感无法替代的作用。近年来，随着激光技术的水平不断发展，激光技术被越来越多地应用在空间遥感中。本文将介绍激光技术在空间卫星平台和航空机载平台中的主要应用和激光遥感技术的发展趋势。遥感 激光技术 激光雷达 激光雷达(lidar)是一种主动式的现代光学遥感设备，是传统的无

2、线电或微波雷达（radar）向光学频段的延伸。由于所用探测束波长的缩短和定向性的加强，使激光雷达具有很高的空间、时间分辨能力和很高的探测灵敏度等优点，被广泛地应用于对大气、海洋、陆地和其他目标的遥感探测中。一、激光主动遥感关键技术进展1）光源的进展CO2 激光器是最早用于激光雷达的光源，输出功率大，转换效率高，连续输出功率为数十瓦至万瓦，脉冲输出功率为数千瓦至105瓦，电光效率1520，为适应空基雷达的需要，目前CO2 激光器向高可靠、小型化方向发展，进展可喜。英国DERA研究的空腔波导集成光学系统，美国弹道导弹防御组织(BMDO)的超小型锁模CO2激光雷达。Nd:YAG（Nd:YLF）是目前

3、雷达中使用最多的激光器，如果探测地物反射回波，激光器工作在1064nm或1053nm波长，如果探测地物荧光回波或用于水下探测，激光器工作532nm或527nm波长,这些是激光三维扫描成像系统的常用光源。主要以二极管泵浦为发展主流。Nd:YAG（Nd:YLF）激光器泵浦KTP或KTA晶体的参量振荡器输出1.5m激光也应用较多。钛宝石激光器因具有波长调谐功能，在激光雷达中得到新的应用。半导体激光器像GaAs, 因为它体积小，重量轻，效率高也很受重视。其缺点是光束质量较差，功率有待提高。日本的专家提出采用掺铒光纤激光器波长1.5um1.6um, 也是很有吸引力的。比如多个光纤激光器输出形成光束阵列（

4、不必使用分束器就能实现推帚式扫描）。钕光纤激光器的工作波长1.06m很受关注。NASA的学者研究二极管泵浦的Ho,Tm:YLF波长2.0um激光器，这种光源对人眼更安全，大气散射更小，被称为“未来之光”。2）探测器的进展为适应光源的变革，除了经典的光电倍增管，探测器的研究也有新的进展。如果激光是1064nm(1047nm)或532nm(523nm)，探测器为Si APD，这是最成熟的器件； 如果激光波长1.5 um -1.6um, 探测器选InGaAs / APD；如果激光波长2.0um, 探测器选InGaAsSb / APD。这些器件由单元器件，发展到线阵和面阵器件；工作模式由线性模式发展到

5、Geiger模式。国际上主要的研究机构有PerkinElmer公司和日本滨凇光子公司。ICCD已经直接用于雷达回波探测。InGaAs和HgCdTe的焦平面器件被新型的激光成像遥感系统所采用。 二、激光主动遥感主要应用领域 一）激光遥测距离、速度、跟踪最成熟和最经典的测距方法是脉冲测距和相位测距。脉冲测距是通过直接测量激光脉冲的往返传播时间进行测距的。激光脉冲的往返传播时间由距离计数器测量。距离计数器的开门信号为激光主波采样信号,对应的关门信号为激光回波信号,激光脉冲往返时间根据计数器在开、关门信号之间及数值求的.由上述测量原理可知,时间间隔测量精度主要取决于距离计数器的时间分辨率和主、回波出发

6、点的一致性。距离计数器的时间分辨率由时标振荡器（晶振）频率决定主、回波出发点的一致性取决于时间触发方式和激光脉冲波形稳定性。时间触发方式主要有恒定阈值触发方式、恒比定时触发方式和波型数字转换方式三种。相位测距通过强度调制的连续光波在往返传播过程中相位变化来测量光束的往返传播时间，其计算公式如下，(1)；为调制光波的相位变化（rad），为调制频率（Hz） 为目标至参考点距离（m）；c为光速(m/s) ；为调制波波长（m）。相位位移是以为周期变化的，因此有式中N为相位变化整周期数;n为相位变化非整周期数.,式(1)表明,只要测出发射和接收光波的相位差,即可得到目标距离.因此相位测距可理解为以调制光

7、波半波长为“测量尺度”的距离测量方法。回波的多普勒频移量与目标的径向速度成正比，因此，通过测量多普勒频移可得到目标的径向速度，激光多普勒频移可通过光外差技术测得，其原理和相干测风雷达相似。近年来激光雷达借鉴了微波雷达的一些信号处理的方法，发展了脉冲压缩和连续波调频等激光调制和信号处理的体制测距。由激光器分出一束宽脉冲光束，通过调制器将线性调频的激光束发射出去，回波信号与未经调制的固定频率本振光混频后，经匹配滤波器对信号进行压缩，变成一个幅度增大的窄脉冲，接下来和脉冲测距同样方法得到距离，它的特点是发射宽的光脉冲，回波处理后得到的是窄的电脉冲，目的在于缓解探测能力和距离分辨率的矛盾；连续波调频，

8、是发射激光的频率随时间是线性（三角形）变化，经过一段时间的飞行，回波激光相对于本振激光就有了频率变化，两者相干混频，得到的中频信号，中频信号频率跟距离成正比，由频谱分析得到距离和速度。调制器激光器发射光学系统接收光学系统光电探测器（或混频器）前放中放信息处理角度误差伺服系统目标显示距离支路速度支路激光束控制角度显示 图1 测距、测速和跟踪综合系统激光跟踪时，光电探测器采用四象限结构，即四块性能相同的扇型光电二极管各占一个象限拼成圆形结构。当回波光束的光斑均匀照射每一个象限时，方位和俯仰误差信号为零；当光斑位置偏离时，给出相应的方位和误差信号，通过伺服系统调整接收望远镜对准目标，实现目标跟踪。从

9、雷达座上的经纬刻度就能读出目标的方位角和俯仰角。美国机载门警TBM 激光雷达采用了人眼安全的激光波长。使用的是Nd：YAG激光泵浦KTP 0PO，它的输出波长为1.57 m，脉冲能量为600mJ。激光接收机使用InGaAs APD和窄带滤光片。门警系统激光雷达负责导弹测距和跟踪。由美国航空航天局Goddard空间飞行中心(GSFC)组织研发，于1996年11月7日升天的火星勘探号(Mars Global Surveyor,MGS)宇宙飞船携带了一个遥感设备MOLA一2。设备是一个激光测高仪，其距离分辨率37cm，能够以300m的间距分辨率探测火星表面的轮廓。MOLA一2系统的主要技术参数为：轨

10、道高度600km；重量2585kg；功耗342W；激光器Nd：YAG1064nm；脉冲宽度5ns；单脉冲能量48mJ 10Hz；光束发散角04mrad接收部分500mm卡塞格林望远镜；视场角(FOV) 085mrad；光电转换器件硅雪崩光电二极管电路部分微处理器80C86：时钟计数频率100MHz：滤波通道宽度20ns、60ns、180ns、540ns；距离测量分辨率375cm；数据率618bps(连续)精度指标垂直分辨率375cm；绝对精度10m (取决于飞船轨道的重建精度)； 二）大气遥感激光雷达 相对而言，激光雷达最适合用于对大气的探测与研究。用于大气遥感的激光雷达是历史上出现最早的激光

11、雷达。下面的表格给出了激光与大气粒子相互作用的效应，大气雷达正是利用这些效应来工作的。表1 激光与大气介质相互作用的典型截面数值与相应可探测大气成分（0为入射波长，r为散射波长）作用过程介质类型波长关系作用截面（cm2/sr）可探测大气成份Rayleigh散射分子r010-27大气密度、温度Mie散射气溶胶r010-26-10-8气溶胶、烟羽、云等Raman散射分子r010-30（非共振）温度、湿度（H2O）等共振散射原子、分子r010-23-10-14高层金属原子和离子Na+、K+、Ca+、Li等荧光散射分子r010-25-10-16污染气体(SO2, NO2, O3, I2)吸收效应原子、