激光雷達(dá)中光電子技術(shù)的應(yīng)用

李啟蒙

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省西安市 710000）

由于光電子技術(shù)涉足了多個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)理論，是典型的交叉滲透現(xiàn)代技術(shù)，因此光電子技術(shù)在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出較強(qiáng)的兼容性，這一優(yōu)勢(shì)也使得光電子技術(shù)具有較大的發(fā)展空間。激光雷達(dá)也是現(xiàn)代重要的科學(xué)技術(shù)之一，涉及的領(lǐng)域頗多，因其自身所具備的高角分辨率、高距離分辨率、高速度分辨率使其在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。而在激光雷達(dá)發(fā)展的過程中，研究學(xué)者也在不斷地將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與之結(jié)合，光電子技術(shù)就是其中一種。將光電子技術(shù)支撐的元器件安裝在激光雷達(dá)上，不僅可以使激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)向小型低耗，低成本，便攜式方向的轉(zhuǎn)變，還可以進(jìn)一步打開激光雷達(dá)的應(yīng)用范圍。因此，光電子技術(shù)在激光雷達(dá)的發(fā)展中所發(fā)揮的作用是不可估量的。

1 激光雷達(dá)概述

1.1 激光雷達(dá)的定義及組成部分

激光雷達(dá)的英文原譯為L(zhǎng)ight Detection And Ranging-LIDAR。目前，人們所說的激光雷達(dá)的全稱是激光探測(cè)及探測(cè)系統(tǒng)，它是以激光器為發(fā)射光源，并運(yùn)用光電探測(cè)技術(shù)的主動(dòng)遙感設(shè)備。激光雷達(dá)是當(dāng)今社會(huì)比較先進(jìn)的探測(cè)方式，是激光技術(shù)與光電探測(cè)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其組成部分主要有發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)以及信息處理系統(tǒng)等。如圖1 所示為激光雷達(dá)的組成示意圖。

首先，發(fā)射系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)主要是各種各樣的激光器，是各種激光器與光學(xué)擴(kuò)束單元等組成的，例如：CO2激光器、半導(dǎo)體激光器以及固定激光器等。其次，接收系統(tǒng)。接收器是由望遠(yuǎn)鏡和光電探測(cè)器等組成的，例如：光電倍增管、紅外和可見光多元探測(cè)器等。最后，信息處理系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要就是對(duì)激光雷達(dá)工作過程中的信息進(jìn)行相關(guān)的處理。通常情況下，激光雷達(dá)的工作方式有兩種形式，一種是脈沖方式，另一種是連續(xù)波方式。而探測(cè)方法卻根據(jù)原理的不同可以分為很多種方式，例如：米散射、熒光、多普勒等。

1.2 激光雷達(dá)的原理

激光雷達(dá)是涵蓋激光技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)的系統(tǒng)性設(shè)備，其探測(cè)原理是以發(fā)射已知激光信號(hào)直接探測(cè)目標(biāo)物的狀態(tài)特征量或間接探測(cè)與目標(biāo)物相關(guān)的物理狀態(tài)特征量，兩者皆是利用從目標(biāo)物反射回來的回波信號(hào)與已知發(fā)射信號(hào)的信息差異實(shí)現(xiàn)目標(biāo)參量的探測(cè)。其中直接探測(cè)是針對(duì)目標(biāo)物本身的特征量探測(cè)，間接探測(cè)是指通過探測(cè)目標(biāo)物的回波信號(hào)間接反演與之相關(guān)聯(lián)的其他物理量特征?，F(xiàn)階段，激光雷達(dá)從用途上可以分為用于構(gòu)建三維地形地貌的激光雷達(dá)系統(tǒng)和用于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)等，前者主要是用于地面數(shù)字高程模型的直接探測(cè)，后者主要是用于大氣環(huán)境參數(shù)的間接探測(cè)，但無論是哪種類型的系統(tǒng)都具有一個(gè)共同的特點(diǎn)就是都需要使用激光對(duì)其進(jìn)行探測(cè)或測(cè)量。

激光的光學(xué)特性使其具有較強(qiáng)的測(cè)量功能，且測(cè)量數(shù)據(jù)具有非常高的準(zhǔn)確性，其遠(yuǎn)距離探測(cè)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的分辨能力。但是LIDAR 系統(tǒng)的精確度不僅取決于激光自身，還會(huì)受到全球定位系統(tǒng)技術(shù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)等因素的影響。隨著兩者的快速發(fā)展，LIDAR 系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)平臺(tái)上獲取高精度的數(shù)據(jù)，汽車無人駕駛技術(shù)就得益于激光雷達(dá)技術(shù)的高速發(fā)展。

圖1：激光雷達(dá)的組成示意圖

1.3 激光雷達(dá)的分類

在對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行分類時(shí)，可以多種不同的角度對(duì)其進(jìn)行劃分。本次論述中主要是以用途功能和工作體制兩種形式進(jìn)行劃分。首先，以激光雷達(dá)的用途和功能進(jìn)行劃分時(shí)，可以將其分為精密跟蹤激光雷達(dá)、火控激光雷達(dá)、氣象激光雷達(dá)、水下激光雷達(dá)等。這種劃分方法可以有效的幫助人們掌握激光雷達(dá)的應(yīng)用。其次，以激光雷達(dá)的工作機(jī)制對(duì)其進(jìn)行劃分時(shí)，可以將其分為單脈沖激光雷達(dá)、連續(xù)波激光雷達(dá)、脈沖多普勒激光雷達(dá)等。

2 光電子技術(shù)概述

2.1 光電子技術(shù)的定義

光電子技術(shù)是光子技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合形成的一項(xiàng)新技術(shù)，也就是說它是由光子技術(shù)和電子技術(shù)組合而來的。光電子技術(shù)是指光電子學(xué)在信息、能源、航空航天等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

上世紀(jì)70年代，半導(dǎo)體激光器和光纖技術(shù)得到了快速的發(fā)展，同時(shí)在技術(shù)上也得到了很大的突破，帶動(dòng)了很多相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)也為光學(xué)和電子學(xué)的發(fā)展帶了機(jī)遇，促進(jìn)了兩者與其他學(xué)科的滲透，也就是形成了光電子技術(shù)。光電子技術(shù)是光電子信息技術(shù)的簡(jiǎn)稱，該項(xiàng)技術(shù)研發(fā)的核心是實(shí)現(xiàn)電能與光能的轉(zhuǎn)換，其內(nèi)容主要是從光的產(chǎn)生、到傳輸?shù)秸{(diào)制放大到頻率準(zhǔn)換到檢測(cè)再到光信息的處理上，它作為一種全新的科學(xué)技術(shù)，涉及了材料科學(xué)、精細(xì)加工、半導(dǎo)體材料以及固體物理等多個(gè)領(lǐng)域。

2.2 光電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

光電子技術(shù)作為一項(xiàng)新的科學(xué)技術(shù)，自產(chǎn)生以來受到國內(nèi)外研究學(xué)者的高度重視。與國外相比，我國對(duì)光電子技術(shù)的研究與發(fā)展都相對(duì)較晚，但是我國在光電子技術(shù)方面的發(fā)展卻十分迅速，現(xiàn)如今已經(jīng)達(dá)到先進(jìn)水平階段，大大的縮短了與國外其他優(yōu)先研發(fā)的發(fā)達(dá)國家的距離。目前，我國珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲等渤海地區(qū)的光電技術(shù)發(fā)展較好。國外一些發(fā)達(dá)國家在光電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用上也體現(xiàn)出較大的差異性，美國、日本以及一些歐洲國家相對(duì)先進(jìn)。但隨著世界全球化的發(fā)展，信息通訊產(chǎn)業(yè)面臨著較大的挑戰(zhàn)，而光電子技術(shù)在全球信息交流方面發(fā)揮了重要作用。因此，光電子技術(shù)在未來具有較大的發(fā)展空間和較好的發(fā)展前景。

2.3 光電子技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用領(lǐng)域

隨著各國對(duì)光電子技術(shù)的研究力度和深度的不斷加大，使其出現(xiàn)很多的發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)階段，光電子技術(shù)在激光雷達(dá)及全信息、大容量光存儲(chǔ)技術(shù)、光互連、光計(jì)算技術(shù)等方面的發(fā)展勢(shì)頭十分迅猛。而在光電子技術(shù)的應(yīng)用上，所涉及的領(lǐng)域也是相對(duì)較多的，如在信息領(lǐng)域、能源領(lǐng)域、汽車領(lǐng)域、環(huán)境領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及醫(yī)療領(lǐng)域。在信息領(lǐng)域上，光電子技術(shù)可以有效的提高信息傳輸和處理的速率；在能源領(lǐng)域上，能夠?qū)崿F(xiàn)將光能轉(zhuǎn)換為熱能；在汽車領(lǐng)域上，可以有效的提升汽車的功率；在環(huán)境領(lǐng)域上，也給治理環(huán)境污染帶來了新的希望；在軍事領(lǐng)域中，可以制造先進(jìn)的激光制導(dǎo)武器和形成有效的圖像傳感器；在醫(yī)療上，通過激光手段可以治療一些傳統(tǒng)手段難以治愈的疾病，同時(shí)還能夠使手術(shù)成功率、治療效果都得到有效的提升。

3 激光雷達(dá)中光電子技術(shù)的應(yīng)用分析

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，信息量可謂是與日俱增，這使得電子學(xué)和微電子學(xué)在系統(tǒng)響應(yīng)、頻寬以及承載傳輸信息上的發(fā)展面臨著較大的難點(diǎn)。而光作為信息載體的一種，不僅頻率高，反應(yīng)速度也更快，可以有效的促進(jìn)信息技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)如今，在變超大、超精、高速等方面有所要求的都需要借助光電子技術(shù)。目前，光電子技術(shù)中的光纖通信是已經(jīng)在微波領(lǐng)域中得到普遍應(yīng)用，其在激光雷達(dá)中的應(yīng)用也正在逐步推廣，光電子技術(shù)在激光雷達(dá)中的應(yīng)用中發(fā)揮了明顯優(yōu)勢(shì)，極大的推動(dòng)了激光雷達(dá)的發(fā)展。在計(jì)算機(jī)發(fā)展潮流時(shí)期，套用老話說：不采用計(jì)算機(jī)技術(shù)的雷達(dá)就不是先進(jìn)雷達(dá)，然而現(xiàn)在應(yīng)該說成不采用光電子技術(shù)的雷達(dá)就不是先進(jìn)雷達(dá)。下面將對(duì)激光雷達(dá)中光電子技術(shù)的應(yīng)用從雷達(dá)信號(hào)傳輸、雷達(dá)信號(hào)處理、雷達(dá)波束的光控制三方面進(jìn)行分析。

3.1 光電子技術(shù)在激光雷達(dá)信號(hào)傳輸中的應(yīng)用

光纖鏈路的是由二極管、光纖、調(diào)制器等部分組成的。在激光雷達(dá)信息傳輸過程中，光纖鏈路可以將微波信號(hào)通過調(diào)制器處理調(diào)制為光波，之后再通過光纖對(duì)微波信號(hào)的傳輸進(jìn)行模擬。現(xiàn)階段，電子技術(shù)在激光雷達(dá)信號(hào)傳輸中的應(yīng)用在國外相對(duì)更成熟些。采用光纖對(duì)激光雷達(dá)的信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)淖畲髢?yōu)點(diǎn)在于可以降低頻率和傳輸消耗。

研究表明，在雷達(dá)信號(hào)傳輸?shù)倪^程中，整個(gè)頻段產(chǎn)生的損耗如果與調(diào)節(jié)信號(hào)保持一致，就會(huì)在一定程度上促進(jìn)信號(hào)傳輸，有助于激光雷達(dá)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)。天線作為輻射源，會(huì)受到反輻射作用，因此要合理的把控控制中心與其的位置，可以采用同軸電纜，雖然傳輸期間損耗大，但是天線與指令間的距離卻可以得到很好的控制。其次，在電纜耗銅量上是隨著頻率平方根的增大而增大，在信號(hào)傳輸?shù)那捌?，需要先將信?hào)調(diào)整到頻率范圍內(nèi)，以便于放大器和放大信號(hào)電平的作業(yè)。在使用光纖鏈路進(jìn)行傳輸激光雷達(dá)信號(hào)時(shí)，若光纖受比較小，在指令中心進(jìn)行傳輸時(shí)是不需要進(jìn)行變頻的，這種情況下即使不使用放大器也能夠?qū)崿F(xiàn)提高信號(hào)電平等的應(yīng)用效率。但是為了在光纖系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)傳輸期間能夠保持穩(wěn)定的性能、降低運(yùn)營的成本和提高抗電磁能力，還是需要使用光纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，同時(shí)為激光雷達(dá)天線遠(yuǎn)程化傳輸提供保障，使激光雷達(dá)在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮更大的作用，同時(shí)更有力地促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。除此之外，光纖系統(tǒng)還具備體積小、重量輕、靈活性高的優(yōu)點(diǎn)，因此在一些小的空間內(nèi)或空間存在限定的場(chǎng)合比較使用。

3.2 光電子技術(shù)在激光雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用

光纖延遲線是由激光器、調(diào)節(jié)器等部分構(gòu)成，是微波射頻領(lǐng)域中限號(hào)處理的新型器件之一。光纖延遲線可以產(chǎn)生多種不同的信號(hào)處理器，例如：編碼發(fā)生器、橫向匹配濾波器等。在激光雷達(dá)系統(tǒng)處理中，帶寬極寬特性的系統(tǒng)所具備的用途更為重要，在聲表面波器件的頻率較低時(shí)，性能就越優(yōu)越，但是在對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)就需要將頻率控制在一定值下，而現(xiàn)在的信號(hào)處理器件尚不能實(shí)現(xiàn)較好的處理效果。

在對(duì)寬帶激光雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，由于雷達(dá)接接收機(jī)的分辨率較高，因此在選擇電子情報(bào)信號(hào)處理器時(shí)需要選擇成本低、時(shí)間帶寬積大的器件，并使用同軸電纜和體聲波器件。和其他延遲線相比較，光纖延遲線的性能更加先進(jìn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)任何延時(shí)，還具備工作頻率高的特點(diǎn)。但是在使用過程中，為了進(jìn)一步兼顧使用成本，可以選擇單模石英光纖為主要介質(zhì)，這樣也可以在一定程度上保障性能。這樣看來，信號(hào)處理器的主要構(gòu)件使用光纖延遲線可以有效的發(fā)揮其作用?，F(xiàn)如今，光纖延遲線在激光雷達(dá)中的應(yīng)用是其價(jià)值的最佳體現(xiàn)，不僅可以在雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，還能夠應(yīng)用到隨機(jī)程序發(fā)生器、衛(wèi)星雷達(dá)中去，因此光纖延遲線對(duì)在雷達(dá)信號(hào)處理中的應(yīng)用具有良好的發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3.3 相控陣?yán)走_(dá)波束的光控制

利用相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)光波束進(jìn)行控制時(shí)，需要借助有原單位將其形成跟蹤尖銳波速束。該波束可以控制電子調(diào)控方法，使輻射單位發(fā)生改變，有利于實(shí)現(xiàn)相對(duì)相位。作為單元控制器件的移相器，在傳統(tǒng)形式上主要有二極管、鐵氧體移相器兩種。這兩種形式的移相器在工作頻率上存在著較大的差異，前者的工作頻率較低，后者的工作頻率較高。前者與后者相比不僅體積大、損耗量大，在連續(xù)控制上也存在著很大的差異。因此在科學(xué)技術(shù)快速進(jìn)步的今天，利用光電子技術(shù)分配相移和射頻功率，則表現(xiàn)出較大的優(yōu)勢(shì)。使用線性連續(xù)控制方法來對(duì)微波相移進(jìn)行操作，可以有效的減少移相器的體積和能耗，提高波束控制的靈活性。通常情況下，大型的相控陣天線是由多個(gè)MMIC 收發(fā)模塊獨(dú)立完成，與振蕩器保持同步，在空間內(nèi)或各個(gè)模塊中對(duì)主振動(dòng)器進(jìn)行鎖定，隨后采用同軸電纜方式對(duì)光纖鏈路上的參考信號(hào)進(jìn)行改動(dòng)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)降低重量減少體積的效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，激光雷達(dá)是一種正處在迅速發(fā)展的高科技術(shù)，無論是在民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用。而先進(jìn)的光電子技術(shù)與激光雷達(dá)的結(jié)合，可以使激光雷達(dá)技術(shù)上升到新的發(fā)展階段，使其在精度上、經(jīng)濟(jì)上、實(shí)用上等方面都取得了較大的突破。因此，將光電子技術(shù)應(yīng)用到激光雷達(dá)中，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。