Дальномер лазерный что такое: Лазерный дальномер – как он работает и какой выбрать? | Электронные компоненты. Дистрибьютор и магазин онлайн

1.

Введение

Лазерный радар (также называемый ладаром для лазерного обнаружения и дальности, лидаром для обнаружения света и дальности или опдаром для оптического обнаружения и дальности) начал большую часть своего развития в начале 1960-х годов, вскоре после изобретения лазера. До изобретения лазера были некоторые более ранние разработки лидаров, но лазер стал реальным инструментом. Лазерный радар стал относительно недорогим и надежным и имеет очень богатую феноменологию, что делает лазерный радар конкурентоспособным по сравнению с альтернативными сенсорными технологиями, такими как пассивные электрооптические датчики или микроволновый радар.Лазерный радар начал работать в видимой области (рубиновый лазер), а затем появился в ближней инфракрасной области (Nd:YAG-лазеры) до теплового инфракрасного (CO2-лазер). Многие лазерные радары в настоящее время разрабатываются в безопасном для глаз коротковолновом инфракрасном диапазоне (∼1,5  мкм).

Развитие лазерных радаров сопровождалось многочисленными публикациями, в результате которых появились новые журналы, новые профессиональные встречи, симпозиумы и конференции, такие как «Технологии и приложения лазерных радаров», проводимые SPIE в рамках симпозиума по оборонным и коммерческим датчикам, который включает специальные курсы по лазерной локации для участников. ¹ Лазерная локация стала темой новых фундаментальных книг ^{2 – 5} и докладов, ⁶ , а также предметом, преподаваемым в университетах. ⁷ Появились новые технологии, основанные на принципах лазерной локации, такие как оптическая когерентная томография (ОКТ) и цифровая голография. Диапазон большинства применений лазерных радаров составляет от микрометров ⁸ до десятков километров.

Появились обзоры истории развития лазерных радаров, касающиеся Европы, ⁹ США, ¹⁰ бывшего Советского Союза (БСС), ^{11 , 12} Японии, ^{13 и} 0 Японии. ¹⁴ Этот документ объединяет и обновляет эти истории. Мы ограничили наши примеры выборкой методов и приложений лазерных радаров вместо того, чтобы пытаться охватить всю область. Осветить всемирную историю технологии лазерных радаров за более чем 50 лет остается сложной организационной задачей.

2.

Лазерные радары и указатели прямого обнаружения

2.1.

Первые шаги дальномеров

Лазерный дальномер — простейший вид лазерного радара.Он использует один детектор для определения дальности до цели на основе времени прохождения лазерного импульса туда и обратно до объекта и от него. Поскольку мы знаем скорость света, мы можем рассчитать расстояние. Идея использовать короткие импульсы света для измерения расстояния принадлежит Лебедеву. ¹⁵ Короткие импульсы обеспечивают отличное разрешение по дальности. В прототипе использовался специально разработанный интерференционный модулятор для получения коротких импульсов света в 1936 году. Измерялась дальность до 3,5 км с точностью от 2 до 3 м.В 1963–1964 годах лазерные дальномеры были разработаны с использованием рубина и арсенида галлия в той же лаборатории, которую Лебедев использовал в 1930-х годах, в Государственном оптическом институте имени Вавилова (ГОИ) в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург).

Дальномер, бесконтактный взрыватель и наведение оружия были первыми военными лазерными системами в конце 1960-х и начале 1970-х годов. Первые рубиновые лазеры были дорогими, малоэффективными и небезопасными для глаз. Позже стали доступны короткоимпульсные, высокоэнергетические и сильно коллимированные монохроматические лучи, поскольку лазеры с модуляцией добротности произвели революцию в возможностях лазерных радаров.

В Швеции лазерные исследования с рубиновым лазером начались в Шведском институте оборонных исследований (FOI) в 1961 году. Пионерами в отрасли были ASEA и LM Ericsson. В 1968 году Эрикссон поставила шведской береговой артиллерии лазерные дальномеры для оперативного использования. Bofors разработала лазерные дальномеры для пехотной пушечной машины IKV 91 и для системы BOFI в сотрудничестве с Hughes Aircraft. Позже ASEA разработала облачные высотомеры для гражданского и военного рынков. В начале 1970-х годов компания Bofors разработала успешную зенитно-ракетную лучевую систему наведения RBS 70, которая позже была модифицирована в RBS 90 и продавалась по всему миру. Первая в мире ракета «земля-воздух» с лазерным лучом, SAM, поступившая на вооружение, была разработана в Bofors и содержала лазерное зондирование. В конце 1970-х годов Эрикссон разработал лазерный бесконтактный взрыватель для ракеты Sidewinder. Эрикссон также разработал систему лазерного слежения, но это лазерное приложение вскоре уступило место видеотрекерам.

В Норвегии Норвежское оборонное научно-исследовательское учреждение передало свои знания компании Simrad Optronics, которая прославилась своим лазерным дальномером, встроенным в портативный бинокль.Совсем недавно компания разработала семейство дальномеров для определения местоположения целей и управления огнем.

Компания Royal Signals and Radar Establishment (RSRE) в Соединенном Королевстве стала пионером в разработке военных лазеров. Отличный обзор первых лазерных дальномеров был опубликован Forrester и Hulme. ¹⁶ Утверждают, что рубиновый танковый лазерный прицел LF-2 был первой в мире лазерной системой, запущенной в массовое производство. Он был разработан в первую очередь для использования с основным боевым танком «Чифтен» британской армии, но широко использовался и на других танках, таких как ОБТ «Виккерс», «Центурион», «Скорпион» и его производных «Чифтен».Первоначальным используемым оборудованием был рубиновый лазер с переключателем добротности с вращающейся призмой, хотя в более поздней версии использовался YAG с пассивной модуляцией добротности (LF-11).

В 1968 году компания Ferranti (теперь Leonardo Finmeccanica) разработала первую в мире полностью стабилизированную лазерную систему, включающую лазерный дальномер Nd:YAG и маркирующую целеуказатель. Маркирующая ГСН представляет собой устройство на самолете, которое захватывает цель, обозначенную лазером. Это оборудование входило в состав систем наведения вооружения самолетов «Ягуар», «Харриер» и «Торнадо».Мощность лазерного передатчика 1,06 мкм генерировалась Nd:YAG-лазером с электрооптической модуляцией добротности, способным работать с частотой повторения 10 или 20 Гц.

Один из первых советских лазерных дальномеров БД-1 (рис. 1) был описан в более поздней публикации SPIE. ¹⁷ Другим примером является КТД 2-2. Технология лазерных дальномеров и лазерных целеуказателей представлена ​​многочисленными операционными приборами, описанными в более поздней публикации. ¹⁸ Устанавливаются на самолеты СУ и МИГ, а также вертолеты (см.2). Во Франции компания Thales Research and Technology поставила французским официальным службам лазерный дальномер Nd: YAG в 1967 году. Лазерный дальномер был установлен на танке AMX 13 для полевых испытаний. ¹⁹ В 1970-х годах Томсон и Сайлас разработали систему освещения воздушных целей, которая продемонстрировала возможность использования на одноместном истребителе, а позже она была преобразована в модуль наведения ATLIS.

Рис. 1

Примеры ранних разработок лазерных дальномеров (LRF).(а) испытательное оборудование для первого Ericsson LRF (1965 г.), (b) LRF для шведской береговой артиллерии (1968 г. ), (c) ручной Simrad LP-7, (d) LRF KTD 2-2 (Полюс, СССР), (д) LRF BD-1 (Институт № 801, СССР) и (f) Ferranti CO2 TEA LRF.

Рис. 2

Примеры советских/российских лазерных дальномеров-целеуказателей: (а) дальномер-целеуказатель Самшит-50 для вертолета Ка-52, (б) оптико-электронная система 31Э-МК для Су-30 истребитель, (c) серия «Шквал» для Су-25Т, Су-25ТМ/Су-39 и Ка-50, и (d) гондола «Сапсан-Э» для полетов МиГ и Су класса «воздух-поверхность».

Германия также разработала лазерные дальномеры и целеуказатели на основе лазера Nd: YAG от Carl Zeiss и Eltro. Военные лазерные исследования проводились ФГАН-ФфО. Многие из их ранних публикаций были посвящены распространению лазеров в атмосфере. ²⁰

2.2.

Дальномер дальнего действия

Первый лазерный дальномер до Луны был сделан Линкольнской лабораторией Массачусетского технологического института (MIT/LL) в 1962 году с использованием рубинового лазера мощностью 50  Дж/импульс. Затем в 1969 году в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, была проведена точная лазерная дальность до Луны. В нем использовался ретрорефлектор, установленный на Луне астронавтами Аполлона-11. Направляя лазерные импульсы на отражатель с Земли, ученые смогли определить расстояние до этой точки на Луне с точностью около 3 см. Дополнительные пакеты ретрорефлекторов были высажены НАСА на поверхность Луны во время миссий «Аполлон-14» и «Аполлон-15». Ретрорефлекторы французского производства были мягко приземлены на поверхность Луны советскими спускаемыми аппаратами. ²¹

Комплект ретрорефлекторов также использовался в японском проекте ретрорефлекторов в космосе (RIS), установленном на спутнике ADEOS (Национальное агентство космического развития Японии, в настоящее время: Японское агентство аэрокосмических исследований) и запущенном в августе 1996 года.Ретрорефлектор имел изогнутую зеркальную поверхность для компенсации аберрации скорости из-за движения спутника. Наземная приемопередающая система использовала CO2-лазер атмосферного давления с поперечным возбуждением (TEA) и детектор HgCdTe с высокоточным телескопом слежения диаметром 1,5 м в Лаборатории исследований связи (теперь именуемой Национальным институтом информационных и коммуникационных технологий). ) в Кокубунджи, Токио. Спектры поглощения атмосферного озона были успешно измерены в 10-мкм диапазоне длин волн по отражению от РИС. ²²

В СССР дальние измерения с помощью лазеров были начаты в 1962 г. ОКБ «Вымпел» совместно с Физическим институтом им. Лебедева. Его первые эксперименты в 1967 году позволили провести лазерную дальнометрию самолета Ту-134, оснащенного оптическими ретрорефлекторами. ⁹ Десять лет спустя в Сары-Шагане был испытан гигантский лазерный радар ЛЭ-1, главной задачей которого была противоракетная оборона. Он отслеживал спутник «Молния» и измерял расстояние до него без световозвращателя.

БСС ЛЭ-1 имел многоканальный передатчик (49×4) и многоканальный приемник с массивом из 196 фотоумножителей с регулируемым диапазоном, каждый из которых имел свою оптическую систему. Переключатель выполнен в виде блока из четырех оптических клиньев, вращающихся с частотой 80 Гц. Многолучевое управление ЛЭ-1 осуществлялось с помощью быстрого двумерного сканера, состоящего из двух зеркал, приводимых в движение шаговыми двигателями. Зеркала сохраняли стабильность луча во время циклов передачи-приема. Каждый лазер состоял из задающего генератора/усилителя мощности с идентичными рубиновыми кристаллами и электронно-оптическим переключателем KDP.Энергия выходного импульса составляла 1 Дж, частота повторения импульсов (ЧПИ) каждого лазера составляла 10 Гц, а длительность импульса составляла 30 нс. Оптический поезд разработан ЦКБ «Геофизика» совместно с Оптическим институтом имени Вавилова. Телескоп Кассегрена с апертурой главного зеркала 1,2 м и полем зрения 21 угловая минута обеспечивает сопровождение цели в верхней полусфере. Он был разработан и изготовлен компанией ЛОМО. Телескоп ведет операцию с угловой скоростью до 5  град/с и угловым ускорением до 1.5  град/с2 с динамической ошибкой 5′. Аберрация скорости компенсируется наклоном зеркала. Лазерный радар ЛЭ-1 мог обнаруживать цель площадью 1 кв. м на расстоянии 400 км.

2.3.

Лазерные высотомеры

Измерение времени пролета является краеугольным камнем лазерных радиолокационных высотомеров. Лазерный высотомер лунного орбитального аппарата (LOLA), созданный НАСА США, был разработан для определения характеристик мест посадки и обеспечения точной глобальной геодезической сетки на Луне. ²³ Основным измерением LOLA является топография поверхности.Прибор обеспечивает дополнительные измерения наклона поверхности, шероховатости и коэффициента отражения. LOLA — это многолучевой лазерный высотомер, работающий на длине волны 1064,4 нм с частотой повторения импульсов 28 Гц. Единственный лазерный луч разделяется дифракционным оптическим элементом на пять выходных лучей (рис. 3(a)], каждый из которых имеет расходимость 100 мрад и освещает пятно диаметром 5 м с картографической орбиты, в результате чего общая частота дискретизации лунной поверхности составляет 140  измерений/с. Обратнорассеянные импульсы обнаруживаются приемником, который отображает пятиточечную структуру на отдельных оптических волокнах, каждое из которых передает полученный сигнал на отдельный кремниевый лавинный фотодиод (APD). Пример лунных профилей показан на рис. 3(b).

Рис. 3

(a) Лазерный высотомер лунного орбитального аппарата: пять выходных лучей, (b) лунные профили и (c) топографическая карта Луны.

Лазерные пятна образуют перекрестный рисунок на лунной поверхности, при этом каждый луч разделен на угол 500 мрад и повернут на 26 градусов вокруг оси надира по отношению к вектору поступательной скорости космического корабля. Образец образца позволяет вычислить уклоны поверхности в диапазоне азимутов. Топографическая карта Луны показана на рис.3(с).

Чтобы повысить чувствительность лазерного радара для автомобильного применения, Inoue et al. ²⁴ от Toyota использовала волоконные усилители как для передатчика, так и для приемника, разработав прибор с сенсорной головкой размером 2  см2. Передающая оптическая система состоит из импульсного волоконного лазера. Пиковая выходная мощность составляет 10 кВт, а ширина импульса — 4 нс. Диаметр сканирующего зеркала составляет 10 мм. Волоконно-оптический усилитель имеет промежуточный изолятор и полосовой фильтр для подавления спонтанного излучения и повышения эффективности преобразования и коэффициента шума. ²⁵ Резонансная частота сканирующего зеркала 100 Гц, угол сканирования 40 град.

Институт космонавтики и астронавтики (ISAS), Япония, разработал различные лазерные высотомеры для использования в космосе и астронавтике. На рисунке 4 показаны некоторые детали миссии Хаябуса с использованием лидара Хаябуса, запущенного в 2005 году. ^{26 , 27} снятое тепловизором, и рис.4(b) показана летная модель ISAS. Он работает на длине волны 1064 нм при 8 мДж, 1 Гц, апертуре 12,5 см, весе 3,7 кг, 24  см×23  см×25  см). На рис. 4(c) показана относительная высота, измеренная лазерным радаром Hayabusa. Он имеет разрешение по дальности ±1  м. Точное измерение высоты астероида было первым в мире. Лазерный радар Hayabusa-2 был запущен в 2015 году для нацеливания на сближающийся с Землей астероид под названием 1999 Ju3.

Рис. 4

Миссия «Хаябуса» с использованием лидара Хаябуса. (а) изображение астероида «Итокава», сделанное устройством формирования изображений, (б) летная модель и (в) относительная высота и горизонтальное расстояние, измеренные лидаром Хаябуса.

2.4.

Лазерные целеуказатели

Первый лазерный целеуказатель показан на рис. 5(a). Это часть серии бомб с лазерным наведением Paveway [Рис. 5(б)]. С момента своего создания в 1968 году Paveway произвел революцию в тактических боях «воздух-земля». ⁸ Эти полуактивные боеприпасы с лазерным наведением, которые наводятся на отраженную энергию, направленную от цели, не только резко сокращают количество боеприпасов, необходимых для поражения цели, но также обладают точностью, надежностью и экономичностью, ранее недостижимыми при использовании обычного оружия.Силы НАТО успешно использовали Paveway во время операции «Лис пустыни» и последующего патрулирования бесполетных зон над Ираком из-за его высокой точности и снижения вероятности побочного ущерба. Paveway III — это третье поколение, обеспечивающее оптимальную эксплуатационную гибкость за счет использования адаптивного цифрового автопилота, большого поля обзора и высокочувствительной системы самонаведения. Он адаптируется к условиям выброса, летит по соответствующему среднему курсу и обеспечивает формирование траектории для повышения эффективности боеголовки.При использовании совместно с проникающими боеголовками BLU-109 или BLU-113 Paveway оптимизирует не только траекторию и угол удара, но и угол атаки.

Рис. 5

(а) Первый лазерный целеуказатель (1969 г.) и (б) первая бомба с лазерным наведением.

2.5.

Лазерные дальномеры и целеуказатели как компоненты системы

После начальной разработки рубиновых и Nd:YAG лазерных дальномеров и целеуказателей возникли вопросы о совместимости дальномеров с FLIR в диапазоне от 8 до 12   мкм, а также проблема безопасности для глаз.Требовалось измерить дальность любой цели, которую может различить тепловизор, включая, например, способность проникать сквозь туман и дым. Эти соображения привели к разработке импульсных дальномеров на основе импульсного СО2-ТЕА-лазера. Прототип дальномера CO2 TEA был разработан RSRE и Ferranti. ²⁸

Однако дальномер CO2 TEA не имел успеха. Лишь очень немногие заработали из-за ряда проблем; среди них «проблема мокрой цели», означающая потерю дальности от мокрой цели из-за низкой отражательной способности на 10.6  мкм, необходимость охлаждаемых детекторов, дорогая оптика и проблемы со сроком службы лазера. Вскоре основное внимание в военных лазерных дальномерах было сосредоточено вокруг длины волны 1,5     мкм с использованием генератора оптических параметров с комбинационным смещением или технологии газа высокого давления, сдвинув Nd: YAG с 1,06 до 1,55   мкм. В других схемах использовалось эрбиевое стекло или другие материалы. Начиная с эффективного Nd:YAG-лазера в качестве источника накачки, концепция многофункциональных лазеров развивалась. ²⁹ Идея заключалась в том, чтобы объединить 1. Обнаружение/обозначение дальности 06 мкм с лазерным радаром, лазерным глушением, идентификацией поля боя «свой-чужой» и другими функциями в компактной системе, сосредоточенной вокруг одного передатчика. На рис. 6 показаны примеры систем, разработанных в бывшем СССР, включающих в себя лазерные дальномеры и целеуказатели.

Рис. 6

БСС Электрооптические системы с лазерными радарами. (а) один из двух палубных приборов лазерной радиолокационной системы ВМФ (Квант, Киев), (б) многоканальный КМ с лазерной радиолокационной системой наблюдения и управления огнем (Квант, Киев) и (в) прецизионная дальнометрия и угловое измерение система (Алтайский оптико-лазерный центр).

2.6.

Некогерентное измерение ветра

Измерения профиля ветра на малых высотах с помощью некогерентного лазерного дальномера были продемонстрированы с использованием простой системы слежения за воздушными шарами с небольшими (диаметром 0,25 м) легкими воздушными шарами. ³⁰ Эксперименты с траекториями воздушных шаров показывают, что лазерное определение дальности (±0,5  м) в сочетании с измерениями азимута и угла места является простой, точной и недорогой альтернативой другим методам профилирования ветра. Для увеличения максимальной дальности обнаружения до 2200 м к аэростатам прикрепили ретрорефлекторную ленту.Отслеживание в ночное время облегчалось маломощными светодиодами (СИД).

Другой пример некогерентного доплеровского измерения ветра продемонстрирован в статье Liu et al. ³¹ Лю из Океанического университета Циндао, Китай, а некоторые из его сотрудников работают в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли, Хэмптон, Вирджиния. Схема лидарного передатчика, приемника и регулятора частоты показана на рис. 7. Задающий генератор системы представляет собой одномодовый перестраиваемый Nd:YAG-лазер с непрерывной волной (CW) с двухволновой диодной накачкой.Выход на длине волны 1064 нм используется для затравки импульсного лазера Continuum Powerlite 7000 Nd: YAG. Выходной сигнал затравочного лазера с длиной волны 532 нм направляется на йодный фильтр (ячейка 1) для контроля и фиксации частоты затравочного лазера. При такой настройке точность частоты поддерживается в пределах 0,2 МГц, что соответствует погрешности измерения ветра 5,0  см/с.

Рис. 7

Схематическая диаграмма импульсного лазерного передатчика Nd:YAG с модуляцией добротности. ²⁶

Мобильный доплеровский лидар прямого обнаружения с рэлеевским рассеянием (рис.8) был разработан Университетом науки и технологий Китая ^{32 , 33} для измерения полей ветра в диапазоне от 15 до 70 км с разрешением по высоте 0,2 км ниже 40 км и 1 км выше. Эта несканирующая система работает на безопасной для глаз длине волны 354,7 нм с использованием Nd:YAG-лазера с утроенной частотой 50 Гц. В качестве частотного дискриминатора для определения скорости ветра используется тройной канал, два из которых являются обоюдоострыми каналами, расположенными на крыльях спектра термически уширенного молекулярного обратного рассеяния, а третий фиксирует частоту уходящего лазера на пересечении -точки обоюдоострых каналов. ³⁴ Сканирующая система может обнаруживать горизонтальный ветер в четырех направлениях (север, юг, восток, запад) путем сканирования излучающей-приемной системы.

Рис. 8

Перспективный вид двух лидаров. ²⁸

3.

Когерентные лазерные радары

3.1.

Бортовые приборы

Когерентные лазерные радары используют свойства пространственной и временной когерентности лазерного излучения. Смешивая полученный сигнал с оптическим гетеродином, можно измерить полное поле, включая информацию о фазе и амплитуде, по сравнению с прямым обнаружением, когда мы измеряем только амплитуду (интенсивность) обратного лазерного сигнала.Типичным применением когерентного лазерного радара является измерение скорости, потому что, измеряя фазу, мы можем напрямую измерить доплеровский сдвиг частоты.

Бортовые когерентные лазерные радары использовались для получения изображения земли, предупреждения о препятствиях, слежения за местностью, а также для измерения ветра, включая измерения обратного рассеяния. CLARA была французско-британской системой, разработанной для измерений твердых целей (кабели, поверхность земли и т. д.). ³⁵ Это оборудование последовало за успешными испытаниями «лазерной системы обнаружения препятствий и кабеля» с импульсным CO2-лазером, разработанной совместно двумя группами в бывшем GEC Marconi.В другом проекте, Société française d’équipements pour la navigation aérienne во Франции, был продемонстрирован частотно-модулированный лазерный радар CW (FMCW) для слежения за местностью и уклонения от нее боевых самолетов. ³⁶ Бортовой лидар LATAS, разработанный RSRE, в основном использовался для измерения истинной скорости воздуха и измерения обратного атмосферного рассеяния на 10,6   мкм, но также продемонстрировал визуализацию интенсивности естественной местности и искусственных объектов. ³⁷

Другими приложениями, использующими когерентный лазерный радар, были точная навигация к назначенной посадочной площадке на Земле или к внеземным объектам, а также сближение и стыковка с орбитальным космическим кораблем, требующие точной информации об относительной скорости и высоте транспортного средства. Доплеровский лидар был разработан НАСА в рамках проекта ALHAT. ³⁸ Данные лидарной точности вектора скорости позволили навигационной системе постоянно обновлять траекторию движения корабля к месту посадки.

На рис. 9 показана конфигурация полностью оптоволоконного лидара. Его форма волны генерируется волоконным лазером с очень узкой шириной линии, модулируется по частоте и направляется по одномодовому волокну на мощный волоконный усилитель. Выход оптоволоконного усилителя разделяется на три составляющие для распределения мощности по трем оптическим каналам, соответствующим составляющим вектора скорости (рис.10).

Рис. 9

Конфигурация системы доплеровского лидара.

Рис. 10

Единичные векторы, описывающие геометрию датчика.

3.2.

Измерение атмосферного ветра

Измерение ветра является ценным приложением для когерентных лазерных радаров. ³⁹ Измерения включают в себя различные наземные программы, такие как локальное измерение поля ветра и исследование вихревого следа на аэродромах (рис. 11). Бортовые системы используются для измерения истинной воздушной скорости, погрешности давления, предупреждения о сдвиге ветра и сбора обратного атмосферного рассеяния над Северной и Южной Атлантикой.В 1990-х годах Европейская космическая энергетика поддержала космический лидар ветра в программе Atmospheric Laser Doppler Instrument. Новаторские работы по ветровому лидару в Европе были выполнены в RSRE (Соединенное Королевство), DLR (Германия) и в Laboratoire de Meteorologie Dynamique, Ecole Polytechnique (Франция). Для обзора первых когерентных лазерных радаров в Европе мы ссылаемся на статью Vaughan et al. ⁴⁰ В книге Киллинджера и Мурадяна (редакторы) есть несколько статей, посвященных первым когерентным лазерным радарам в США. ⁴¹

Рис. 11

Датчики ветра: (a) оптический датчик турбулентности воздуха NASA (2  мкм, 1 мДж, 1 кГц, апертура 5 см, охладитель), (b) предупреждение о турбулентности NASA ACLAIM (2  мкм, 8 до 10 мДж, 100 Гц, апертура 10 см, охладитель) и (c) MAG-1A WindTracer (2   мкм, 2 мДж, 500 Гц, апертура 10 см, теплообменник).

Когерентный доплеровский лидар (CDL) оказался полезным инструментом для определения атмосферного ветра с земли, воздуха или из космоса. CDL наблюдают большие объемы атмосферы с высоким пространственным и временным разрешением, что делает эти данные важными для многих приложений.

Первый CDL был описан Huffaker et al. ⁴² для обнаружения вихревого следа в 1970 году с использованием непрерывного CO2-лазера с длиной волны 10,6 мкм. В конце 1990-х годов компания Mitsubishi Electric коммерциализировала безопасные для глаз компактные оптоволоконные лидары и ветровые лидары среднего радиуса действия (8 км) (рис. 12), разработав высокомощный волоконный усилитель из Er, Yb:стекла мощностью 3,3 кВт. выходная мощность, ширина 580 нс и частота повторения 4 кГц. ⁴³ Также с помощью этого усилителя был реализован ветровой лидар сверхдальнего действия, превышающий 30 км, с разрешением по дальности 300 м. ⁴⁴ Цельноволоконный CDL был также разработан на основе новой концепции автоматического регулирования параметров, адаптирующегося к атмосферным условиям. Эти системы использовались в различных промышленных приложениях, таких как метеорологический мониторинг, ветровая съемка для производства ветровой энергии и безопасности полетов и так далее.

Рис. 12

(a) CDL, (b) отображаемые диаграммы шума сигнала и доплеровской скорости, (c) полностью волоконная доплеровская лидарная система и (d) ее блок отображения данных.

В конце 1990-х и начале 2000-х Coherent Technologies, Inc.(CTI) возглавила разработку датчиков ветра при спонсорской поддержке ВВС и НАСА. CTI также разработала коммерческие продукты, такие как датчик ветра. Несколько систем WindTracer были развернуты в аэропортах и ​​исследовательских центрах для мониторинга сдвига ветра в районе аэропорта и для изучения вихревых следов за самолетами.

Другим применением этой технологии в последнее время стал мониторинг ветра для платформ, производящих энергию ветра. Эти блоки размещаются на башне и следят за ветром и турбулентностью для лучшей работы ветрогенераторов. Halo Photonics в Соединенном Королевстве и Leosphere во Франции предлагают эти устройства на коммерческой основе.

ВВС США заинтересованы в обнаружении ветра для десантирования, артиллерийского корабля и сброса тупых бомб. Летная версия баллистического ветра была запущена в почти прототипе C-130 Pod System. Это было 15  фут3 и 1000 фунтов. В нем использовался твердотельный лазер мощностью 15 мДж и длиной волны 2 мкм.

3.3.

Добавление определения дальности к измерениям скорости

Когерентные лазерные радары могут использовать методы, аналогичные микроволновым радарам, для объединения определения дальности с доплеровским зондированием.Одна из концепций использует принцип сигнала FMCW. Примером может служить дальномер, разработанный в RSRE и описанный Hulme et al. ⁴⁵ Выходная мощность лазера составляет несколько ватт. Он модулируется акустооптическим модулятором, генерирующим «чирп»-импульсы, характерные для микроволновых радаров. Другие примеры приведены в работах. 4647.–48. В FOI были разработаны системы ^{49 , 50} с использованием сигналов FMCW от CO2 и полупроводниковых лазеров.

3.4.

Виброметрия

Одним из привлекательных применений когерентного лазерного радара является виброметрия, основанная на эффекте Доплера. Дистанционные бесконтактные измерения открывают потенциал для использования в гражданских и военных приборах. Виброметры обычно работают на 1,5, 2 или 10,6 мкм. Для получения вибрационной информации с пространственным разрешением используются сканирующие и многолучевые лазерные виброметры. Справочник 51 посвящен приложениям в области обороны и безопасности, таким как классификация и идентификация целей, включая замаскированные или частично скрытые цели, а также обнаружение заглубленных наземных мин, с некоторыми примерами гражданских приложений средней дальности.Спектр вибрации цели был получен как важная и надежная характеристика, необходимая для целей классификации и идентификации. Маленькая мишень на рис. 13(а) представляет собой обычную черную резиновую лодку с подвесным двигателем. Размер лодки ∼4×2×2  м3. Дальность действия составляла ∼1  км. Диаграмма в середине отображает частотный спектр. Частоты вибрации исходят из разных частей мишени. Справа — соответствующая спектрограмма за 5 с.

Рис. 13

Измерение вибрации с резиновой лодки.(а) видимое изображение с отмеченным лазерным лучом, (б) частотный спектр скорости и (в) частотный спектр во времени.

На основе спектрограммного подхода были получены вибрационные сигнатуры со спутника LACE в ходе наземных лазерных радиолокационных измерений с использованием когерентного CO2-лазера. ^{52 – 54} Спутник был оборудован германиевыми ретрорефлекторами ИК-излучения на выдвижных/убирающихся стрелах для улучшения измерений вибрации стрелы на орбите с помощью наземного ИК-лазерного радара.Данные были получены во время и после одного из маневров (втягивание стрелы). Они указывали на наличие сложной нестационарной модовой структуры. Спектры мощности вибраций показаны в доплеровском формате интенсивность-время на рис. 14(b). Здесь спектры мощности выровнены и отображены по вертикальной оси времени. Горизонтальная ось соответствует доплеровской частоте (т. е. скорости).

Рис. 14

(a) Спутник LACE. Относительная вибрация измерялась между германиевым ретрорефлектором, расположенным на корпусе спутника, и ретрорефлектором, расположенным на конце штанги ретрорефлектора.(b) Допплеровское представление интенсивности во времени для данных, выровненных по пиковому возврату.

Помимо CO2-лазеров на длине волны 10,6  мкм, в качестве лазерных виброметров успешно используется ряд твердотельных лазерных источников на основе неодима на длине волны 1,06  мкм, полупроводников или эрбиевого волокна на длине волны 1,5  мкм и гольмия на длине волны 2,1  мкм. Однако часто бывают условия окружающей среды, связанные с плохой видимостью, турбулентностью или высокой влажностью, когда желательно работать в среднем ИК-диапазоне для повышения производительности системы. Такие условия нередки на малых высотах и ​​в морской среде. Когерентные лазерные радиолокационные системы в среднем ИК-диапазоне могут иметь преимущества в условиях малой высоты, поскольку они менее чувствительны к рассеянию, турбулентности и влажности, которые могут повлиять на системы с более короткими или более длинными волнами. Моностатический когерентный лазерный радар на длине волны 3,6  мкм на основе одночастотного параметрического генератора оптического излучения описан в [11]. 55. Он работал на коротких дистанциях на открытом воздухе, используя в качестве целей два разных стационарных грузовика с работающими двигателями.Система обеспечила микродоплеровские измерения, которые были обработаны для получения спектров поверхностных колебаний стационарных, но работающих грузовиков.

Для получения пространственного распределения колебаний на поверхности исследуемого объекта можно использовать сканирующий виброметр. Сканирующие лазерные виброметры позволяют анализировать конструкцию с очень высоким пространственным разрешением, не изменяя ее динамическое поведение, сокращая время испытаний, если требуется большое количество точек измерения. Задача бортовых измерений исследовалась с помощью сканирующего лазерного доплеровского виброметра для измерения вибраций внутри макета кабины Agusta A109MKII. ⁵⁶ Вся просматриваемая площадь составляла 430×315  мм2. В тестах сканирования использовалась сетка 30×20. Сравнение также проводилось с виброграммами, измеренными при размещении виброметра вне макета. На рис. 15 представлены результаты испытаний на разных резонансах. Все они относятся к мгновенной амплитуде составляющей скорости на определенной частоте, ортогональной поверхности, с полосой пропускания ±10  Гц для частот до 1000 Гц и ±30  Гц для частот до 5000 Гц. Также было исследовано определение вибрации для обнаружения заглубленных мин. ⁵⁷

Рис. 15

Резонансные частоты вибрации, зарегистрированные в кабине макета вертолета.

4.

Экологические лазерные радары (лидары)

4.1.

Ранние шаги

Параллельно с военным лазерным зондированием, исследовательское сообщество лазерных радаров начало искать применение в зондировании атмосферы и океана. Например, лазерные радиолокационные наблюдения мезосферы были сделаны с помощью рубинового лазера еще в 1963 году Фиокко и Смуллином. ⁵⁸ О пространственном распределении аэрозолей в тропосфере сообщили Collis et al. ⁵⁹ В США было изучено вертикальное распределение водяного пара ⁶⁰ с использованием рубинового лазера с температурной перестройкой; это был первый эксперимент с использованием лидара дифференциального поглощения (DIAL). В Японии впервые был разработан лазерный радар на рассеянии Ми с использованием самодельного рубинового лазера с модуляцией добротности. Основные соотношения рассеяния, поглощения и видимости были проанализированы в 1968 г. Inaba et al. ⁶¹ в Университете Тохоку. В бывшем СССР температуру атмосферы изучали Аршинов и др. ⁶² Лазерное зондирование профиля влажности атмосферы исследовано Зуевым и соавт. ⁶³ Примеры лидарных систем ^{64 , 65} показаны на рис.  16. стратосферный аэрозоль и вулканическое облако, профиль стратосферного озона, тропосферный аэрозоль (включая плотность дымового шлейфа, коэффициент ослабления аэрозоля, атмосферную турбулентность), слой натрия и рэлеевское рассеяние в средней атмосфере, температуру морской воды, нефтяные пятна на поверхности моря и т. д. на.Были также проведены многочисленные теоретические исследования. Svanberg ⁶⁷ приводит множество примеров раннего лазерного радиолокационного мониторинга загрязняющих веществ. Атмосферные и океанские лазерные радары включают в себя все виды лазеров и детекторов в зависимости от цели лазерного радара. Возможными целями могут быть датчики аэрозолей или газов или океанов, такие как профилирование дна или воды (мутность, планктон и т. д.). Ограниченный объем статьи не позволяет нам углубиться в разработку лидаров атмосферы и океана.Вместо этого мы обращаемся к учебникам и обзорам для дальнейшего чтения. ^{68 , 69} Можно сослаться на две другие книги, посвященные распространению лазерного излучения в водной среде. ^{70 , 71} Исследования экологических лазерных радаров в странах бывшего СССР привели к созданию основополагающих монографий о распространении лазерного излучения в атмосфере Татарского ⁷² и Зуева. ⁷³ За ними последовали другие монографии томской научной школы. ^{74 , 75} В книге для метеорологов обсуждались практические вопросы, связанные с приложениями в метеорологии. ⁷⁶ Достижения CW FM технологий описаны в книге Агишева. ⁷⁷

Рис. 16

Лидары для исследования атмосферы: (а) полностью волоконный когерентный многофункциональный лазерный радар непрерывного действия для измерения дальности, скорости, вибрации и ветра на 1,55  мкм (FOI, 2000), (б) лидар автоматический система дистанционного мониторинга загрязнения атмосферного воздуха на крупных промышленных территориях (бывший Институт точного приборостроения, Москва) и (в) многофункциональная лидарная система (корпорация «Астрофизика», Москва).

4.2.

Многоволновые лидары

Penn State University ^{78 , 79} добились значительных успехов в области рамановского лазерного радара. Они позволили измерить оптические и метеорологические свойства атмосферы, основанные на колебательном и вращательном энергетическом состоянии молекулярных частиц, таких как водяной пар и озон, температура, оптическое ослабление, оптическое обратное рассеяние, многоволновое ослабление, отношение поглощения/обратного рассеяния, аэрозольные слои и образование/рассеивание облаков (рис.17). Метод углового рассеяния расширяет информацию, измеряя фазовую функцию рассеяния для аэрозолей, включая коэффициент поляризации фазовой функции рассеяния, числовую плотность в зависимости от размера, распределение по размерам, идентификацию многокомпонентных аэрозолей, показатель преломления и т. д. Мультистатический аэрозольный лазерный радар и мультистатический лазерный радар с несколькими длинами волн являются хорошими кандидатами для проспективных исследований.

Рис. 17

(а) Лидар в Университете штата Пенсильвания и (б и в) динамика температуры и поглощения.

4.3.

Лазерное радиолокационное зондирование в Китае

Изучение явлений желтой песчаной бури было одним из практических применений лазерного радара рассеяния Ми в Китае для мониторинга переноса пыли, профилей коэффициента ослабления аэрозолей, регионального переноса загрязнителей воздуха и городского смешанного слоя. . ^{80 – 82} Кроме того, Аньхойский институт оптики и точной механики (AIOFM) присоединился к национальным и международным проектам по лидарному мониторингу атмосферы. ^{83 , 84} Эти проекты включают лидарное наблюдение за азиатской пылью NETwork, ⁸⁵ Эолийская пыль, эксперимент по изучению воздействия на климат и т. д. Был реализован двухволновой поляризационный лазерный радар Ми, ⁸⁶ и 12-летнее наблюдение Сообщалось об аэрозоле в Хэфэй. ⁸⁷

Первый лазерный радар на рассеянии Ми был реализован для измерения стратосферного аэрозоля в 1980-х годах в Институте физики атмосферы (ИФА). В Пекине осуществлялся мониторинг усиления стратосферного аэрозоля вулканами Эль-Чичон (1982 г.) и Пинатубо (1991 г.).В начале 1990-х годов AIOFM начала разработку лидара рассеяния Ми на основе лазера Nd: YAG. Большое количество профильных данных вулканического облака Пинатубо было получено в Хэфэй и Пекине. ⁸⁸

В 1992 году IAP разработал многоволновой лазерный радар для наблюдения за стратосферным озоном и аэрозолями, а также за высотными облаками. В лазерном радаре использовались эксимерный XeCl-лазер и Nd:YAG-лазер, телескоп диаметром 1 м и многоканальный детектор. Nd:YAG-лазер имел выходную мощность 1 Дж, 300 мДж и 150 мДж при длинах волн 1064, 532 и 355 нм соответственно.Частота повторения импульсов составляла 10 Гц. Эксимерный лазер имел выходную мощность 140 мДж на длине волны 308 нм, а частота повторения импульсов составляла 100 Гц. ⁸⁹ В 1994 году AIOFM также разработала лазерный радар, использующий вторую и третью гармоники Nd:YAG, и эксимерный лазер для мониторинга профиля стратосферного озона. ⁹⁰ DIAL для загрязняющих газов, таких как SO2, O3, NO2, был разработан в AIOFM. ^{91 , 92} Газовые ячейки Ch5 и D2 накачивались четвертой гармоникой Nd:YAG.

Вибрационно-вращательный рамановский лазерный радар был разработан в Сианьском технологическом университете. ⁹³ Принципиальная схема вибрационно-вращательного рамановского лазерного радара представлена ​​на рис. 18. В системе в качестве источника света используется импульсный Nd:YAG-лазер, работающий на частоте утроенной длины волны 354,7 нм с частотой повторения 20 Гц. скоростью и выходной энергией 250 мДж при длительности импульса 9 нс. Отраженные сигналы собираются с помощью 600-мм ньютоновского телескопа, а затем соединяются с многомодовым оптическим волокном и направляются в спектроскопический бокс. Лазерный радар использовался для измерения профилей соотношения компонентов смеси водяного пара с помощью комбинационного рассеяния, а также коэффициента ослабления аэрозоля с помощью рассеяния Ми. ^{94 , 95} Высокая точность температурных профилей достигается на высоте до 25 км. ⁹⁶ Эффективное измерение водяного пара в атмосфере может быть достигнуто на высоте до 16 км. ⁹⁷ Примеры профилей экстинкции и температуры приведены на рис. 18.

Рис. 18

(а) Вибрационно-вращательная система рамановского лидара, разработанная в Сианьском технологическом университете, и (б) профили экстинкции и температуры.

Рис.19

(а) лидарные системы раннего рамановского рассеяния: в обсерватории Университета Тохоку и (б) мобильный сканирующий рамановский лидар.

Первый натриевый лазерный радар для средней атмосферы в Китае был разработан в 1996 году в Уханьском институте физики и математики. ⁹⁸ Лидар Рэлея и натрия был разработан Уханьским университетом. ⁹⁹ Лазерный радар работает на длинах волн 532 и 589 нм и обнаруживает рэлеевское обратное рассеяние, рамановский сигнал N2 и h3O и флуоресценцию натрия.Подобные натриевые лазерные радары также были разработаны в Университете науки и технологии Китая, ¹⁰⁰ и Уханьском университете. ¹⁰¹ Уханьский университет разработал железный лидар Больцмана для измерения температуры мезопаузы. ¹⁰² Национальный центр космических наук разработал натриевый флуоресцентный доплеровский лидар для наблюдения за температурой и ветром. ¹⁰³ В настоящее время для наблюдения за средней атмосферой работают пять лазерных радаров (в Ухане, Хэфэе, Циндао, Пекине и Хайнане).

4.4.

Лазерное радиолокационное зондирование в Японии

В Японии Inaba и Kobayashi ¹⁰⁴ из Университета Тохоку предложили лазерный радар с комбинационным рассеянием для определения загрязнения воздуха над промышленными районами Японии. Лазерные радары комбинационного рассеяния показаны на рис. 19. Для лазерного радара комбинационного рассеяния был разработан азотный молекулярный лазер с ультрафиолетовым излучением на длине волны 337,1 нм. Молекулярно-колебательные спектры комбинационного рассеяния света CO2, O2, N2 и h3O наблюдались в чистом воздухе, и впервые было показано, что основные молекулы воздуха могут быть обнаружены отдельно.Также в выхлопных газах автомобилей в воздухе были идентифицированы различные молекулы, такие как O3, CO, Ch5, жидкий и парообразный h3O. После этого эксперимента Nakahara et al. разработали мобильную сканирующую рамановскую лазерную радарную систему. ¹⁰⁵ в Mitsubishi Electric Co. Ltd. с использованием луча второй гармоники Nd:YAG-лазера на длине волны 532 нм. Было показано, что молекулы SO2 в шлейфе сточных вод дымовой трубы обнаруживаются с чувствительностью к концентрации 1000 частей на миллион на наклонном расстоянии 220 м. Рамановский лазерный радар также использовался для определения влажности с помощью спектроскопического обнаружения комбинационного рассеяния водяного пара и постепенно был расширен для определения коэффициентов ослабления атмосферных аэрозолей путем одновременного измерения спектров Ми и спектров комбинационного рассеяния азота.

После демонстрации высокой чувствительности лазерного радара с резонансным рассеянием в 1969 году ¹⁰⁶ было разработано несколько лидаров с резонансным рассеянием Na (натрия), о которых сообщалось Aruga et al. ¹⁰⁷ в Университете Тохоку и Nagasawa et al. ¹⁰⁸ в Университете Кюсю.

Стратосферный озон был измерен Uchino et al. ¹⁰⁹ в Университете Кюсю в 1978 году с использованием XeCl-лазера с разрядной накачкой на длине волны 308 нм на основе метода дифференциального поглощения.В 1988 г. НИИ метеорологии разработал мобильный лазерный радар для одновременного измерения озона, температуры и аэрозолей в стратосфере. ¹¹⁰ Они использовали три линии Стокса (276, 287 и 299 нм) вынужденного комбинационного рассеяния от ячейки с углекислым газом, накачиваемой Nd:YAG-лазером (266 нм). ¹¹¹ Национальный институт экологических исследований (NIES) также разработал такой же тип DIAL для озона.

Для выяснения механизмов потери озона в полярной стратосфере, известной как «озоновая дыра», был разработан эксимерный XeF-лазер с энергией в импульсе 200 мДж и частотой повторения 80 Гц на длинах волн 351 и 353 нм. Он был использован в 1986 году для наблюдения за молекулярной плотностью и температурой в диапазоне высот средней атмосферы Т. Шибата и соавт. в университете Кюсю. ¹¹²

Для изучения потенциала рассеяния Ми в 1979 году в Национальном институте экологических исследований NIES в Японии был построен большой сканирующий лазерный радар с энергией импульса 400 мДж на длине волны 532 нм и частотой повторения 25 Гц. (Рис. 20). Лазерный радар использовался в различных исследованиях по рассеянию Ми для измерения структуры пограничного слоя атмосферы, распределения аэрозолей и оптических характеристик. ¹¹⁵

Рис. 20

Большая сканирующая лидарная система (NIES): (а) схематическая диаграмма, (б) фотография лидара и (в) структура фронта морского бриза.

5.

Лазерные радары с визуализацией

5.1.

Early Laser Radar Imaging

Лазерные радары с визуализацией обычно генерируют трехмерное облако точек области путем измерения дальности и времени прохождения лазерных сигналов в большом количестве положений по азимуту и ​​углу места. Для измерения дальности при большом количестве угловых положений изначально использовались сканеры.Совсем недавно стали доступны массивы детекторов, позволяющие получать изображения со вспышкой. При визуализации со вспышкой массивы детекторов используются для одновременного получения данных о дальности в нескольких угловых точках. Лазерные радары с визуализацией могут получать отражательную способность, спектральные параметры, поляризацию, доплеровский сдвиг и трехмерные данные. Эта широта данных является причиной того, что мы ссылаемся на богатую феноменологию лазерного радара. Военные и охранные приложения включают в себя распознавание целей, определение местоположения цели, выбор точки прицеливания, отслеживание и наведение оружия.Военный лазерный радар для получения изображений вызвал интерес в 1970-х и 1980-х годах. Важный вклад был сделан MIT/LL. ¹¹⁶ Инфракрасный бортовой радар (IRAR) Испытательный стенд MIT/LL был в первую очередь экспериментальной системой распознавания целей. радар, который перевозился либо на грузовике, либо на борту самолета.

Примеры изображений из MIT/LL показаны на рис.21. Слева — изображение моста, полученное с помощью лазерного радара IRAR CO2 (10,59  мкм), в котором диапазон до каждого элемента изображения закодирован цветом. Данные, собранные в исходном наклонном виде, преобразуются в вид сверху, как показано на вставке. Эта возможность вращения является одним из преимуществ трехмерной визуализации. Этот вид может быть полезен для ГСН, использующих для наведения особенности местности. Затем доплеровское изображение скорости было получено с помощью перевозимого на грузовике радара с CO2-лазером. Доплеровский сдвиг каждого из ~16 000   пикселей изображения был извлечен процессором поверхностных акустических волн с частотой кадров 1 Гц.Скорость отображается в цвете. Способность обнаруживать движущиеся части транспортного средства обеспечивает мощное средство для выделения целей из помех. Следующее изображение, полученное с помощью лазерного радара на основе GaAs (0,85  мкм), представляет собой изображение танка, скрытого за маскировочной сеткой, в виде «угол-угол-дальность». Лазерный радар использует высокоточный синусоидальный амплитудно-модулированный сигнал при наблюдении за танком в сценарии, направленном вниз. Камуфляжная сеть была легко удалена из изображения, чтобы оставить изображение танка под фонарём. Крайнее правое изображение представляет собой доплеровское изображение спутника LAGEOS, полученное с помощью широкополосного радара с лазером на углекислом газе.Это изображение было сделано с полосой пропускания 1 ГГц. Доплеровское разрешение по скорости составляет ∼30  см/с. Цвет на изображении представляет относительную амплитуду сигнала.

Рис. 21

Изображения, полученные с помощью лазерных радиолокационных систем MIT/LL: (a) CO2-лазерно-радарные изображения моста, (b) доплеровское скоростное изображение UH-1, (c) лазерно-радарное изображение танк, скрытый маскировочной сеткой, и (d) дально-доплеровское изображение спутника LAGEOS, полученное широкополосным лазерным радаром CO2 в Файрпонде.

Первые радары лазерной визуализации были созданы компанией Raytheon. ^{118 , 119} Одним из примеров был тройной лазерный радар, содержащий волноводный лазер CO2 мощностью 15 Вт и гальванометрический сканер, телевизор и ИК-камеру InSb. Эта система использовалась в многочисленных кампаниях по оценке технологии создания изображений с помощью лазерных радаров. Параллельно с когерентными лазерными радарами сканирующие лазерные радары прямого обнаружения стали более интересными из-за несколько лучших характеристик записи интенсивности (меньше проблем со спеклами), а также лучшей точности и разрешения по дальности.Примером сканирования лазерных радаров прямого обнаружения в США в начале 1990-х годов был лазерный радар Hercules Defense Electronic Systems, ¹²⁰ , который работал на длинах волн 1,047 и 1,319 мкм Nd: YLF. Сообщалось, что переход 1,319 мкм дает примерно на 6–8 дБ меньшую пиковую мощность, чем переход 1,047 мкм, но дает преимущество в виде значительно улучшенных характеристик безопасности для глаз. Другим примером является система лазерного радара Fibertek Helicopter (HLR), ¹²¹ , которая была разработана в первую очередь для отслеживания рельефа местности и обхода проволочных препятствий. Система HLR генерирует безопасное для глаз излучение с длиной волны 1,54 мкм с помощью передатчика Nd:YLF и оптического генератора KTP. Лазер Nd:YLF генерирует импульсы длительностью 5 нс с частотой повторения импульсов до 15 кГц. Средняя мощность на длине волны 1,54  мкм составляла ∼1,0  Вт.

Ранние работы по созданию лазерных радаров в Европе включали когерентные системы CO2 во Франции ¹²² и Швеции. ^{123 – 125} На рисунке 22 показан пример многофункциональной радарной системы с когерентным лазером на CO2, разработанной в 1980-х годах в FOI. В этой системе был построен импульсный лазерный радар с программируемым передатчиком для изучения комбинированных возможностей доплеровского и дальномерного изображений.Исследован новый метод ¹²⁶ для сегментации местности на основе данных о дальности. В основе подхода лежало моделирование значений дальности, полученных по горизонтальным и вертикальным разверткам, как кусочно-постоянного (или линейного) сигнала в случайном шуме.

Рис. 22

Диапазон и скорость визуализации с импульсным CO2-лазером (FOI). (а) ТВ-изображение скрытого резервуара, (б) ТВ-изображение с наложением изображения дальности от когерентного лазерного радара на СО2 и (в) «доплеровские пиксели», наложенные на ТВ-изображение.

5.2.

Программы формирования изображений с контролируемым диапазоном

Программы получения двухмерных изображений с контролируемым диапазоном появились в 1990-х годах. В ВВС США была программа под названием ERASER. ⁸ Идея заключалась в том, чтобы использовать лазерный целеуказатель уже на самолете для увеличения дальности распознавания. Целеуказатель имеет более короткую длину волны, чем тепловизор, и может обеспечить лучшее угловое разрешение с ограничением дифракции и более длинный диапазон идентификации, чем тепловизионная камера. Лазерная система также обеспечивает собственное освещение, поэтому она не так подвержена изменениям времени суток, как, например, пересечение в тепловизионном изображении. Изображение со стробированием по дальности также дает очень хорошую контрастность фона цели, особенно если цель видна в режиме силуэта.

Исследование, проведенное армией США, начатое ВВС США, инициировало закрытую работу по двумерной визуализации, а также провело моделирование и тестирование прототипа оборудования. ¹²⁷ Производительность систем с стробированием по дальности ограничена параметрами сенсора, а также спеклами, вызванными целью и атмосферой, отклонением луча и танцем изображения, ^{128 , 129} , поскольку двумерные формирователи изображений обычно прямое обнаружение спеклов, которые можно уменьшить, используя более широкую полосу пропускания лазера для усреднения спеклов.Дробовой шум, близкий к пределу диапазона, ограничивает качество изображения. Интеграция кадра в кадр часто используется для уменьшения эффекта мерцания и целевых спеклов, и в этом случае становятся важными пляски изображения и время атмосферной когерентности. Трехмерные изображения с разрешением по диапазону могут быть реконструированы из серии изображений со скользящим стробированием. ¹³⁰

Активная двумерная визуализация с закрытым входом была изучена в основных оборонных исследовательских лабораториях. Недавно на SPIE был опубликован обзор изображений с контролируемым диапазоном в FOI, включая моделирование производительности. ¹³¹ Работа включала в себя системы с диодным лазерным стробированием, системы с длиной волны 532 нм и, недавно, безопасный для глаз 1,5  мкм с использованием технологии трубок Intevac. В более поздних публикациях ¹³² FOI и IOSB опубликовали результаты своих исследований как моно-, так и бистатических конфигураций с системами с регулируемым диапазоном 1,5 мкм. Примеры приложений с ограниченным диапазоном для морской среды включают идентификацию малых надводных судов ^{133 – 135} и водолазов. Просмотр со стробированием для подводной съемки был протестирован в течение длительного времени ^{136 – 138} и недавно использовался со стробированием по дальности с субсантиметровой точностью. ¹³⁹ Исследованы системы сканирования для обнаружения подводных объектов перед кораблями. ¹⁴⁰

5.3.

Трехмерные лазерные радары

Разработка трехмерных импульсных лазерных радаров с информацией об интенсивности и дальности в каждом пикселе, полученной от одного светового импульса, способствовала исследованию матричных детекторов в фокальной плоскости. Массивы APD на основе HdCdTe представляют большой интерес и разрабатываются несколькими группами, такими как Raytheon, ¹⁴¹ DRS, Sofradir/Leti, ¹⁴² и Selex. ¹⁴³ Помимо линейных решеток ЛФД большое внимание уделяется детекторам счета фотонов гейгеровских ЛФД (GMAPD). Массачусетский технологический институт/LL стал пионером в разработке GMAPD для таких программ лазерных радаров, как Jigsaw. ^{144 , 145} Трехмерные лазерные радары Jigsaw позволяют видеть сквозь щели в камуфляже и между листьями в растительности. Массачусетский технологический институт / LL разработал лазерный радар, который создавал трехмерные изображения с высоким разрешением с использованием коротких лазерных импульсов и матрицы GMAPD 32 × 32 в фокальной плоскости с независимыми цифровыми схемами подсчета времени полета в каждом пикселе. ^{146 , 147} На рис. 23 показан пример результатов Jigsaw. Цель под деревьями можно увидеть после «обрезки дальности» сгенерированного трехмерного облака точек с лазерного радара.

В 2010 году для игровых приставок было продемонстрировано новое применение трехмерного лазерного радара. Это был Kinect первого поколения, датчик движения, в котором расстояние определялось по принципу триангуляции. В 2012 году была выпущена версия Kinect для Windows, основанная на принципе времени прохождения.Его датчики измеряют синхронизированную разность фаз между излучаемым и принимаемым сигналами. Ближний инфракрасный свет от светодиодов модулируется синусоидальной (или любой другой периодической) функцией. Каждый пиксель датчика измеряет количество света, отраженного сценой, четыре раза через равные промежутки времени для каждого периода, что позволяет параллельно измерять его фазу. Этот метод фазовой демодуляции широко известен как выборка «четырех сегментов» и позволяет вычислить расстояние до объекта. В качестве сенсора используется CMOS-чип, состоящий из так называемых интеллектуальных пикселей, каждый из которых измеряет отдельное расстояние до наблюдаемой сцены.Количество пикселей в изображениях составляет 176×144 в камерах Swissranger SR3000 и SR4000 и 204×204 в камере PMD CamCube. Для дальнейшего чтения мы рекомендуем посмотреть Ref. 148.

Рис. 23

Пример данных от Лобзика, обнаруживающего танк-мишень под деревьями.

Протыкание листвы также изучалось в других лабораториях. Грёнвалл и соавт. ¹⁴⁹ предложил последовательный подход к обнаружению и распознаванию искусственных объектов в естественной лесной среде с использованием данных трехмерных лазерных датчиков.Армбрустер ¹⁵⁰ обсуждает использование изображений дальности для примеров, взятых из области обхода препятствий вертолетом, обнаружения объектов в приложениях наблюдения, распознавания объектов на большом расстоянии, отслеживания нескольких объектов и повторной идентификации объектов в последовательностях изображений дальности. Он утверждает, что характеристики автоматического распознавания целей (ATR) объектов, обнаруженных трехмерными лазерными радарами, могут превосходить не только двухмерные ATR, но и возможности человеческого зрения.

Другой американской программой была программа SPI 3-D ¹⁵¹ , направленная на «разработку и демонстрацию способности обеспечивать точную геолокацию наземных целей в сочетании с трехмерными изображениями высокого разрешения на полезных расстояниях».Эти двойные возможности были обеспечены с помощью пакета датчиков, состоящего из коммерчески доступных компонентов. Он был способен обеспечить «точность оптического качества на расстоянии радиолокационного зазора» и имел способность преодолевать ограниченное затемнение от воздействия оружия и проникать сквозь умеренную листву.

5.4.

Визуализация для наведения оружия

Лазерные радары с визуализацией могут расширить возможности наведения лазерного оружия в полуактивном или лучевом режиме. Недостатком является повышенная сложность наличия лазера в составе ГСН.Сканирующие лазерные радары интенсивно изучались в Соединенных Штатах для применения в ракетах. Обнаружение целей и самонаведение также изучались для ГСН «воздух-воздух» и в космосе для программы СОИ. Самые большие инвестиции в технологию лазерной радиолокационной ГСН были сделаны для ГСН «воздух-земля». Недорогая автономная система нападения (LOCAAS) была демонстрационной программой ¹⁵² , управляемой ВВС (Эглин, Флорида). Программа LOCAAS AFRL была прекращена в середине 2006 года, но производство не было запущено.ГСН была основана на сканирующем лазерном радаре, генерирующем трехмерные изображения целей со встроенными в систему ATR и выбором точки прицеливания. Барражирующая ударная ракета ¹⁵³ была проектом в рамках Передовой боевой системы США, основанным на технологии лазерного радара, разработанной для LOCAAS. В статье Andressen et al. ¹⁵⁴ дает некоторое представление об этой технологии.

5.5.

Применения для обхода препятствий

В Европе интерес к технологии лазерной радиолокационной ГСН с визуализацией был более ограниченным по сравнению с Соединенными Штатами.Одним из примеров оперативной системы обхода препятствий для вертолетов является немецкая система Hellas ¹⁵⁵ , разработанная EADS. Система Hellas была разработана для своевременного предупреждения пилотов о препятствиях и обнаружения тонких проводов на расстоянии до 1 км от платформы. Он также имеет систему восстановления после отключения питания. Во время взлета и посадки вертолеты могут столкнуться с серьезными проблемами с затемнением или затемнением в пыльных, песчаных и заснеженных районах, поскольку поток лопастей несущего винта создает облака пыли вокруг вертолета.С помощью лазерного радара пилоту предоставляется дополненное усиленное синтетическое видение зоны приземления с окружающей обстановкой на основе данных изображения дальности, а также альтиметрической и инерциальной опорной информации.

Другие лазерные радарные системы обхода препятствий были разработаны в Израиле и США. Трехмерное лазерное радиолокационное изображение имеет потенциал для многих других приложений, включая робототехнику, визуализацию местности, дополненное зрение, разведку и так далее. Были предложены и реализованы различные типы трехмерных лазерных датчиков. ^{156 – 158} Для минимизации передаваемой энергии Mitsubishi Electric Corporation предложила импульсный трехмерный лазерный датчик с двухмерным сканированием передающего луча и безсканирующим приемником. ¹⁵⁹ Конфигурация системы показана на рис. 24. Лазер представляет собой импульсный волоконный лазер с длиной волны 1,5 мкм, энергией импульса 2  мкДж и длительностью 10 нс. Диаметр луча коллимированного луча составляет около 1 мм. Диаметр апертуры приемной оптики составляет 15 мм. FOV приемника составляет около 6×6  град.Процессор сигналов генерирует изображение интенсивности, изображение диапазона и, следовательно, трехмерное изображение путем объединения информации об угле для каждого пикселя. Чтобы система могла получать правильные трехмерные изображения, обработка включает в себя флаг обнаружения пика, указывающий, распознает ли детектор диапазона и интенсивности принятый сигнал или нет.

Рис. 24

Системы предотвращения препятствий (Mitsubishi Electric Corporation).

5.6.

Лазерные радары с флэш-памятью

Большая часть исследований в области лазерных радаров с визуализацией сегодня сосредоточена на флэш-изображениях.Пока эта технология основана в основном на двумерных изображениях с контролируемым диапазоном. Приложение в основном ориентировано на наведение, то есть на распознавание целей на больших расстояниях, чем может обеспечить взаимодействующая ИК-камера, что позволяет увеличить дистанцию ​​​​дистанции для выстрела из оружия. Другими приложениями для флэш-изображений являются системы угроз и наблюдения / картографирования, сочетающие технологию трехмерной фокальной плоскости и сканирование (см. Упомянутую выше систему Jigsaw).

На рисунке 25 показан бортовой лазерный радар с импульсной вспышкой, разработанный компанией Northrop Grumman Aerospace Systems. ¹⁶⁰ Система «flash» имела массив пикселей 128 × 128   со схемой считывания и интегрирования (ROIC), способной сохранять изображение каждые 0,5 нс. ROIC захватывает 20 изображений с интервальной съемкой для каждого импульса. Это может обеспечить профиль по дальности в каждом угловом положении. Эти временные изображения затем используются для расчета оценок дальности целевой области. Он использовал ламповую накачку Nd:YAG OPO с длиной волны 1,57  мкм, мощностью 50 мДж на импульс, шириной импульса 6,7 нс и частотой кадров 30 Гц. В каждом местоположении 2-D пикселя у нас есть 20 измерений позиций диапазона, разделенных 2.2 нс в диапазоне.

Рис. 25

Бортовой импульсный лазерный радар, разработанный компанией Northrop Grumman Aerospace Systems: (а) общий вид и (б) принципиальное объяснение.

Процессинг для просмотра с лазерным стробированием был разработан TNO Defence, Security and Safety (Нидерланды), ¹⁶¹ на основе устройства просмотра с лазерным стробированием Intevac Livar 4000 (рис.  26). Использовался безопасный для глаз лазер с длиной волны 1,5   мкм и камера EBCMOS для стробированного просмотра (минимальное смещение ворот: 1,0 м, минимальная ширина ворот: 20 м).

Рис.26

Просмотр с лазерной селекции с использованием системы просмотра Intevac Livar 4000 с лазерной селекции.

Рис. 27

Слева: принципы работы радара SAL. Справа: обработанные данные SAL, наблюдение за грузовиком сквозь листву. На этом изображении объединена информация из четырех отдельных видов (Northrop Grumman).

Рис. 28

Пример сбора трехмерных городских данных с использованием лидара в режиме Гейгера. С веб-страницы Harris Corporation.

Рис. 29

Пример лидарной батиметрической системы (Hawk Eye III от Leica Geosystems).Цвет от зеленого до синего указывает на глубину воды.

5.7.

Лазерные радары с синтезированной апертурой

Радары с синтезированной апертурой (SAR) — это зрелая область, которая была разработана для восстановления микроволновых изображений высокого разрешения с использованием антенн разумного размера. Их принцип основан на накоплении полевой информации по мере движения радара относительно цели. В этом случае становится доступной информация о полном поле на большой площади плоскости зрачка. Для микроволнового радара информация о поле в плоскости зрачка позволяет моделировать синтетическую апертуру длиной в километры в одном направлении.Поскольку информация о поле содержит как фазу, так и интенсивность, мы можем преобразовать Фурье это изображение в плоскости большого зрачка, чтобы создать изображение с высоким угловым разрешением в измерении с длинной синтетической апертурой. Если SAR имеет широкую полосу пропускания, он также может обеспечить высокое разрешение по дальности. Таким образом, SAR может обеспечить высокое угловое разрешение в одном измерении и высокое разрешение по дальности во втором измерении, обеспечивая изображение с высоким разрешением. Таким образом, метод РСА применим при относительном поперечном движении между РЛС и целью, при этом улучшение разрешающей способности достигается за счет увеличения эффективного размера апертуры в направлении движения. SAR работают в микроволновом и миллиметровом диапазоне длин волн и широко используются для улучшения пространственного разрешения в дальней зоне по сравнению с обычными радарами с ограничением дифракции. Поскольку микроволновые радары имеют ограниченное разрешение реального луча, был большой стимул для разработки SAR; длина волны микроволн также относительно велика, что позволяет компенсировать движение до доли длины волны.

Этот метод был распространен на оптические/инфракрасные длины волн с помощью CO2-лазеров, ^{162 , 163} и Nd:YAG-лазеров. ^{164 , 165} Поскольку разница в длинах волн синтетических апертур может быть намного меньше на оптических длинах волн, компенсация движения должна по-прежнему компенсировать любые фазовые изменения, превышающие долю длины волны. Если ваша длина волны составляет 3 см, как в SAR, вы должны компенсировать изменения до <3  мм. Если ваша длина волны составляет 10  мкм, вам нужно будет компенсировать изменения <1  мкм, а для лазерного радара с длиной волны 1 мкм вам нужно будет компенсировать изменения <0. 1  мкм. После этих первоначальных исследований лидара с синтезированной апертурой и лазера с синтезированной апертурой (SAL) технико-экономические исследования продолжались без перерыва. ^{166 – 168} Высокая разрешающая способность SAL может быть использована в качестве преимущества не только для приложений дальнего действия (например, космическая съемка), но и для коротких расстояний, если требуется очень высокое угловое разрешение. Примеры изображений SAL с высоким разрешением показаны на рис.  27. Поскольку фокусировкой SAL можно управлять, регулируя предполагаемый диапазон в фильтре сжатия импульсов, можно отображать цели с изменениями диапазона без ухудшения разрешения вдоль пути.Примером такого ближнего применения является контроль качества продукции, когда объект имеет переменный рельеф поверхности.

6.

Картографические лазерные радары

6.1.

Картографирование местности

Сканирующие лазерные радиолокационные системы хорошо зарекомендовали себя для картографирования местности и зондирования глубины. Гражданский рынок лидирует в этой области последние 20 лет. Как космические, так и бортовые лазерные радарные системы, а также наземные лазерные радары были разработаны несколькими разными поставщиками.Большое количество публикаций и приложений, а также быстрое развитие аппаратных средств свидетельствуют о большом интересе к этой технологии. Книга, в которой содержится хороший обзор методов топографического лазерного сканирования, была опубликована Шаном и Тотом. ¹⁶⁹

Многие военные приложения совпадают с гражданскими. Основное различие заключается в том, как данные обрабатываются и используются. Военные системы часто имеют более высокую потребность в охвате территории, скорости и / или пространственном разрешении, и им, возможно, придется работать на больших высотах и ​​в ночное время, а также быть более скрытными.Военным картографическим системам также может потребоваться многофункциональность. Тактическое картографирование можно сочетать с возможностями наблюдения и целеуказания. Существует также растущая тенденция к тому, чтобы военные лазерные радарные системы работали с беспилотных платформ [таких как беспилотные наземные транспортные средства (UGV), например, автономный автомобиль; беспилотный летательный аппарат (БПЛА), широко известный как «дрон», автономный подводный аппарат для работы под водой), подчеркивающий потребность в малых размерах, весе и энергопотреблении.

Воздушные картографические системы большой площади с использованием обычного сканирования и линейных APD были разработаны несколькими компаниями (Optech/Teledyne, Riegl, Leica).Они могут летать на высоте от 5 до 6 км и иметь частоту повторения импульсов до 1 МГц. Последние тенденции заключаются в том, чтобы сделать системы небольшими и компактными, а также объединить лазерное сканирование с цифровыми и гиперспектральными камерами. Примером компактной системы является Dragon Eye, разработанная AHAB ¹⁷⁰ в Швеции (теперь Leica GeoSystems). Он имеет лазерную ЧПИ до 1 МГц и работает на высоте до 15 600 м. Головка датчика весит 37 кг, а блок управления — 53 кг.

Технология подсчета фотонов GMAPD позволяет еще быстрее собирать данные.Это связано с военными разработками ВВС США и DARPA. Утверждается, что датчик, предлагаемый Harris Corporation ¹⁷¹ , позволяет картографировать большую площадь, чем это было возможно до сих пор, и собирать данные в 10 раз быстрее и с в 10 раз более высоким разрешением, чем с датчиками линейного лидара. Датчик Харриса представляет собой импульсный лазерный радар, использующий большую матрицу фокальной плоскости GMAPD. На рис. 28 показаны изображения с этого лазерного радара для трехмерного картографирования.

Лазерные сканеры используются на UGV для навигации и обхода препятствий.Наиболее массовая демонстрация успеха лазерных сканеров была для UGV112, где лазерные сканеры были ключевыми датчиками. Системы от Teledyne Optech ¹⁷² и Velodyne Lidar ¹⁷³ являются примерами коммерческих лазерных радаров для картографирования дорог со многими потенциальными военными приложениями (например, создание синтетических сред, обнаружение самодельных взрывных устройств и т. д.). Говорят, что точность составляет порядка сантиметров на максимальной дальности от 100 до 250 м.Скорость измерения составляет от 1 до 2 миллионов точек в секунду. Это обеспечивает расстояние между точками 6 см на расстоянии 10 м для скорости транспортного средства 43  км/ч.

Автомобильный лазерный радар становится очень важным датчиком для беспилотных автомобилей. Это может быть первое широко распространенное коммерческое применение технологии лазерного радара. Это заставит технологию быть маленькой и компактной по цене в несколько сотен долларов за лазерный радар.

6.2.

Лазерная батиметрия

Бортовая лазерная батиметрия или гидрография — это метод измерения глубины относительно мелких прибрежных вод. ¹⁷⁴ Типичные области применения включают батиметрические исследования федеральных судоходных каналов, крупных прибрежных районов, портов и гаваней, проекты по защите берегов, например, пристани и волнорезы, коралловые рифы, пляжи, береговые линии и места захоронения земснарядов. ^{175 , 176} Топографическая съемка над водной поверхностью может проводиться одновременно. Данные могут быть получены для моделирования штормовых нагонов и для мониторинга песка в качестве местного ресурса. В обзорном документе ¹⁷⁷ философия проектирования аппаратного и программного обеспечения обсуждается в соответствии с критическими соображениями проектирования и историей развития бортовой лидарной батиметрии.На рис. 29 показан пример батиметрического лазерного радара.

Примеры стран, которые разработали и используют лазерную радиолокационную батиметрию, включают США, Австралию, Швецию, Канаду и Россию. В 1990-х годах системы начали работать в Австралии (LADS ¹⁷⁸ ), США (SHOALS ¹⁷⁹ ) и Швеции (Hawk Eye ¹⁸⁰ ). Практический диапазон глубин для картирования дна составляет около 3 глубин по Секки, то есть от 5 до 40 м в прибрежных водах.

7.

Лазерные микрорадары

7.

Оптическая когерентная томография

Метод, получивший название ОКТ ¹⁸¹ , представляет собой комбинацию времяпролетных измерений и интерферометрии. Это было реализовано с помощью интерферометра Майкельсона путем замены одного из зеркал на исследуемый объект (рис. 30). Используется источник света с короткой длиной когерентности; поэтому более правильным термином будет оптическая низкокогерентная томография. Опорное зеркало, расположенное в плоскости R, и плоскость объекта отображаются на детекторе, который сфокусирован на плоскости R’.Плоскости R и R’ находятся на одинаковом расстоянии от источника света.

Рис. 30

(а) базовая установка оптического микрорадара, (б) 3-D реконструкция изображения монеты и (в) томограммы глазного дна.

На изображение объекта накладывается опорная волна. Интерференцию можно наблюдать локально, когда пути света от эталона и объекта примерно равны. Измерение основано на помехах. Из-за малой длины когерентности интерференция происходит только в пределах тех спеклов, которые соответствуют поверхностным элементам, близким к плоскости R’. Эти области обнаруживаются и сохраняются, пока объект медленно перемещается по оси z. Точно так же эталонное зеркало может быть подвижным, когда объект неподвижен. Пример профиля, восстановленного по этой методике с использованием дополнительного (x,y) сканирования, представлен на рис. 31, на котором изображена монета.

Рис. 31

Поместив в качестве объекта исследования человеческий глаз в плоскости R′, перемещая плоскость R в осевом направлении z, можно получить профиль обратного рассеяния от тканей и поверхностей глаза.При сканировании в направлениях x-y можно реконструировать трехмерное изображение [Рис. 30(с)]. За последние десятилетия появились сотни публикаций, сообщающих о многочисленных модификациях ОКТ и применениях в различных областях, особенно в медицине: строение глаза, трехмерная визуализация сосудов, кровоток в сосудах, причем не только в офтальмологии, но и в медицине. также в сердечно-сосудистых исследованиях, черепной васкуляризации и так далее. В нашей короткой статье нет места для охвата всех вариантов ОКТ и его применения, поэтому мы обращаемся к читателям в книгах энциклопедического толка. ^{182 – 184}

7.2.

Капиллярная велосиметрия

Для демонстрации применения ОКТ-капиллярной велосиметрии в исследованиях сосудов головного мозга, in vivo визуализация коры головного мозга крыс использовалась ОКТ-микроскопом с длиной волны 1310 нм/Фурье-областью. ¹⁸⁵ Источник света состоял из двух суперлюминесцентных диодов, обеспечивающих спектральную полосу пропускания 170 нм. Аксиальное (по глубине) и поперечное разрешение составляло 3,6   мкм в ткани, полная ширина на половине максимума, а скорость визуализации составляла 47 000 осевых сканирований в секунду (17.время экспозиции 3 мкс), достигнутое с помощью камеры линейного сканирования InGaAs. Капиллярную велосиметрию и ее визуализацию проводили во время гиперкапнической провокации у крыс. Пример такой визуализации приведен на рис. 31.

Был введен еще один томографический метод, основанный на лазерном спекл-контрасте ¹⁸⁶ , который позволяет реконструировать трехмерное распределение кровотока в глубоких тканях. В экспериментальной установке для исследования образца используется лазерный диод непрерывного действия с регулируемой температурой (785 нм, 90 мВт).Пара гальвоуправляемых зеркал используется для сканирования точечного лазерного источника. Источник света фокусируется на нижней части образца, а полученные спекл-структуры отображаются сверху с помощью монохромной КМОП-камеры со временем экспозиции 1 мс. Поле зрения по горизонтали составляет около 4 см, диаметр пикселя – 3×10-4  см. Лазер устанавливали в каждом положении в течение 0,5 с для получения 35 изображений интенсивности. Пример трехмерного графика реконструированной скорости потока для исходной скорости 3.18  см/с показано на рис. 32.

Рис. 32

Срезы распределения скорости потока.

7.3.

Зондирование волнового фронта

В ответ на развитие методов коррекции зрения Molebny et al. в 1996–1998 годах разработал три типа приборов для измерения неоднородности рефракции человеческого глаза: однолучевое прямое обнаружение трассировки лучей, ¹⁸⁷ двухлучевое когерентное трассирование лучей, ¹⁸⁸ и зондирование Гартмана-Шака с голографической матрицей линз. ¹⁸⁹ Однолучевая лучевая аберрометрия основана на принципе лазерного радара: лазерный луч проецируется в глаз параллельно оптической оси, а позиционно-чувствительный детектор измеряет положение проекции луча на сетчатке. Лицензия была передана компании Tracey Technologies, штат Техас, США, и теперь прибор iTrace находится в массовом производстве как один из лучших клинических аберрометров (рис. 33).

Рис. 33

(a) аберрометр трассировки лучей iTrace и (b) отображаемые данные.

В 1999 году Navarro и Moreno-Barriuso ¹⁹⁰ опубликовали свои результаты по трассировке лазерных лучей, основанные на электромеханическом сканировании, с неутешительными выводами — трассировка лучей не подходит для исследований глаза вживую, поскольку для одного измерения требуется несколько секунд. В iTrace выходная мощность непрерывного лазерного диода составляет около 1 мВт, а продолжительность проецирования в одной точке составляет 1 мс или меньше. Акустооптический дефлектор переключает положение луча с переходным временем <10  мкс. Пример отображаемых данных представлен на рис.33.

8.

Призрачные лазерные радары

Призрачный лидар — это модальность, требующая сравнения информации из двух каналов (например, изображения с когерентным освещением, такие как голография или ОКТ). Идея состоит в том, чтобы восстановить изображение с высоким разрешением, используя фазовый поиск. Он был описан в 1990 году. ¹⁹¹ Массив точечных детекторов измеряет интенсивность оптического поля в плоскости большой апертуры [Рис. 34(а)]. Светоделитель после малоапертурного телескопа позволяет одновременно регистрировать интенсивность в двух плоскостях: обычной фокальной, где существует дифракционно-ограниченное изображение объекта, и фурье-образ его малоапертурной плоскости.Рисунок 34(b) представляет собой блок-схему, показывающую, как эти три измерения интенсивности используются для извлечения фазы по большой апертуре и восстановления изображения с высоким разрешением.

Рис. 34

(a) Принцип восстановления фазы с использованием изображения с низким разрешением, (b) реконструкция изображения с высоким разрешением на основе измерений интенсивности и (c) архитектура фантомного изображения.

Термин «фантомное изображение», который был придуман вскоре после первых экспериментов, подчеркивает тот факт, что ни один из каналов сам по себе не является достаточным для получения целевого изображения.Только сопоставив два фототока, вы получите достаточно сигнала для создания изображения. В связи с интенсивным поиском теоретиками наилучшего решения призрачное изображение было названо «темой с вариациями». ¹⁹²

Сообщалось о многих экспериментах с фантомными изображениями, как для пропускания ^{193 – 196} , так и для отражения вдали. ^{197 – 199} Эксперименты показывают, что два коррелированных оптических луча проходят разные пути и падают на два пространственно разнесенных фотодетектора: один луч взаимодействует с мишенью, а затем освещает однопиксельный детектор, не обеспечивающий пространственного разрешения (опорный канал), тогда как другой луч проходит независимый путь и попадает на сканирующий детектор-обскуру или камеру высокого разрешения (сигнальный канал) без какого-либо взаимодействия с целью. Изображение получается путем корреляции выходных фототоков этих фотодетекторов [рис. 34(с) показан пример архитектуры для случая передачи изображения].

Последующая теоретическая работа была посвящена влиянию атмосферной турбулентности ²⁰⁰ и турбулентности в сочетании с лазерным спеклом ²⁰¹ на характеристики фантомных изображений. Эти исследования и связанная с ними экспериментальная работа ¹⁷⁷ определили условия, при которых пространственное разрешение фантомных изображений становится ограниченным турбулентностью, а не дифракцией.

Обычный лазерный радар, освещающий поле зрения, имеет предел турбулентности пространственного разрешения, определяемый длиной атмосферной когерентности во входном зрачке приемника. С другой стороны, фантомный формирователь изображений для той же среды имеет предел турбулентности пространственного разрешения, установленный длиной атмосферной когерентности в выходном зрачке структурированного осветителя. ¹⁷⁸ Таким образом, для бистатической конфигурации, когда длина атмосферной когерентности в выходном зрачке передатчика значительно больше, чем во входном зрачке приемника, фантомный формирователь изображений будет давать лучшее пространственное разрешение, ограниченное турбулентностью, чем обычный лазерный радар.

9.

Заключение

Лазерные радары прошли множество стадий развития с момента первых попыток использования лазеров для измерения дальности, что привело к широкому военному применению для определения дальности и наведения оружия, особенно лазерного целеуказания, разновидности бистатического лазерного радара. . Дальнейшие исследования привели к разработке систем лазерной визуализации, основанных на 2-D стробированном просмотре, а затем на 3-D визуализации, которая находится в процессе внедрения. Интенсивно разрабатываются системы визуализации, включая более высокое разрешение по дальности и перекрестному диапазону, однофотонные чувствительные матрицы, мультиспектральные или широкоспектральные излучающие лазеры для множества новых возможностей, таких как лучшее проникновение в погоду, возможности смотреть сквозь растительность, сквозь плотные среды, для распознавания целей. и другие приложения.

Что касается гражданского и двойного назначения, то мы обнаружили, что экологические лазерные радары хорошо зарекомендовали себя в исследованиях дистанционного зондирования атмосферы и океана, в то время как лазерные радары для трехмерного картографирования достигли рабочего состояния, с трехмерным картографированием больших территорий в многие страны. Лазеры становятся все более эффективными, становятся меньше и дешевле для потенциального использования в автомобилях или беспилотных транспортных средствах. Использование лазеров в беспилотных автомобилях, вероятно, станет первым широко распространенным коммерческим применением лазерного радара.Это значительно уменьшит размер, вес и стоимость лазерных радаров. Это также позволит широко использовать лазерные радары в беспилотных летательных аппаратах, поскольку они все чаще используются в коммерческих и военных целях.

Лазерная радарная технология находит широкое применение в медицине. Одним из примеров является оптическая низкокогерентная томография, возникшая на основе лидарной интерференционной рефлектометрии с ее широким применением в офтальмологии для исследования глаза с трехмерной реконструкцией его структур, для трехмерного эндоскопического исследования сосудов, усиленного допплерографией 3- Д велосиметрия.Другим прекрасным примером является картирование рефракции человеческого глаза, называемое аберрометрией.

Новые технологии и методы, которые следует изучить в лазерных радиолокационных системах, включают многоапертурные и синтетические апертуры, бистатическую работу, многоволновые или широкоспектральные излучающие лазеры, подсчет фотонов и передовые квантовые методы, а также комбинированные пассивные и активные системы, а также сочетание микроволнового и лазерного излучения. радары. Мы ожидаем, что использование когерентного лазерного радара будет расширяться по мере того, как люди будут находить дополнительные методы использования полных полевых данных, включая информацию о фазе.Что касается компонентов, мы предвидим эффективные универсальные лазерные источники, компактные твердотельные лазерные сканеры для немеханического управления лучом и формирования луча, чувствительные и большие массивы в фокальной плоскости для прямого и когерентного обнаружения, которые будут сочетаться с эффективным оборудованием и алгоритмами для обработки лазерного радара. информацию и высокие скорости передачи данных.

Сравнение достижений в области технологий лазерной локации, разработанных за последние 50 лет по всему миру, показывает всепроникающую привлекательность технологии лазерной локации и ее приложений.

Список литературы

2.

3.

4.

5. 

6.

7.

13.

14. 

15.

17.

18. 

20. 

21. 

22. 

25. 

31.

33. 

35. 

39. 

41.

43.

44. 

49. 

50. 

54.

60. 

61.

62. 

63.

64. 

67.

68.

69. 

70.

71.

72.

73.

74.

75.

76.

77.

80.

81.

83.

88. 

89.

90. 

91.

92.

102.

107. 

115. 

116. 

117.

118.

123. 

135. 

142. 

146.  

147. 

148. 

169. 

176. 

177. 

178. 

179. 

180. 

182.

183.

184. 

192.

Биография

Василий Молебный получил степень кандидата технических наук в 1965 г. и степень доктора наук в области оптических радаров в 1991 г. Профессор оптики Киевского национального университета. Он изобретатель аберрометрии с трассировкой лучей. В сферу его интересов входят прецизионные лазерные радарные системы и измерения волнового фронта.Имеет более 300 публикаций. Он является членом Академии технологических наук и Оптического общества Украины. Он получил национальную премию России и премию академика Глушкова. До 2001 года он был вице-президентом НИИ «Квант» и главным конструктором лазерных комплексов.

Пол Макманамон — президент компании Exciting Technology и технический директор LOCI Дейтонского университета. Он руководил исследованием лазерных радаров в Национальной академии наук и сопредседателем проекта «Оптика и фотоника, основные технологии для нашей страны».Он является членом SPIE, IEEE, OSA, AFRL, DEP, MSS и AIAA. Он является президентом SPIE в 2006 году. До мая 2008 года он был главным научным сотрудником управления датчиков AFRL и отвечал за технологии обнаружения, распознавания, CM и боевых технологий AFRL. В 2006 году он был удостоен почетного президентского звания.

Ове Стейнвалл получил степень магистра в Упсале в 1969 году и докторскую степень в Технологическом институте Чалмерса в 1974 году. С 1969 года он работает в Национальном исследовательском центре обороны (FOI). .Он является директором по исследованиям в области лазерных систем. Он является адъюнкт-профессором Технологического института Чалмерса. Его деятельность связана с лазерным КМ, лазерными радарами и лазерной связью в свободном пространстве. У него 110 статей и 300 отчетов. Он является членом SPIE, старшим членом OSA, Шведского оптического общества и Королевской академии военных наук. Он получил три национальные награды и награды НАТО. Он является председателем многочисленных лазерных конференций.

Такао Кобаяши окончил Университет Тохоку в Сендае в 1966 году.Он получил степень DEng в Университете Тохоку в 1977 году. Он является научным сотрудником Тохоку с 1967 года. С 1981 года он является профессором Университета Фукуи. Он является почетным профессором в 2007 году. Он является приглашенным исследователем в Йельском университете, США, с 1978 по 1979 год. Его исследования включают лазерное дистанционное зондирование (лидар), твердотельный лазер и фотонику. Он был членом многочисленных научных, оценочных и программных комитетов в области лазерного зондирования. Он является председателем Японского общества лазерных радаров (LRSJ) и приглашенным исследователем RIKEN.

Weibiao Chen получил докторскую степень в Океаническом университете Китая в 1997 году. Он поступил в Шанхайский институт оптики и точной механики в 2000 году. Он работал в области лазерного дистанционного зондирования атмосферы и океанографии и лазерной связи. Он является директором Лаборатории космической лазерной связи и лидара в 2008 году и заместителем директора SIOM в 2009 году. Его команда разработала бортовую лазерную батиметрию, первый китайский космический исследователь Луны и работает над космическим атмосферным лидаром.Он является членом Китайского оптического общества. Является автором и соавтором около 70 научных работ.

($)

(дюймы)
(мм)