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发布时间:2020-09-19 08:07:38

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作者:赖旭东

出版社:电子工业出版社

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机载激光雷达基础原理与应用

机载激光雷达基础原理与应用试读:

前言

从空中和太空观测地球获取影像是20世纪的重大成果之一,短短几十年,遥感数据获取手段迅猛发展。在信息时代,测绘已发展成为地球空间信息学。

地球空间信息学所获取和处理的是随时间和空间分布和变化的信息。摄影测量与遥感是获取这种信息的主要手段。随着技术的进步,人们不断研究和改进遥感数据采集技术,并将其投入应用研究和生产实践。如今,集成了GPS技术、惯性导航技术、激光测距技术等先进技术的机载激光雷达技术具有很强的市场竞争力和广阔的应用前景,其综合性价比要强于传统的遥感数据获取技术,具有一定的技术优势,正日益成为遥感数据采集技术的一种重要方式。

利用激光作为遥感设备起源于宇宙航天的需要,在航天工程实践中,人们为得到星球之间的距离(地球与月球、卫星与星球等)而研究使用了激光测距设备和技术,并取得了较好的结果。20世纪70年代,在美国的阿波罗登月计划中就成功地使用了激光测距装置。20世纪80年代,以美国和德国为首的发达国家开始积极开展机载激光雷达技术的可行性研究,其标志性成果为1990年德国Ackermann教授领衔研制的在Stuttgart大学诞生的世界上第一个激光断面测量系统。1993年,德国出现首个商用机载激光雷达系统TopScan。

随着相关技术的不断成熟,机载激光雷达技术得到了蓬勃发展,欧美等发达国家的许多公司和科研机构投入了大量的人力、物力和财力进行相关技术和系统的研究,并先后研制出多种机载激光雷达系统,相继投入商业运作。目前生产机载激光雷达系统的公司主要有Leica、Optech、TopoSys、Riegl、IGI、TopEye、TopScan等。机载激光雷达在测绘市场所占的份额不断扩大,其应用的领域和深度也日益拓宽和加深。

我国的学者也投入到了激光雷达技术的研究中,北京遥感所李树楷教授等研制的机载激光测距—成像系统于1996年完成了原理样机的研制,但该系统距实用化尤其是形成产品尚有一段距离。我国的中国科学院光电研究院也已经在研制机载激光雷达系统,目前研制进展比较顺利。也有一些公司从国外引进了机载激光雷达设备用于商业运作。截至2008年,国内拥有的机载激光雷达系统为15套左右,其中很多都处于性能摸索阶段,没有能够完全发挥其作用。总体而言,我国在机载激光雷达的硬件研制及理论研究和工程实践应用、数据处理等方面都落后于发达国家。

机载激光雷达系统获得的主要数据是三维激光脚点坐标(距离信息数据),形成了数字表面模型(DSM)。由于能够同时搭载其他类型的传感器,现在的机载激光雷达系统还能够获取一些其他形式的地物信息,例如,红、绿、蓝波段的光谱信息,多次回波数据,全波形数据,多光谱数据,等等。机载激光雷达系统的主要产品和应用有:通过滤波生成数字高程模型(DEM);测绘地形图;绘制石油管道、电力线等专题图;对地面目标进行分类;自动提取高密度城市地区的房屋和道路;三维城市景观模型(并用于虚拟现实);海岸地带地形测绘,包括沙丘和湿洼地,监测海岸变化及动态侵蚀情况;城市规划;自然灾害三维实时监测;GIS数据采集;土地剖面测量;等等。具体主要包括以下几个方面:

● DEM的获取。这是机载激光雷达技术的主要应用,也是基础应用之一。通过一定的滤波算法,将DSM数据中的非地面点剔除,得到测区的DEM数据。使用这种方法在树林密集地区和建筑物密集地区都有很成功的应用。但是,这些算法大多针对某种特殊的数据,使用针对性参数,不具有通用性。

● 基础地理数据的获取。通过机载激光雷达技术来获取城市的建筑物的三维数据,可以用于构建GIS数据库和对已有数据库的地理数据进行变化检测和更新。目前,这一过程需要大量的人工干预。

● 数字城市的建设。数字城市是“数字地球”的一个重要组成部分,其中,建立三维城市模型是关键,已被广泛运用于城市规划设计、建筑物景观模拟、通信基站布网设计等领域。机载激光雷达数据本身就是高密度和精确的三维数据,建筑物的三维重建比用传统方式更容易,也比手工处理更快,具有很广阔的应用前景。

● 绘制带状地形图。主要用于工程建设,包括测绘铁路、公路线路图,测绘输油管道图,绘制电力线图,等等。

● 沿海地带的测绘。利用机载激光雷达系统来测绘海岸线;对海岸侵蚀的情况进行监测;利用不同频率激光束的穿透性来测量近海的水深;监测沿海的沙丘、堤坝、防护林的状况;等等。

● 灾害调查与环境监测。利用机载激光雷达测量的快速、全天候和高精度的特点,可以在灾害发生后迅速获得灾害现场的具体情况,从而快速提供可靠的灾害损失数据,用于制订救灾方案和评价灾害损失。

● 林业的应用。机载激光雷达技术在林业方面的应用是比较有效和成功的。激光所独有的穿透性使得我们能够得到森林地区准确的DEM、树木的生长状态、木材的蓄积量等重要参数,这些都是林业部门所必需而传统方法无法精确提供的信息。

武汉大学是国内较早对机载激光雷达技术进行跟踪和研究的机构,很早就在本科生阶段设置了关于机载激光雷达技术的专业课,进行相关技术的介绍。目前已经毕业和正在从事机载激光雷达技术研究的博士和硕士已经多达数十人,有专门的研究所和教师进行相关技术的研究,承担了国家“十一五”863重点项目等多个关于机载激光雷达理论及应用的国家及省部级研究项目。武汉大学遥感信息工程学院还于2007年引进了机载激光雷达系统设备,并已经进行了一些实验和工程项目。

本书是在作者博士论文“机载激光雷达数据处理中若干关键技术的研究”的基础上,结合作者研究的一些项目(包括国家863目标导向类项目机载激光雷达数据处理软件平台,博士点基金机载激光雷达数据处理研究,国家测绘局基础测绘项目机载激光扫描测量应用研究等),遥感信息工程学院引进Lidar设备中的调研工作,以及从事本科生教学工作的研究成果和经验,进行扩充和总结而写成的。

本书详细介绍了机载激光雷达技术的相关基础知识、系统结构、数据获取原理、数据特点和数据处理及应用的主要方法。希望本书能有助于机载激光雷达技术的学习和研究。本书还可以用做遥感及相关专业的本科生教材,以及作为从事遥感教学、科研和生产的参考用书。

由于受编写时间和作者水平之限,全书难免存在缺点甚至错误,欢迎批评和指正。第1章 激光物理基础

本章简要介绍激光的物理基础。机载激光雷达系统的关键技术是激光测距技术,其核心技术是激光技术。由于激光的特点,使得人们能够通过它精确地测出空间两点间的距离,因此激光测距技术也成为测绘领域的重要技术之一。1.1 激光与激光技术1.1.1 激光

激光是一种自然界原本不存在,因人工处理,受激而发出的光。激光被誉为“神奇的光”,是因为它有普通光所完全不具备的四大特性。

1.方向性好

普通光源(如太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光,而激光的发光方向可以限制在小于几毫弧度的立体角内,激光束的发散角很小,几乎是一束平行的光线。激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1km左右,即便是最好的探照灯,如将其光投射到月球上,光斑直径将扩大到1000km以上。激光准直、导向和测距就是利用了方向性好这一特性。

2.亮度高

激光是当代最亮的光源,只有氢弹在爆炸瞬间发出的强烈闪光才能与它相比拟。一台大功率激光器的输出光亮度比太阳光高出7~14个数量级。因此,尽管激光的总能量并不一定很大,但由于能量高度集中,很容易在某一微小目标处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度的高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。

3.单色性好

光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发射的光子通常包含各种波长,在频率上是各不相同的,是各种颜色光的混合。太阳光中就包含了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7种颜色的可见光及红外线、紫外线等不可见光。激光的波长只集中在十分狭窄的光谱波段或频率范围内,如氦氖激光的波长为632.8nm,其中波长变化范围不到万分之一纳米(nm)。由于激光的单色性好,为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。

4.相干性好

干涉是波动现象的一种属性。由于受激辐射的光子在相位上是一致的,再加之谐振腔的选模作用,使激光束横截面上各点间具有固定的相位关系,所以激光的空间相干性很好(由自发辐射产生的普通光是非相干光),物理学家通常用相干长度来表示光的相干性,光源的相干长度越长,光的相干性越好。激光的相干长度可达几十千米(km)。因此,如果将激光用于精密测量,它的最大可测长度要比普通单色光大10万倍以上。激光的这一特性使全息照相成为现实。

自1960年7月梅曼发明了世界上第一台红宝石激光器以来,经过多年的发展,人们在激光研究上突破了许多技术难题并取得了很大成就,因对激光及其应用的创造性贡献而先后获诺贝尔物理学奖的科学家共有10位。自激光被发明以来,以其方向性强、单色性好、高亮度和高度的时空相干性引起了科学家们特别是军事家们的广泛关注,经过科学家们的不懈努力,今天的激光仪器无论是在工作原理、实验手段还是制造工艺方面都已逐步成熟。激光技术日益受到人们的重视,尤其是各大军事强国的重视,许多激光技术率先在军事技术中发展成熟起来,随后由于其巨大的价值推广到民用,成为目前最活跃的科学研究领域之一。1.1.2 激光技术

激光作为一种新类型的光,带来了光学应用技术的革命,在生产、生活、国防等各个方面都有应用,已成为几乎所有现代技术依赖的手段。所谓激光技术,就是探索开发各种产生激光的方法以及探索运用激光的这些特性为人类造福的技术。

1.激光在自然科学研究上的应用(1)非线性光学效应

在熟悉的反射、折射、吸收等光学现象中,反射光、折射光的强度与入射光的强度成正比,这类现象称为线性光学现象。如果强度除了与入射光强度成正比外,还与入射光强度成二次方、三次方乃至更高的方次,这就属于非线性光学效应。这些效应只有在入射光强度足够大时才表现出来。高功率激光器问世后,人们在激光与物质相互作用过程中观察到非线性光学现象,如频率变换、拉曼频移、自聚焦、布里渊散射等。(2)用激光固定原子

气态原子、分子处在永不停息的运动中(速度接近340m/s),并且不断与其他原子、分子碰撞,要“捕获”操纵它们十分不易。1997年,华裔科学家、美国斯坦福大学朱棣文等人,首次采用激光束将原子束冷却到极低温度,使其速度比通常做热运动时低,达到“捕获”操纵的目的。此项技术在光谱学、原子钟、研究量子效应方面有着广阔的应用前景。

2.激光在加工领域的应用

以激光良好的单色性和相干性为基础,激光全息技术可以用做无损探伤,即不用损坏零件便可检测出零件内部的缺陷。利用激光亮度高和方向性好的特点可以进行精密的机械加工,如可以在零件上打一般钻头不能打的异形孔和尺寸达微米级的小孔。利用激光进行切割具有速度快、切面光洁及不发生形变的特点,激光焊接可焊一般焊接法不能焊的难熔金属。还可以利用激光亮度高、能量集中、可通过理论计算进行控制的特点对金属工件表面进行改性处理。

3.激光信息处理

引入激光全息技术后,能大幅度提高信息处理能力。普通照相只记录了物体表面的光强分布,没有记录从物体各部分到观察者的远近和角度,即没记录下物体发出光线的相位分布,这样的像没有立体感。全息照相是用相干光照射物体,从物体反射或漫射的光不是经透镜成像而是直接照射到全息底片上,用干涉图样把那些光的光强分布和相位记录下来。底片上并没有被拍物体的形象,在显微镜下看到的是一幅长短不一、间距不等、走向不同的复杂干涉条纹,称为全息图。要想看到物体形象,再用相干光按一定方式照射全息图,便可在一定方向看到物体的像,称为再现。因为再现的是从物体反射或漫射的光束本身,所以像是立体的。

因为激光的相干性很好,用聚光系统可以把激光聚焦成比针头还细小的光束,所以它在介质上写入信息所占空间尺寸可以非常小(小于1nm),因而信息存储密度很大。

4.激光通信

激光通信也是利用激光束单色性好、方向性好的特点。

激光提供了单色性很好的光波,使光波通信进入实用化阶段,光波通信的容量比微波通信提高了1万~10万倍。现在发展的光计算机是用光波束代替电流构造计算机,会获得更高的运算速率和容量。在显示技术上,激光液晶大屏幕将代替阴极射线管,有可能成为21世纪电视的主角。

5.激光在医学领域的应用

利用高亮度激光束产生的热效应以及单色性好的激光束产生的生物效应可以治疗疾病,现在激光技术已成为医学中的新技术,开始形成一个新的医学分支——激光医学。主要应用有:激光刀技术;用激光在生物体内产生冲击波可粉碎肾结石、输尿管结石等;弱激光(功率为1W)对生物组织有刺激、镇痛、消炎、扩张血管等作用,用弱激光照射病灶有治疗效果;可以利用相应的激光仪器,研究细胞、亚细胞和大分子的结构以及一些特殊细胞的生物学过程,研究生物的遗传规律;可以应用激光的光谱技术、干涉技术等,通过对血液、尿液和人体其他组织成分的测定,无损伤地鉴别待测组织是否发生病变。

6.激光在军事领域的应用

自20世纪60年代初激光问世以来,它作为武器的可能性就引起了世界各国的关注。激光技术已渗透到各种武器平台,成为高技术局部战争的重要支柱和显著特征。激光制导和激光测距极大地提高了炮弹、炸弹和战术导弹的首发命中率和命中精度;激光引信提高了弹头的破坏力和抗干扰性;光纤通信和激光大气通信是军事指挥控制通信网的重要组成部分;激光武器被认为是反导弹、反卫星的最佳选择之一。在1975年11月,美国的两颗监视导弹发射井的侦察卫星在飞抵西伯利亚上空时,被前苏联的“反卫星”陆基激光武器击中,并变成“瞎子”。不少国家开展了高能激光武器的研究,激光武器按用途可分为三类:战略激光武器、战术激光武器和激光致盲武器。许多激光技术的重要应用,是首先在军事上实现随后转入民用的。1.1.3 激光在测绘领域的应用

激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光,由光电元件接收目标反射的激光束,计时器测定激光束从发射到接收的时间,计算出从观测者到目标的距离。

世界上第一台激光器研制成功后,美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年,第一台军用激光测距仪就通过了美国军方论证试验,此后激光测距仪很快就进入了实用。我国于1965年12月研制成功激光漫反射测距仪,1975年3月,我国第一台相位式精密激光测距仪在国家地震局武汉地震大队地震仪器厂研制成功。激光测距仪重量轻、体积小、操作简单、速度快且准确,其误差仅为其他光学测距仪的五分之一到数百分之一,因而被广泛用于地形测量、战场测量、坦克、飞机、舰艇和火炮对目标的测距,测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。

基础测绘的主要方法之一,就是通过测边和测角来获取未知点的坐标,因此距离测量是其基础的技术。由于简单快捷和高精度的特点,使激光测距仪具有其他测距仪所无法比拟的优势。激光测距仪为实施毫米级精度的快速、非接触式距离测量带来了全新的革命。加上电路部分随着微电子技术的发展,趋向于集成化、数字化,使得系统在可靠性方面大为提高。与光电测距仪相比,不仅可以昼夜作业,而且能提高测距精度,显著减少质量和功耗,使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。正因为如此,激光测距仪一经问世,便得以迅猛发展,为测绘领域所重视。经过不断的研究与拓展,激光测距技术在测绘中发展出从卫星测距的长距离到室内两侧的近距离等不同种类和用途的技术和设备。

测绘中常用的激光测距仪器有:集成在全站仪上的激光测距设备,可以精确测量测站点与目标点间的距离,可以有反射镜或无反射镜;手持式的激光测距设备,能够测量较近距离的间距,可以用在室内(墙壁长度、高度等)或室外的近距离测量(房檐改正的测量);地面三维激光扫描仪,架设在地面,对一定范围的场景进行扫描,得到三维激光点云;机载激光雷达设备,安装在遥感平台上,从上方对地表进行扫描,得到大范围的三维点云数据,如图1.1所示。图1.1 测绘中常用的激光测距仪器1.2 激光原理

激光(Laser,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)的意思是光的受激辐射放大,指出了激光产生的原理,下面简要介绍相关的理论。1.2.1 物质与光相互作用的规律

光与物质的相互作用,实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子,同时改变自身运动状况的表现。关于光与物质相互作用的问题,爱因斯坦早在1917年就做过研究,他在解释普朗克黑体辐射公式时明确指出只有自发发射和吸收两个过程是不够的,并由此提出“受激辐射”的概念,这也是激光的基础。

微观粒子都具有特定的一套能级(通常这些能级是分立的),任一时刻,粒子只能处在与某一能级相对应的状态(或者简单地表述为处在某一个能级上)。与光子相互作用时,粒子从一个能级跃迁到另一个能级,并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为这两个能级的能量差,频率为(h为普朗克常量)。

1.受激吸收

处于较低能级的粒子在受到外界的激发(与其他粒子发生了有能量交换的相互作用,如与光子发生非弹性碰撞)吸收了能量时,跃迁到与此能量相对应的较高能级。这种跃迁称为受激吸收,如图1.2所示。

2.自发辐射

粒子受到激发而进入的高能态不是粒子的稳定状态,如果系统中存在着可以接纳粒子的较低能级,即使没有外界作用,粒子也有一定的概率,自发地从高能级(E)向低能级(E)跃迁,同时辐射出能21量为的光子,光子频率。这种辐射过程称为自发辐射,如图1.3所示。众多原子以自发辐射发出的光在相位、偏振态、传播方向等参数上是不一致的,是物理上所说的非相干光。图1.2 受激吸收图1.3 自发辐射

3.受激辐射

1917年,爱因斯坦从理论上指出:除自发辐射外,处于高能级E上的粒子还能够以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为2的光子入射时,也会引发粒子以一定的概率迅速地从能级E跃迁到能级E,同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态及传21播方向都相同的光子,这个过程称为受激辐射,如图1.4所示。图1.4 受激辐射1.2.2 激光

1.光的受激辐射放大

根据受激辐射的理论,如果大量原子处在高能级E上,如果有一2个频率为的光子入射,从而激励E上的原子产生受激辐射,2得到两个特征完全相同的光子,这两个光子再激励E能级上原子,又2使其产生受激辐射,可得到4个特征相同的光子,这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的过程就是光的受激辐射放大,产生的光就是激光。

2.粒子数反转

爱因斯坦于1917年提出受激辐射,激光器在1960年问世,其间相隔了43年。研究进展缓慢的主要原因是普通光源中粒子产生受激辐射的概率极小。

当频率一定的光射入激光物质时,原子系统会产生受激吸收过程和受激辐射过程。受激吸收过程表现为能量由外来辐射场向原子转移,使辐射场衰减,光子数减少;受激辐射过程则表现为能量由原子向辐射场的转移,使辐射场增强,光子数增加。这两种过程是同时存在的,如果系统中受激吸收过程占主导地位,则最终结果是辐射场衰减,光子数减少;如果受激辐射过程起主导作用,最终结果就是辐射场增强,光子数增加。

在通常情况下,当物质处于热力学平衡态时,粒子在各能级上的分布服从平衡态下粒子的统计分布律(玻耳兹曼分布律):(1-1)

式中,K为玻耳兹曼常数,N和N分别为高能态E和低能态E的2121粒子数。由于E>E,T>0,故,即高能态上的粒子总少于21低能态上的粒子数。这时,处于低能级的原子数多于处于高能级的原子数。因此,当辐射光通过处于热平衡状态的原子系统时,受激吸收过程将占主导地位,光的能量只会减弱,不会加强,这种情况得不到激光。

为了形成足够的激发辐射,得到激光,就必须用一定的方法使受激辐射占优势,使处在高能级E的粒子数大于处在低能级E的粒子数,21这种分布正好与平衡态时的粒子分布相反,称为粒子数反转分布,简称粒子数反转(Population Inversion)。如何从技术上实现粒子数反转是产生激光的必要条件。理论研究表明,任何激光物质,在适当的激励条件下,可在粒子体系的特定高低能级间实现粒子数反转。显然,体系处于粒子数反转状态时不处于热平衡状态。1.2.3 激光的产生

激光是自然界并不存在的光,是人们经过理论推导,再经过实践而制造出来的光。激光的产生需要满足如下条件。

1.激光物质

如同前面分析的那样,正常情况下,原子系统发生受激辐射远少于发生受激吸收,是不可能实现光放大的。要实现光放大,必须采取特殊措施,打破原子数在热平衡下的玻耳兹曼分布,形成粒子数反转(“负温度”体系)。因此,产生激光的首要条件是实现粒子数反转。当某一原子系统在获得能量并处于粒子数反转分布状态时,称为激光物质(激光增益媒质)。这种激光物质本身存在某些原子的自发辐射而产生的光子,在传播过程中会作为入射光引起其他原子受激跃迁。由于激光物质处于粒子数反转分布状态,原子的受激辐射跃迁超过受激吸收跃迁,传播中的光就会得到激励和放大。

激光物质可以是固体(晶体、玻璃)、气体(原子气体、离子气体、分子气体)、半导体和液体等媒质。对激光物质的主要要求是,尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转,并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去。因此,要求激光物质具有合适的能级结构和跃迁特性。

2.激励系统

要造成粒子数反转分布,除了要求激光物质有适当的能级结构外,还要有能量输入系统。该系统供给低能态的原子以能量,促使它们跃迁到高能态,从而形成粒子数反转分布状态。这一过程称为抽运过程。为使激光物质实现并维持粒子数反转而提供能量来源的机构或装置称为激励系统(泵浦、抽运系统)。

根据激光物质和激光器运转条件的不同,需要采取不同的激励方式和激励装置,常见的有以下4种:

①光学激励(光泵)。利用外界光源发出的光来照射激光物质以实现粒子数反转。激励装置通常由气体放电光源(如氙灯、氪灯)和聚光器组成。

②气体放电激励。利用在气体激光物质内发生的气体放电过程来实现粒子数反转。激励装置通常由放电电极和放电电源组成。

③化学激励。利用在激光物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转。通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。

④核能激励。利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子或放射线来激励激光物质并实现粒子数反转。

3.光学谐振腔

经过光的受激辐射放大作用,只要激光物质足够长,即使初始信号很小,也会被放大得很多。但在实际工作中,将激光物质做得很长是不可取的,实践中是利用光学谐振腔来实现的。

光学谐振腔的主要部分是两个互相平行的并与激光物质轴线垂直的反射镜,一个是全反射镜,另一个是部分反射镜。在外界激励下,谐振腔内的激光物质将会在两个能级之间实现粒子数反转。这时产生受激辐射放大,在产生的受激辐射光中,沿轴向传播的光在两个反射镜之间来回反射、往复通过已实现了粒子数反转的激光物质,不断引起新的受激辐射放大,使轴向行进的该频率的光得到放大,这个过程称为光振荡。这是一种雪崩式的放大过程,使谐振腔内沿轴向的光骤然增强,这种受激的辐射光从部分反射镜输出,从而产生了激光。沿着其他方向传播的光很快从侧面逸出谐振腔,不能被继续放大。同样,自发辐射产生的频率也得不到放大。因此,谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向,从而使激光具有良好的定向性和相干性。

光学谐振腔作用如下:

①提供光学反馈能力,使受激辐射光子在腔内多次往返以形成相干的持续振荡。由组成腔的两个反射镜的几何形状(反射面曲率半径)和相对组合方式来提供。

②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制,以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。由于共振腔型对腔内不同行进方向和不同频率的光具有不同的选择性损耗特性,因此可以提供此项功能。1.3 激光器

产生激光的装置称为激光器,也就是使光源中的粒子受到激励而产生受激辐射跃迁,实现粒子数反转,然后通过受激辐射而产生光的放大的装置。激光器虽然多种多样,但其目的都是通过激励和受激辐射放大而获得激光,因此基本组成均由激光物质(被激励后能产生粒子数反转的激光物质)、激励系统(激励装置、抽运系统、泵浦源,即能使激活介质发生粒子数反转的能源)和光学谐振腔(能使光束在其中反复振荡和被多次放大的两块平面反射镜)3个部分组成。1.3.1 激光器的诞生

激光器的诞生史大致可以分为以下几个阶段。

1916年,爱因斯坦提出的受激辐射概念是其重要的理论基础。此后,量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识,微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也得到了更有力的证明,这也在客观上更加完善了爱因斯坦的受激辐射理论,为激光器的产生进一步奠定了理论基础。

20世纪40年代末,量子电子学诞生后,被很快应用于研究电磁辐射与各种微观粒子系统的相互作用,并研制出许多相应的器件。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了理论和物质条件。

1951年,美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地造成了粒子数反转,并获得了50kHz/s的受激辐射。此后不久,美国物理学家查尔斯·汤斯以及前苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波的设计。

1954年,美国物理学家汤斯终于制成了第一台氨分子束微波激射器,成功地开创了利用分子和原子体系作为微波辐射相干放大器或振荡器的先例。汤斯等人研制的微波激射器只产生了1.25cm波长的微波,功率很小。

1958年,汤斯与阿瑟·肖洛将微波激射器与光学、光谱学的理论知识结合起来,提出了采用开式谐振腔的关键性建议。同期,巴索夫和普罗霍洛夫等人也提出了实现受激辐射光放大的原理性方案。

1960年,美国物理学家西奥多·梅曼在佛罗里达州迈阿密的研究实验室里,用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石水晶里的铬原子,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使这一点达到比太阳还高的温度。这是世界上第一台激光器。

1960年12月,出生于伊朗的美国科学家贾万率人成功制造并运转了全世界第一台气体激光器—氦氖激光器。1962年,有三组科学家几乎同时发明了半导体激光器。1966年,科学家们又研制出了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器。此外,还有输出能量大、功率高且不依赖电网的化学激光器等纷纷问世。1.3.2 激光器的分类

经过多年的发展,各国开发出实用的激光器已超过200多种,种类繁多,特点各异,用途也各不相同。激光器有各种不同的分类方法,下面将分别从激光物质、激励方式、运转方式、输出波长范围等几个方面进行分类介绍。

1.按激光物质分类

根据激光物质状态的不同可把所有的激光器分为以下几大类。(1)固体(晶体和玻璃)激光器

这类激光器所采用的激光物质是通过把能够产生受激辐射作用的金属离子掺入晶体或玻璃基质中以构成发光中心而制成的。(2)气体激光器

这类激光器所采用的激光物质是气体。根据气体中真正产生受激发射作用的工作粒子性质的不同,可以进一步划分为原子气体激光器、离子气体激光器、分子气体激光器、准分子气体激光器等。(3)液体激光器

这类激光器所采用的激光物质主要包括两类:一类是有机荧光染料溶液,另一类是含有稀土金属离子的无机化合物溶液。其中金属离子起工作粒子作用,而无机化合物液体则起基质的作用。(4)半导体激光器

这类激光器是以一定的半导体材料作为激光物质而产生受激发射作用。其原理是通过一定的激励方式(电、光泵或高能电子束),在半导体物质的能带之间或能带与杂质能级之间实现粒子数反转,从而产生光的受激发射作用。(5)自由电子激光器

这是一种特殊类型的新型激光器,激光物质是在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束,只要改变自由电子束的速度就可产生可调谐的相干电磁辐射,原则上其相干辐射谱可从X射线波段过渡到微波区域,因此具有诱人的前景。

2.按激励方式分类(1)光泵式激光器

光泵式激光器指以光泵方式激励的激光器,几乎包括全部的固体激光器和液体激光器,以及少数气体激光器和半导体激光器。(2)电激励式激光器

大部分气体激光器均采用气体放电(直流、交流、脉冲、电子束)方式进行激励,而一般常见的半导体激光器多采用结电流注入方式进行激励,某些半导体激光器也可采用高能电子束注入方式激励。(3)化学激光器

化学激光器是利用化学反应释放的能量对激光物质进行激励的激光器。为了产生化学反应,可分别采用光照引发、放电引发、化学引发。(4)核泵浦激光器

核泵浦激光器是利用小型核裂变反应所释放出的能量来激励激光物质的一类特种激光器,如核泵浦氦氩激光器等。

3.按运转方式分类

由于激光器所采用的激光物质、激励方式以及应用目的不尽相同,其运转方式和工作状态也有所不同,从而可划分为以下几种主要类型。(1)连续激光器

连续激光器的工作特点是激光物质的激励和激光的输出,可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行。由于连续运转过程中往往不可避免地产生器件的过热效应,因此多数情况下需采取适当的冷却措施。(2)单次脉冲激光器

对这类激光器而言,激光物质的激励和激光的输出从时间上来说均是一个单次脉冲过程,由于运转中器件的热效应可以忽略,故可以不采取特殊的冷却措施。(3)重复脉冲激光器

这类器件的特点是其输出为一系列的重复激光脉冲,为此,器件能够以重复脉冲的方式激励,或者以连续方式进行激励,但必须以一定方式来调制激光振荡过程,以获得重复脉冲激光输出,通常也要求对器件采取有效的冷却措施。(4)锁模激光器

锁模激光器是采用锁模技术的特殊类型激光器。其工作特点是共振腔内不同纵向模式之间有确定的相位关系,因此可获得一系列在时间上来看是等间隔的激光超短脉冲序列。若进一步采用特殊的快速光开关技术,还可以从上述脉冲序列中选择出单一的超短激光脉冲。(5)单模和稳频激光器

单模激光器是指在采用一定的限模技术后处于单横模或单纵模状态运转的激光器。稳频激光器是指采用一定的自动控制措施使激光器输出波长或频率稳定在一定精度范围内的特殊激光器件。(6)可调谐激光器

在一般情况下,激光器的输出波长是固定不变的,但采用特殊的调谐技术后,使得某些激光器的输出激光波长可在一定范围内连续可控地发生变化,这一类激光器称为可调谐激光器。

4.按输出波长范围分类

根据输出激光波长范围的不同,可将各类激光器区分为以下几种。(1)远红外激光器46

远红外激光器的输出波长范围为2.5×10~1.0×10nm。某些分子气体激光器以及自由电子激光器的激光输出即落入这一区域。(2)中红外激光器3

中红外激光器指输出激光波长处于中红外区(2.5×10~2.5×410nm)的激光器件。(3)近红外激光器3

近红外激光器指输出激光波长处于近红外区(0.75×10~2.5×310nm)的激光器件。(4)可见激光器

可见激光器指输出激光波长处于可见光谱区(4000~7000nm)的一类激光器件。(5)近紫外激光器

近紫外激光器的输出激光波长范围处于近紫外光谱区(2000~4000nm)。(6)真空紫外激光器

真空紫外激光器的输出激光波长范围处于真空紫外光谱区(50~2000nm)。(7)X射线激光器

X射线激光器指输出波长处于X射线谱区(0.01~50nm)的激光器系统,目前仍处于探索阶段。1.3.3 激光器的发展

激光器的发展趋势主要表现在以下几个方面:

①从实用角度看,主要发展小型化、实用化、高效率和价格便宜的激光器件。

②从波长角度看,激光器正向长波长和短波长两端发展,如远红外激光器、紫外激光器和更短波长的X、激光器。

③从输出功率来看,大功率激光器近年来不断出现,其中钕玻璃激光器的最大脉冲峰值输出功率已达1013W。气体CO激光器的连续2输出功率已达400kW。

④从新类型激光器的角度看,首先是准分子激光器发展很快,这种激光器的波长范围很宽,功率可以很大。核激励激光器是一种利用核能来激励激光物质从而产生激光的新型激光器。核激励激光器输出的巨大能量可用于激光武器、核聚变、远距离能量传输等。第2章 机载激光雷达2.1 激光成像技术2.1.1 激光雷达的产生及特点

1.激光雷达的产生

激光的产生与雷达有着非常密切的联系。20世纪,人类发明了雷达之后,雷达及其成像技术就得到了迅速的发展和广泛的应用。随着应用的深入,雷达的缺点也越来越引起人们的注意,其主要表现在:波长较长,相应能量子的能量很小;一般不足以与目标发生生化作用,无法探测目标的生化特性;在传播过程中,遇到尺寸小于波长的物体时,更易于发生衍射,即绕过物体继续传播。因此,雷达工程师努力探索更短波长的辐射源,在微波振荡器的基础上发明了激光器,将其与雷达技术相结合,产生了激光雷达技术。

激光雷达是一种工作在从红外到紫外光谱段的雷达系统,以激光作为载频,是光、机、电结合的产物,也是雷达频率延伸到更高频段的结果。其原理和构造与激光测距仪极为相似。激光雷达能够精确测量目标位置(距离和角度)、运动状态(速度、振动`和姿态)和形状,探测、识别、分辨和跟踪目标。

2.激光雷达的特点

激光雷达的激光频率比微波频率高几个数量级,相应的粒子能量也较大。具有如下特点:

①用小口径天线即可实现发散角很小的波束,而且无旁瓣,因此角分辨率较高。

②距离和速度分辨率高,使用脉冲测距,可以实现超窄脉冲,大大提高了测距精度,使用连续波测距,副载波频率可以做得很高。采用距离—多普勒成像技术可以得到运动目标高分辨率的清晰图像,而且测量没有盲区。因为使用多普勒频率测速的频率比微波高很多,因此速度分辨率极高。

③抗干扰能力强,不受无线电波干扰,在低仰角状态下工作时,不受地波干扰,对地面的多路径效应和等离子层的干扰也不敏感。

④能够与一些目标发生生化作用,通过相应的分析技术,能够探测到目标的生化特性。

⑤激光雷达波长短,可以对极小的目标进行探测,这是微波雷达无能为力的。2.1.2 激光雷达的分类

经过多年的实践,激光雷达在很多领域具有广泛的应用,开发出很多种类和用途的设备。按照不同的标准,激光雷达可以分为以下类别。

1.按使用目的分类

依照检测目的的不同,激光雷达可以分为观测环境状态及测量距离两大类(如图2.1所示)。观测环境状态的激光雷达以远距离测量环境状态为目的,可以对大气、水域、陆地的各种状态进行测量。在大气检测方面,以物质类别、游离粒子和气象因素等作为观测对象。例如,在水域检测方面,可以测量水中以浮游生物、透明度、水温和油污染等为特征的海洋污染。陆地检测可以进行植物存活率等方面的研究。测量距离类主要是空间信息科学所关注的应用,例如星载的激光雷达可以通过测距来获取地球的形状、大陆的位置及地球的自转周期等,机载的激光雷达则可以通过测距来得到地表的三维信息。图2.1 按使用目的分类

2.按激光和物质的相互作用分类

激光雷达是利用激光和目标之间发生相互作用而进行检测的。由于激光与目标的相互作用不同,可以进行不同应用目的的检测,也可以据此进行分类(见表2.1)。表2.1 按和物质的相互作用分类(部分)

例如,激光测距就是利用镜面反射的原理,激光束照射到目标,由于反射作用,反射激光束回到接收器,就可以得到激光器与目标物体间的距离。气溶胶与云等发生的散射属于米氏散射,通过探测散射状况,就能够得到气溶胶和晕的状态。此外,还有利用瑞利散射、拉曼散射以及荧光法等方法来监测目标的物质组成和升华状态。

3.按使用的激光器分类

目前,激光雷达主要使用的激光器种类有:长波段的激光器,Nd∶YAG,半导体,红宝石,以染料为激励物质的染料激光器,准分子激光器,各种高频率激光器,等等。

4.按脉冲方式或连续波方式分类

利用激光脉冲进行探测的雷达称为脉冲激光雷达,利用连续波激光束进行探测的雷达称为连续波激光雷达。

5.按光波检测的方法分类

光波检测有直接检测光强度的直接检测法和同时检测频率的相干法。直接法又分为光子计数器法和直流法。

6.按工作台分类

根据装在平台的不同,可以分为固定平台和移动平台。固定平台可以在附属于建筑物的棚架或者圆顶建筑内部,也有在雷达站安装的。移动平台可以分为星载、机载和车载等。2.1.3 激光成像雷达

1.激光雷达的发展

激光雷达经历了4个发展阶段:

①最早且最简单的激光雷达就是激光测距仪。

②跟踪测角测距雷达。

③在测角测距的基础上增加测速(径向、横向)功能。

④激光成像雷达,可以给出极高的空间分辨率。

激光雷达有非成像和成像之分。激光成像雷达是激光雷达的重要属类,是激光雷达发展的高级阶段,也是目前和未来研究和发展的重点,它除了能够提供运动参数外,还能够提供目标大小、形状、表面材料等多种特征参数。

2.激光成像雷达的关键技术

激光成像雷达技术是一种主动式传感器技术,分为扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。

国外激光成像雷达技术的研究比较早,主要在军事上的应用研究比较深入。1964年,美国率先研制成功用于导弹靶场的激光跟踪测量雷达。美国、英国、法国、德国、日本等先后研制了多种军用激光雷达,分别用于导弹试验鉴定、航天器交会对接、精确制导、火力控制、直升机防撞、水雷探测、战场侦察、预警探测、化学试剂探测和局部风场测量。例如,目前对包括激光相控阵雷达、目标成像识别激光雷达、动目标指示激光雷达、激光合成孔径雷达、非扫描成像激光雷达等不同类型的军用激光雷达都在进行深入研究和实践应用。美国军方在AGM-129A巡航导弹上加装CO激光主动成像制导雷达以后,2使它的目标精度由原来的40m提高到3m,提高了一个数量级。民用方面,主要集中在机器人视觉、车辆导航、目标识别等系统中的应用。

从原理上讲,只要发射激光波形具有足够高的波束质量和重复频率,接收信号达到一定的信噪比要求,均能通过波束扫描在探测器的光敏面上得到目标的图像。

激光成像雷达的关键技术主要包括高功率和高波束质量的激光器、高性能二维扫描技术、高灵敏度接收器和图像处理及目标识别算法。其中,前三项属于硬件技术,它们随着相关硬件技术的飞速发展均不同程度地得到解决,第四项技术属于软件技术,对数据的理解和相关理论及算法的要求很高,还没有得到很好的解决,是目前激光雷达技术发展的瓶颈。2.1.4 激光成像雷达硬件技术简介

1.激光成像雷达常用激光器

高功率和高波束质量的激光器是激光成像雷达的核心,任何成像系统的分辨率都与所用的电磁辐射波长有关。通常,波长越短,分辨率越高;功率越高,雷达的探测距离越远,在同样距离情况下,信噪比越好。同时,还需要较窄的脉冲宽度以及较好的大气传输性能。虽然从理论上说,任何类型的激光器都可以作为激光成像雷达的发射光源,但综合考虑各种因素,比如波长、大气传输特性、功率、信号形式、平台限制、对人眼的安全程度、可靠性和技术成熟程度等,实际上用于激光成像雷达发射光源的激光器却为数不多。

目前,激光成像雷达的工作波长一般为可见光及短波红外激光成像雷达(0.6328~3μm)和长波红外激光成像雷达(8~12μm)波长。对应的激光器的主要类型是:0.808μm(或0.905μm)的GaAlAs半导体激光器、1.06μm的Nd∶YAG固体激光器和10.6μm的CO气体2激光器。它们都处于大气传输窗口的短波红外波段和长波红外波段。在中波红外(3~5μm)波段,目前还没有可靠成熟的商用激光器。为了获得中波红外激光,一般采用倍频技术将CO激光器输出的210.6μm长波红外激光倍频到5.3μm中波红外,或采用OPO技术(光学参量振荡)将短波红外调谐到3~5μm中波红外,但是无论用倍频技术还是OPO技术获得的中波红外激光,其转换效率现在还比较低,短期内无法作为激光成像雷达的发射光源。(1)CO气体激光器2

CO气体激光器是一种典型的分子气体激光器。长期以来,人们2一直认为CO激光器是激光成像雷达最理想的辐射源,这是因为CO22激光器效率高,不良气候条件下大气传输性能好;波长适中,易于实现高灵敏度外差探测和三维成像,信息处理技术比较成熟;与8~12μm波段的热成像系统兼容;对人眼安全。因此,早期的激光成像雷达几乎清一色地采用CO激光器。CO激光器的种类繁多,目前常22见的有流动型、横向激励型、高气压型、气动型、波导型、射频激励型等。CO激光测距仪克服了Nd∶YAG激光测距仪的缺点,具有对大2气穿透能力强的优点。

① CO激光器激光作用的跃迁机理。2

任何分子都有3种不同的运动形式:一是分子里的电子运动决定着电子能态;二是分子里的原子振动,即原子围绕其平衡位置不停地做周期性振动,这种运动决定了分子的振动能态;三是分子的转动决定着分子的转动能态。CO激光器就是利用CO分子的振动和转动能22级间的跃迁来产生激光的,激光波长为10.6μm。

CO激光器的激光跃迁发生在CO分子的一些较低的振动能级之22间,在CO分子中,激光跃迁能够在多组振动能级实现,其中较强的2激光谱线对应着00°1~10°0带和00°1~02°0带的激光跃迁。图2.2指出了与这两个带的激光跃迁有关的CO分子的能级图。00°1~10°0带2和00°1~02°0带的激光跃迁的上能级同是00°1振动能级,它是反对称振动模式最低激发能态。激光跃迁的下能级分别为10°0和02°0。00°1~10°0的跃迁产生10.6μm附近的辐射;00°1~02°0跃迁产生9.6μm附近的辐射。由于它们有共同的上能级,因此这两种跃迁是互相竞争的。同时,00°1~10°0的跃迁概率比00°1~02°0的跃迁概率大得多。因此在一般情况下,对应于00°1~10°0跃迁的激光振荡更易实现,即10.6μm附近的激光谱线的振荡总是占优势。00°1能级是反对称振动模式的一系列等能量间隔的振动能级中最低的一个激发态,同时它的自发辐射寿命很大(为毫秒数量级),所以有利于积累较大的粒子数。这就是说,00°1是一个比较理想的上能级。由分子振动的模式特性可知,直接的电子碰撞更容易激发反对称振动,而不容易激发对称振动和弯曲振动,因此分子在10°0和0°20能级上的积累要比00°1上的积累少得多。同时,分子从10°0和0°20能级跃迁至00°1能级上相对较快,因此10°0和0°20能级适合作为激光的下能级(如图2.2所示)。图2.2 CO和N分子的部分能级图22

由以上分析,我们可以期望在00°1与10°0或0°20能级间建立粒子数反转。

事实上,CO激光器的输出功率很低,仅为毫瓦(mW)量级,2后来发现,在CO气体中加入N、He、Xe、HO(或H)等辅助气体2222后,可使激光输出大大增强,下面我们对此给出简单介绍。

我们知道,为了增强一种激光工作物质的受激辐射过程,可采取两个途径:一是使激励到上能级的粒子数增多,二是使下能级迅速抽空。这两个途径同样很重要。

A.N分子气体是CO激光器中使用的主要辅助气体。22

N和CO按适当比例混合后,能使CO激光器输出功率提高1倍以222上。N分子的作用主要是增加激发到激光跃迁上能级00°1的粒子数。2如图2.2所示,V=1是N分子基电子态的最低振动激发态,V=0是N分22子的基态。由于分子的振动特性决定了被电子碰撞激发到基电子态的任一振动激发态的分子不能通过辐射跃迁而回至基态。实验表明,V=1态的寿命较长,约为100ms。而CO分子的00°1能级与V=1的N分22-1子振动能级很相近(只差18cm),因此处于V=1态的N分子激发能2量能够通过共振交换激发过程转移给CO分子,从而使更多的CO分22子择优地被激发到00°1能级上,可以显著地增大激光跃迁能级间的粒子数反转分布程度,这就为CO激光器的高效运转和高功率输出创造2了有利条件。

B.在CO+N的激光器中,加入氦气可以使激光输出功率成倍增22大。

由于氦的热导率比CO、N的热导率约高一个数量级,加入氦后,22能提高放电管内热量向管壁传递的速率,使管内工作气体的温度明显下降,因此可以加速CO分子的01°0能级到基态的热弛豫过程,有利2于激光下能级10°0和02°0的抽空,因而可增大激光跃迁能级间的粒子数分布的反转程度,增加激光输出功率。

C.在CO+N+He的激光器中,加入适量的水蒸气(HO),也222可使激光输出功率显著地增加。

加入水蒸气的作用可解释如下:HO分子的弯曲振动的第一个激2-1发能级(比基态高1596cm)很接近CO分子的10°0能级(比基态高2-11388cm),而且与10°0态的CO分子碰撞概率很大,因而HO分子与22CO(10°0)分子“抽空”到基态,而CO(10°0)分子如果靠CO222分子间的碰撞来“抽空”,则需碰撞几万次才行,所以CO激光器中2适量HO分子的存在有助于CO分子激光跃迁能级粒子数反转和激光22输出的增强。

D.在CO+N+He的激光器中加进适量氙气(Xe),也能使其增22加输出功率。

加入Xe时一个明显的现象是:在保持放电电流不变的情况下,使管压降减低20~30,这表明放电管内等效电阻下降了同样的百分数。这是由于Xe的电离电位较低(约12.1eV),在气体放电时,Xe气容易电离,因而Xe气的加入可以增加激光管内工作气体的电离度,同时使高能量的电子减少,低能量的电子增加,这样更有利于激励CO分子的00°1能级和N分子的V=1能级,从而增加激光输出功22率。此外,由于高能量的电子减少,因此减少了CO分子分解的可能2性,而且加入氙气还可使CO激光器延长寿命。2

E.在CO激光器里加入氢气(H)、一氧化碳(CO)和氧气22(O)将延长激光器的寿命。2

由以上分析可知,CO激光器是四能级系统。以CO、N、He等222混合气体为工作物质,其中CO分子是激光物质,N的作用是提高激22光上能级的激励效率,He则有助于激光下能级的抽空。此外还有CO、Xe、HO等辅助气体,它们的作用是为了改善激光的输出特性。2

② CO激光器的优点。2

CO激光器具有以下优点:2

● 对人眼安全。激光束对眼睛的损伤或损坏主要由输出功率和波长决定,任何高功率波长的激光都会损伤眼睛,但波长不同,对眼睛的损伤阈值就不同,损伤部位也不同。CO激光器的10.6μm波长远2离眼睛的透射波长,不损伤视网膜。

● 优良的大气传输性能。激光光束在大气中传输时,由于大气中悬浮粒子的吸收和散射(少量的气体分子和水分子),会使传输的激光能量衰减,衰减量由传输的波长决定。对于10.6μm波长的CO激2光,因为波长较长,悬浮粒子的散射和吸收很小,因此它在雾天、霾天或烟尘中的传输性能要明显优于1.06μm波长的激光。

● 有较大的输出功率和能量转换效率。CO激光器的光电转换2效率高达10~20,比Nd∶YAG测距机的效率要高一个数量级,其光束输出质量可以达到衍射极限,而Nd∶YAG激光器的输出光束质量较差,因此尽管输出光束的发散角都为毫弧度级,但利用光学系统来减小发散角比Nd∶YAG激光器要容易得多。

● 易于进行外差探测。外差探测的好处是,由于本振激光束与信号光的相干作用而使得外差探测能将很弱的光信号从噪声中检测出来,信噪比很高,是探测微弱信号的常用方法。实验证明,外差探测的灵敏度是直接探测的80倍。但是,外差探测对于本振激光束与信号激光束的准直要求和相干要求较高。实验证明,光波长越短,这个要求越高。因为CO激光器有很高的相干性和长的波长,所以它易于2实现外差探测。

③ CO激光器的缺点。2

CO激光器具有以下缺点:2

● 需要低温制冷。CO激光测距机探测器要在低温下工作,并2需要特别设计的前置放大器,以适应接收探测器的低噪声,增加了成本、体积及重量。

● 目标对10.6μm的激光反射率低。一般而言,目标对10.6μm波长的激光反射率比1.06μm和1.54μm波长激光反射率低。

● CO激光易被水分子吸收,不适合潮湿条件,空气中CO的22含量也对CO激光传输性能有一定的影响。2(2)Nd∶YAG固体激光器

YAG激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器。钇铝石榴石的化学式是YAlO,简称为YAG。在YAG基质中掺入激活离3515子Nd3+(约1)就成为Nd∶YAG。由于Nd∶YAG属四能级系统,量子效率高,受激辐射面积大,所以它的阈值比红宝石和钕玻璃低得多。又由于Nd∶YAG晶体具有优良的热学性能,因此非常适合制成连续和重频器件。它是目前在室温下能够连续工作的唯一固体工作物质,在中、小功率脉冲器件中,目前应用Nd∶YAG的量远远超过其他工作物质。Nd∶YAG激光测距仪工作在1.06μm的红外光波段,具有效率高、重复频率高等优点。现有的Si雪崩光电探测器(Si-APD)对1.06μm激光的探测性能非常好,这也是Nd∶YAG激光测距仪得到普及的重要原因。

YAG激光器问世较红宝石和钕玻璃激光器晚。1964年,YAG晶体首次制成,美国西尔凡尼亚公司于1971年推出YAG激光精密跟踪雷达(PATS系统)用于导弹测量靶场。20世纪70年代为研究和应用YAG激光器的热潮时期,在激光测距、激光雷达、激光工业加工、激光医疗等领域出现了一些应用成果。80年代为大发展时期,成为各种激光发展和应用的主流。然而,由于固体激光器在相干性、脉冲重频和输出功率等方面受到局限,遇到CO激光器的挑战,同时,传统2的圆棒形YAG激光器效率低(3)及热效应严重的固有缺点,限制了其高功率输出和高重复频率,光束质量也难以保证,迫使人们寻求新的结构形式和泵浦方法,板条形YAG激光器和二极管泵浦YAG激光器成为YAG激光器的重要发展方向。

20世纪80年代后,半导体二极管激光器(LD)技术和制造工艺逐步成熟,为固体激光器提供了一种理想的泵浦源,与传统的泵浦灯相比,LD具有输出功率高、寿命长的优点,特别是它的输出与YAG激光介质的吸收带相一致,因此使二极管泵浦的YAG激光器具有突出的优点:泵浦效率高,可达20左右(灯浦泵效率只有百分之几);

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