1引言
红外探测通过感应目标的红外辐射，利用目标和背景的热辐射温差形成红外图像，实现对目标的成像探测，在视频监控、侦查监视、防疫测温等多个民用、军用领域得到了广泛应用。特别是随着射频隐身技术的发展，红外技术在机载反隐身探测领域发挥了无可替代的作用[1-3]。然而，红外被动式探测方式缺乏直接获取目标距离的手段，导致探测目标信息维度的缺失，造成虚警剔除和目标态势感知困难。因此，在面对复杂场景时，需要拓展红外探测之外的新体制光学探测技术。
激光雷达Lidar (Light Detection And Ranging)是一种主动式的现代光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。它以激光作为载频，向被测目标发射激光束，通过测量反射或散射信号的到达时间、强弱程度和频率变化等参数，进而确定目标位置(距离和角度)、运动状态和形状等信息，最后实现目标的探测识别、分辨跟踪，是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术[4,5]。
相比于传统雷达，激光雷达因其光束发散角小、能量集中，加之光束本身良好的相干性，可以达到很高的角分辨率、速度分辨率和距离分辨率。同时，激光雷达也不受电子干扰的影响，且具有更小的体积和更轻的重量，因而在机载应用领域受到广泛关注[6-10]。
本文对机载激光雷达的应用情况进行介绍，针对探测距离、成像分辨率、扫描效率三个核心指标，以及大气传输中湍流导致的激光波前畸变降低成像性能这个实际应用问题，分析了目前的研究进展，并对未来可采用的新技术体制进行展望。
2激光雷达技术原理
激光雷达通过测量光脉冲或调制信号往返于雷达和目标之间的飞行时间来获得距离信息(Z轴)，同时通过扫描或者多点对应测量获得垂直于光束方向平面内的方位信息(X、Y轴)。激光雷达本质上可以理解为具备成像能力的激光测距机，因此根据激光测距体制可分为直接探测和相干探测，而根据成像体制可分为扫描式成像和面阵凝视型成像。
2.1激光雷达测距体制
（1）直接探测
直接脉冲飞行时间探测顾名思义就是直接测量激光脉冲从发射到经目标散射后返回雷达的往返时间t，已知激光在大气中的传输速度c，得到被测目标的距离r=ct/2，如图1所示。
图1 直接探测激光雷达原理图
直接脉冲测量激光雷达发射的一般为纳秒级脉宽的激光脉冲，优点是作用距离远、探测时间短，理论上单发脉冲即可完成测距，缺点主要是其测距精度相对较低。
（2）相干探测
激光相干探测系统是一种基于光学混频原理的激光探测系统，其原理是将包含目标信息的信号光与作为基准的本振光在光电探测器上进行光学混频，输出两光波之间的差频电信号。相干探测利用光场干涉检测信号光与本振光的频率、相位等差异，从中提取出目标的运动信息。
激光相干探测可以利用相位相关的激光脉冲进行累加探测，从而提高系统的信噪比，在一定条件下，相干探测的灵敏度可接近探测器的量子噪声限，实现超远距离探测。与此同时，相干探测具有良好的滤波性能，可工作在高空日光直射的环境。但是，相干探测需要利用光场的相位信息，对大气湍流更为敏感。
2.2激光雷达成像体制
（1）扫描式成像
扫描式三维成像激光雷达由单点或线列激光测距系统配以光束扫描装置构成，是目前发展相对成熟的三维成像激光雷达技术，在地形测绘、空间交会对接、汽车自动驾驶等领域的应用十分广泛。扫描式激光雷达要求实现每个点的快速测距，因此大多采用直接脉冲探测的方式。
目前，可用于激光雷达系统的扫描方式中较为成熟的是机械式扫描，主要有摆镜扫描、万向节扫描、转镜扫描、双光楔扫描等类型。但是，由于扫描装置必须能够同步对发射光轴和接收光轴进行扫描，因此一般扫描式雷达多设计为发射-接收同轴，并且为了保证接收到足够的回波功率，扫描镜的光学有效孔径不能过小，这在很大程度上限制了系统的扫描速度。
图2 NASA对地观测激光雷达扫描方式发展线路图
（2）面阵凝视型成像
近年来，随着探测器件的发展，基于面阵成像体制的三维成像激光雷达得到了快速发展。它不需要复杂的扫描机构，仅发射一次激光脉冲即可获得一帧三维图像，即所谓的“闪光式”成像。因为釆用二维探测器阵列作为接收器，面阵三维成像激光雷达相对以往的激光雷达具有捕获速度快、信息量大、结抅紧凑可靠等特点,捕获成像面的大量三维信息，可以实现快速大图像分辨率的三维探测。
3国外机载激光雷达发展情况
由于激光雷达在目标识别、分类和高精度三维成像及测量方面有独特技术优势，被广泛应用于地形测绘、监视侦查、壁障等方面[11,12]。
3.1地形测绘
激光雷达具有测量精度高、方便快捷、数据处理方便等优点，在浅滩测量、森林资源调查、厂矿资产评估、电力设施测绘、3D城市建模等测绘领域受到广泛的关注。
以Riegl公司为例，目前主要有VQ、LMS、VUX等系列机载激光雷达，均使用反射式旋转多面转镜作为扫描机构、角分辨率可达到0.001°、测距精度小于25mm，VQ与LMS系列具有60°的扫描角度、VUX系列扫描角度可达330°，如图3所示。
图3 Riegl公司VQ、LMS、VUX系列机载激光雷达
3.2监视侦查
激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，并将数据以图像的形式显示，实现全空域大视场、高分辨率、高清晰度目标探测与识别，获取明显目标图像特征数据、有效评估目标威胁，增强战场态势感知能力，获取丰富的情报，掌握战场动态信息，提升军队作战效能。
美国麻省理工学院林肯实验室自1996年开始研制基于盖革模式雪崩二极管焦平面阵列的激光雷达，并于2011在美国空军的支持下完成ALIRT系统，该系统可在9km高度对广域地形进行快速高分辨率三维成像，每小时可完成2000km2区域的三维成像，工作在3km高度时距离分辨率可达10cm。
图4 ALIRT激光雷达对地成像结果图
竖锯(JIGSAW)激光雷达是应用于无人机的三维成像激光雷达，由DAPRA资助完成，主要目的是研究和验证高分辨率三维成像激光雷达系统和技术,用于无人驾驶的空基平台，通过成像发现和辨认隐蔽在树丛中及伪装的目标。在2002～2003年间，该系统已成功应用于UH-1直升机上,通过采用可见光绿光皮秒激光脉冲和32×32探测器阵列，实现了5cm的横向分辨率和40cm的距离分辨率，但其探测距离仅有150m。
图5 DARPA机载激光雷达成像图
类似的产品还有瑞士Leica公司的Citymapper机载激光成像雷达和加拿大的Optech激光成像雷达。Citymapper激光成像雷达的作用距离为300- 2500m，测距精度为2cm，视场角为40°，扫描速度100Hz。Optech激光成像雷达的最大测程为2000m，测距精度为0.8cm，视场角为60°。
3.3障碍回避
高速直升机和无人机面临低可见度、低空超低空等复杂、危险的战场环境，导致与各类障碍物相撞的几率大大增加。激光雷达具有极细的探测波束角，便用于探测飞机前方电力线、信号塔等不易观察到的微小障碍物，因此应用激光雷达可提升高速直升机和无人机平台飞行的安全性。
意大利SELEX ES公司研制针对直升机和无人机平台研制的激光避障雷达LOAM，采用掺铒光纤激光器，成像接收装置采用雪崩二极管，采用光束扫描成像，具备可见光或红外扩展接口。2002年，完成了地面试验验证，并在意大利空军AB-212直升机上进行了试飞验证，随后被意大利空军和北约其他国家应用在各种直升机平台上。LOAM的提供40°×30°的视场角，在1km的能见度环境，可以识别500m外5mm直径的电线，使直升机能够及时规避与障碍物相碰撞的危险。
图6 LOAM激光雷达实物图
德国戴姆勒-奔驰宇航公司按照联邦防卫技术合同，研制了Hellas障碍探测激光雷达。该激光雷达是1.54μm成像激光雷达，视场为32°，能探测距离300 ~ 500m、直径1cm以上的电线和其他障碍物。
美国诺格公司与陆军通信电子司令部夜视和电子传感器局联合研制直升机超低空飞行用的障碍回避系统OASYS，可以进行电线、树木、建筑物以及地表等目标探测。该系统使用半导体激光发射机和旋转全息扫描器，探测直升机前很宽的范围，可将障碍信息显示在平视显示器或头盔显示器上，能在400m外发现直径25mm的电线，最大测程大于900m。
4机载激光雷达发展趋势及关键技术
由于激光雷达本质上可以理解为具备成像能力的激光测距机，因此机载激光雷达的发展趋势就是更远的探测距离、更高的成像分辨率、更快的扫描效率。此外，激光在空间中的传输还会受到大气环境的影响，因此激光雷达实现远距离应用还需解决湍流等大气传输效应的抑制问题。本节针对这四个方面，分析机载激光雷达进一步发展面临的问题，以及解决问题需要采用的关键技术。
4.1探测距离
机载激光雷达的探测距离多在10km以内，难以匹配几十甚至上百公里的红外探测能力，因此机载激光雷达无法在远距探测场景应用，例如预警探测。
随着探测距离的增加，激光雷达的回波信号的强度将会越来越弱，直至光子量级，因此为了提高激光雷达的探测距离，需要采用光子计数激光雷达，即在信号接收端，采用工作在盖革模式的单光子探测器代替线性的光强探测器，探测光子量级的回波信号[13]。
2001年，美国SigmaSpace公司研制了基于盖革模式雪崩光电二极管（Gm-APD）的光子计数3D成像激光雷达，利用被动调Q的Nd：YAG微芯片激光器，输出功率140mW，单脉冲能量6μJ，采用双光偰扫描，10×10阵列探测器接收。在2007年完成了屋顶测试，随后在1km海拔进行了挂飞试验，结果如图7所示。
图7 机载光子计数雷达的三维测绘实例
2015年，美国Harris公司对盖革模式光子计数雷达系统进行了商业化产品开发，型号为ITI000，采用的探测器为128×32InP/InGaAsP GMAPD，激光器为Nd:YAG二极管泵浦固体激光器，并采用了270mm全息光学扫描器，扫描半角15˚，转速大于2000RPM，挂飞在6km的高度时，扫描带宽3.2km。
图8 ITI1000和6km高度的地形测绘距离像
2020年，中科大通过采用亚像素扫描和3D反卷积算法，实现了200km的单像素单光子成像。在发射端采用重复频率500kHz、平均功率600mW、脉冲宽度0.5ns的窄脉宽光纤激光器和280mm口径的光学系统，单像素视场11.2μrad。接收端采用基于InGaAs/InP的Gm-APD单光子探测器，探测效率最高达39%，在平均每像素信号光子数为1、信噪比为0.03的条件下，得到了距离约201.6km的山体图像，验证了单光子探测技术应用在远距离激光雷达的有效性[14]。
4.2分辨率
目前应用的机载激光雷达可以在1km的探测距离上获得优于1cm的空间分辨率，但是，随着传播距离越远，光束的扩散就会越严重。当探测距离达到百公里时，激光雷达的空间分辨率就会降低到米级，无法满足高精度分辨的应用需求。
合成孔径激光雷达与合成孔径雷达的原理类似，通过真实孔径的小天线相对于目标运动, 记录接收信号并经适当信号处理, 使对同一目标单元的各个回波信号能够同相叠加, 从而得到高方位分辨率的相干成像。合成孔径技术是激光雷达在远距离获得厘米级分辨率的有效手段[15]。
2006年，诺格公司利用DARPA资助的战术机载激光合成孔径雷达(SALTI)计划，第一次实现了机载激光合成孔径激光雷达的战术成像，在飞行试验中验证了合成孔径激光雷达能够得到几乎接近光学照片质量的图像。
图9 DARPA合成孔径激光雷达成像图
2017年，上海光机所完成了机载合成孔径激光雷达的外场飞行试验，对3.8km外的10mm角锥点目标实现了成像。2023年，长春光机所通过采用相位误差补偿算法，实现了机载振动环境下低信噪比合成孔径信号的相干检测[16]。
4.3扫描效率
由于激光雷达波束窄、视场小，传统的机械式扫描方法在需要大范围成像的场景中存在扫描速度慢的问题。相控阵激光雷达通过对一组激光束的相位分别进行控制和波束合成, 实现波束功率增强和偏转扫描。相控阵激光雷达通过电信号实现光束的捷变，具有响应迅速、精准，扫描频率高，体积小等优势，是提升激光雷达扫描效率的有效途径[17]。
雷声公司为DARPA的“灵巧控制光束”项目开发了被称为“光相控阵”技术的非机械式光束控制技术，该技术使用平板电动液晶阵列，将激光器发射的光束分解为多个波束。2004年，雷声公司设计出了重量大概为2kg的可编程控制的相控阵激光雷达，其距离分辨率可达0.2m并且作用距离达到4km。2007年，雷声公司的相控阵激光雷达APG-79在经过了美国海军允许后，用于装备海军F / A-18 战斗机，开始进行大量的生产。
4.4大气效应抑制与补偿
激光在大气中传输时，能量受大气影响而衰减，尤其在恶劣气候条件下，比如浓雾、大雨和烟、尘，作用距离会大大缩短，难以有效工作。大气湍流也会不同程度上降低激光雷达的测量精度。
为抑制湍流效应，传统思路是采用自适应光学设计，通过加装自适应光学系统实时修正大气湍流引起的相位畸变，以提高成像质量，但自适应光学系统结构和系统复杂、成本高。近年来，计算成像技术的发展，为解决大气湍流引起的激光光束质量退化问题提供了新思路。计算光学成像使一个新兴的多学科交叉领域，它以具体应用任务为准则，通过多维度获取或编码光场的角度、偏振、相位等信息，为传感器设计远超人眼的感知新范式；同时，结合数学和信号处理知识，深度挖掘光场信息，突破传统光学的成像极限[18,19]。
2014年，美国 Nanohmics 公司为了给军事飞机或无人机空间侦察提供更高的成像质量，研制了基于光场相机的自适应光学系统原型机，以分辨率标准板为信标，以光场相机为波前传感器，对简单的离焦畸变进行了探测和自适应补偿，得到了较好的结果。
2017年，国防科大开展了对受到波前畸变影响的模糊传统成像进行清晰化的方法研究，通过对目标物光场信息进行采集，从目标四维光场信息中解算出目标物光场波前信息，再利用解算得到的目标物光场波前畸变信息，求解成像系统的系统成像点扩散函数，在频域对退化图像进行解卷积运算，最终求解得到成像目标理想清晰成像。仿真和实验结果表明，该方法可降低复杂环境中随机湍流导致的目标物光场波前畸变，以及因遮挡导致的光学成像质量退化，实现图像清晰化操作[20]。
图10 复杂环境下的计算光场成像
5结论
本文介绍了激光雷达的原理和在机载平台的研究及应用情况，针对未来远距离、大视场、高清晰、全天候的探测需求，分析了提升激光雷达能力的新体制技术路线和关键技术，为国内机载激光雷达系统的发展提供参考。
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