用于飛行器探測(cè)的拉曼散射激光雷達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及一種空中目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)，特別是利用拉曼散射探測(cè)空中飛行器的 激光雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002] 探測(cè)飛行器是設(shè)計(jì)雷達(dá)的初衷。過去，對(duì)于各種飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等飛行器的探測(cè) 主要依賴無線電雷達(dá)，如毫米波和微波雷達(dá)。這些雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，功率大，穿透力強(qiáng)，不 受云霧影響，因此探測(cè)距離遠(yuǎn)。然而，隨著電磁對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展和新材料的研制，無線電雷 達(dá)越來越受到各種限制，比如主動(dòng)雷達(dá)站很容易暴露自己從而成為被優(yōu)先攻擊的目標(biāo)，強(qiáng) 電磁干擾可能使得雷達(dá)屏幕一片雪花噪聲而失效。更嚴(yán)重的是，美國(guó)等西方國(guó)家研制的隱 形飛機(jī)，如B-2轟炸機(jī)，F(xiàn)-35戰(zhàn)斗機(jī)等，已經(jīng)將雷達(dá)散射截面降到常規(guī)飛機(jī)的~1 %，紅外信 號(hào)降低到常規(guī)飛機(jī)的~10%，這對(duì)我國(guó)的雷達(dá)系統(tǒng)將是一個(gè)嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。
[0003] 本發(fā)明用于飛行器探測(cè)的拉曼散射激光雷達(dá)，將對(duì)現(xiàn)有的雷達(dá)系統(tǒng)提供一種補(bǔ)充 手段，從原理上突破現(xiàn)有隱形飛機(jī)的隱身機(jī)制。關(guān)于拉曼散射用于大氣探測(cè)，已經(jīng)有很多工 作被報(bào)導(dǎo)，如CN200910237425對(duì)于大氣溫度的探測(cè)，CN200710018406關(guān)于大氣環(huán)境探測(cè)系 統(tǒng)的多功能化設(shè)計(jì)，CN201310057961對(duì)于氣溶膠的測(cè)量，CN201210322203關(guān)于云霧中水汽 的測(cè)量等等。但是將拉曼散射激光雷達(dá)用于大氣目標(biāo)如飛行器的探測(cè)還沒有報(bào)導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明從原理上創(chuàng)新，提出一種利用拉曼散射探測(cè)飛行器方法。常規(guī)的雷達(dá)在探 測(cè)目標(biāo)時(shí)，利用的都是目標(biāo)自身直接的回波信號(hào)。紅外探測(cè)器可以通過對(duì)目標(biāo)溫度與背景 的溫度差感知目標(biāo)的存在。針對(duì)這些情況，現(xiàn)在的飛行器的隱身方法，主要是利用兩點(diǎn)： 1.減小雷達(dá)散射截面，比如設(shè)計(jì)特殊的形狀減小背向回波信號(hào)，在機(jī)身涂覆吸收材料，吸收 從微波到光波的電磁波；2.減小尾流的紅外信號(hào)，比如對(duì)尾流進(jìn)行預(yù)先降溫，把噴氣管隱 藏在機(jī)背上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管隔熱等等。然而這些隱身技術(shù)也有自身的缺點(diǎn)。
[0005] 眾所周知，噴氣式飛行器飛行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)產(chǎn)生尾流，除非發(fā)動(dòng)機(jī)不工作，那么飛 行器也就失去了動(dòng)力。飛行器尾流的特點(diǎn)，除了高溫，還有高壓、高速的特點(diǎn)，化學(xué)組成也與 大氣相差極大，主要成分是高濃度的二氧化碳和水汽，以及一部分燃燒顆粒物。只要確定了 尾流的存在，就能發(fā)現(xiàn)飛行器的軌跡，從而進(jìn)行跟蹤、導(dǎo)引甚至擊毀目標(biāo)。本發(fā)明就是要探 測(cè)這種高溫、高壓、高速的尾流。我們可以通過尾流中強(qiáng)烈的湍流和顆粒物的拉曼散射探測(cè) 其化學(xué)組成，從而確定其存在和空間位置。
[0006] 具體來講，本發(fā)明提出一種通過拉曼散射來探測(cè)飛行器的方法，包含以下步驟：大 功率激光器或者激光器陣列對(duì)某空域發(fā)射激光，探測(cè)系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)的區(qū)域進(jìn)行常規(guī)時(shí)間分辨 探測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)回波信號(hào)中有強(qiáng)烈的二氧化碳和水汽的拉曼散射信號(hào)，則激光雷達(dá)系統(tǒng)加 大掃描速度，確定待測(cè)對(duì)象的特點(diǎn)和移動(dòng)速度，判別是高速飛行目標(biāo)還是常規(guī)空中目標(biāo)，一 旦確定后即啟動(dòng)跟蹤程序?？罩懈蓴_目標(biāo)主要有云霧，其拉曼散射信號(hào)以水汽為主，無高濃 度二氧化碳峰；某些特定排放口附近會(huì)存在局部的強(qiáng)二氧化碳拉曼散射峰，但是其移動(dòng)速 度太慢，容易識(shí)別。下表給出了大氣的主要組成物質(zhì)的相對(duì)含量及對(duì)應(yīng)的散射截面。散射 截面反應(yīng)了激光雷達(dá)獲得的正常大氣拉曼峰的相對(duì)強(qiáng)度；以氮?dú)夂脱鯕庾鳛閰⒖?，如果?氧化碳和水汽之一的相對(duì)散射強(qiáng)度增加了一倍，即可列為可疑信號(hào)；如果兩者相對(duì)強(qiáng)度都 超過了正常值的5倍以上，則可以確定測(cè)到了排放源；進(jìn)一步，通過速度判斷，可以確定是 固定排放源還是運(yùn)動(dòng)源，速度在一定范圍（如0.3倍音速）以上的運(yùn)動(dòng)源可以確定為飛行 器，從而通知作戰(zhàn)部隊(duì)準(zhǔn)備應(yīng)對(duì)。本發(fā)明最適合作為常規(guī)雷達(dá)的輔助探測(cè)手段。
[0007]
[0008] 表一大氣拉曼散射的相對(duì)截面
[0009] 根據(jù)原理和探測(cè)方法，本發(fā)明所述激光雷達(dá)系統(tǒng)包括以下組成部分：激光器，激光 發(fā)射裝置，信號(hào)收集裝置，光譜分析、成像裝置，掃描器，控制系統(tǒng)。其中激光發(fā)射部分包括 激光器、光束變換系統(tǒng)，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，掃描器，信號(hào)收集部分包括收集望遠(yuǎn)鏡、掃描器，光譜 分析包含光譜儀、濾波器、CCD/ICCD等，控制系統(tǒng)包括激光雷達(dá)系統(tǒng)各組成部分的時(shí)序控 制，掃描器的角度控制，信號(hào)處理，結(jié)果顯示等。詳細(xì)布局根據(jù)情況而定，請(qǐng)參見具體實(shí)施方 法。
[0010] 激光發(fā)射裝置俯仰角主要是水平或者接近水平方向。飛行目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)和大 氣參數(shù)剖面探測(cè)激光雷達(dá)的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別是：前者的目的是預(yù)警，后者目的是為了本地探 測(cè)。因此兩者的光路有一個(gè)顯著的不同：目標(biāo)探測(cè)激光雷達(dá)的激光發(fā)射方向主要是水平方 向，略有俯仰角，而后者一般是垂直方向發(fā)射。這是因?yàn)?，地球是圓的，激光沿著直線傳播， 所以水平傳播的激光束經(jīng)過一定的距離后會(huì)自然離開地表，到達(dá)平流層，而飛行器，尤其是 隱身飛行器，正常飛行的高度就在平流層。比如，取地球半徑平均值6371公里，可求出激光 束嚴(yán)格水平傳播大約356公里即可離開地表10公里。實(shí)際工作中，激光雷達(dá)可以安裝在山 頂或者預(yù)警機(jī)上，根據(jù)實(shí)際需要，通過微調(diào)俯仰角，傳播距離可以更長(zhǎng)或者更短。
[0011] 激光發(fā)射裝置的出射端和信號(hào)收集裝置要實(shí)現(xiàn)掃描的同步。信號(hào)收集裝置接受背 向散射信號(hào)。以水平方向0°，掃描器俯仰角可以從-10°到+90°的掃描，常規(guī)工作角度 為-10°到30°，方位角掃描為360°。所有角度掃描精度要達(dá)到0.5mrad，這樣保證掃描 步長(zhǎng)和激光發(fā)散角一致，不會(huì)出現(xiàn)掃描盲區(qū)。
[0012] 所使用激光為脈沖激光，如Nd :YAG脈沖激光的1064nm、532nm、355nm波長(zhǎng)，釹玻璃 激光器，大功率光纖激光器或者激光器組等，便于進(jìn)行距離分辨。同時(shí)所使用光譜分析與成 像裝置可使用各種分光儀器，如拉曼光譜儀，其探測(cè)器也要具備時(shí)間分辨能力，如ICCD，帶 門控的光電倍增管等。脈沖二氧化碳激光器雖然也是普通大氣激光雷達(dá)的一個(gè)合適的栗浦 源，但是不太適合對(duì)拉曼信號(hào)的激發(fā)，因此本發(fā)明不采用。
[0013] 發(fā)射系統(tǒng)、信號(hào)收集系統(tǒng)可采用各種望遠(yuǎn)鏡，詳見實(shí)施例。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中用于拉曼散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖.
[0015] 圖2 1064nm單路激光雷達(dá)系統(tǒng)
[0016] 圖3陣列型激光雷達(dá)系統(tǒng)