美国雷达之美国激光雷达的发展（二）

化学/生物战剂探测激光雷达 化学/生物武器是一种大规模毁伤武器。面对不断扩散的化学/生物武器的威胁，许多国家正在采取措施，加强对这类武器的防御。美国国防部认为，需要能在战场上使用的、快速响应的、灵敏的监视系统，以尽快提供化学/生物威胁的报警。这种系统不同于防空和反潜警戒系统，必须具有搜索、探测、识别、定量化、监测和诊断等功能。激光雷达可用于化学/生物战剂的遥测。每种化学战剂仅吸收特定波长的激光，对其他波长的激光是透明的。被化学战剂污染的表面则反射不同波长的激光。化学战剂的这种特性，就允许利用激光雷达探测和识别之。激光雷达可以利用差分吸收、差分散射、弹性后向散射、感应荧光等原理，实现化学生物战剂的探测。化学/生物战剂探测激光雷达采用的激光器，主要是CO2激光器和Nd:YAG激光器。 在CO2激光雷达方面，1988年法国和美国合作发展Mirela化学战剂激光探测系统，研制出过渡性硬件，在法国进行了试验，为进一步发展提供了数据。1994年美国国防部在考察了激光雷达在战场上探测化学战剂的作用后，为法国研制了以距离分辨双CO2激光器为基础的差分吸收激光雷达系统，并进行了野外试验。该系统利用可编程伺服马达驱动的扫描器完成半球扫描，采用高速直接探测接收机，可在1～2km的距离内探测化学蒸气羽烟，测绘羽烟的移动和扩散，获得了大约20m的距离分辨率。 与此同时，美国还研制、试验了采用频率捷变CO2激光器和先进探测算法的激光雷达系统。按照“激光防区外化学探测器”研究计划，陆军埃奇伍德研究、工程和发展中心与休斯飞机公司合作研制出可调谐封离频率捷变CO2激光器。该激光器脉冲重复频率为200Hz，占空因数为40%，输入功率不到1kW，可在包括9P44谱线在内的所有谱线上提供100mJ以上的能量。采用该激光器研制的两台激光雷达系统，采用25.4cm的孔径，以地形测绘模式工作，探测距离达10km。其中一台供与法国合作研究使用，另一台用于与空军菲利浦实验室、洛斯·阿拉莫斯国家实验室的机载激光雷达的合作研究。此后，又按照三军联合化学警戒和识别激光雷达计划，研制供固定设施和舰载应用的、可大面积侦察的激光雷达系统。该系统是使用差分吸收和差分散射激光雷达模式的距离分辨激光雷达，可扫描大气和地面，探测化学蒸气以及空中的液体和颗粒，使用脉冲重复频率100Hz、1J级的激光器和61cm的光学系统，以半球扫描模式，可在5～7km距离实现距离分辨。使用较高的脉冲能量和较大的光学系统时，作用距离可达20km。目前正制造和试验实验室型装置，开发不变背景识别算法和大面积侦察用的变背景算法。 美国空军进行了机载远距离化学战剂探测研究，目标是发展作用距离50km以上的、以CO2激光器为基础的差分吸收激光雷达。第一阶段采用简单的直接探测法。发射接收机包括工作在9～11μm波段、输出能量4J、重复频率30Hz的波长捷变CO2激光器，35cm孔径望远镜，光学稳定平台，以及碲镉汞光伏探测器。发射接收机安装在具有红外发射窗口的KC-135飞机上，进行了一系列飞行试验，作用距离为20～50km。1997年开始的第二阶段，发展采用相干探测原理的激光雷达。该雷达采用同样的发射机，但增添了波长捷变本机振荡器，并用宽带探测器代替碲镉汞探测器。按照计划，应在1997年底开始飞行实验。 美国能源部的“通过激光询问扩散物的化学分析”计划，最初的目标是探测核武器扩散，但随后扩展到包括探测化学和生物战剂，发展以激光为基础的遥测化学扩散物并确定其特性的系统。按照这项计划洛斯·阿拉莫斯国家实验室负责差分吸收激光雷达的开发，评估了高重频、低能脉冲激光稳定激光光斑的能力，进行了利用光谱遥感数据识别气体混合物化学成分的化学度量分析。 德国Hungrian公司研制了VTB-1型遥测化学战剂传感器。该传感器使用两台可在9～11(m间大约40个频率上调节的连续波CO2激光器，利用差分吸收原理进行工作。 在Nd:YAG激光雷达方面，美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室按照远距离防区外生物战剂探测系统计划，建造了3个系统，以迅速形成临时性的生物战剂探测能力。该系统通过测量弹性后向散射，提供生物战剂气溶胶云的浓度、距离信息，并跟踪之。远距离防区外生物战剂探测系统，采用脉冲能量420mJ、脉冲重复频率20Hz的Nd:YAG激光器和具有48.3cm抛物面主镜和8.13cm副镜的卡塞格伦望远镜，用硅雪崩光电二极管探测回波能量，并在机上完成信号处理。整个系统重590kg，体积3m3，安装在UH-60直升机上。直升机垂直于风向飞行，激光雷达垂直扫描，可探测并跟踪最远达30 km的模拟线源生物气溶胶云。将来，远距离防区外生物战剂探测系统要安装在“环球隼”无人机这样的高空平台上，并利用新发展的转移电子增强光电二极管技术提高探测能力。 按照短距离防区外生物探测系统计划，Fibertek公司制造了利用感应荧光测量原理的激光雷达系统。该激光雷达采用两台紫外激光器和一台红外激光器，能在310～445nm范围内探测，作用距离达3km。美国陆军化学和生物防御司令部已在野外进行了试验，以探讨性能和人体安全问题。为了支持这项计划，SRI国际公司制造了专用高分辨率分光计。该分光计采用能量为1～10mJ/脉冲、脉宽为3～8ns、束散小于1mrad、在220～345nm波长范围连续可调的紫外激励激光源，将双光栅Czerny-Turner单色仪和光电倍增管相结合，探测荧光，测量激光导致的气溶胶化生物战剂的荧光横截面。 按照国防部高级研究计划局的研究合同，EOO公司正在研制紧凑的红外/紫外混合激光雷达系统。该系统利用二极管泵浦Nd:YAG激光器产生的1.064μm激光，进行弹性后向散射测量，探测生物战剂气溶胶云的位置、形状、大小，并利用多普勒探测边缘滤波技术确定风向和风速；通过将1.064μm红外激光4倍频成0.266μm的紫外激光，进行生物战剂气溶胶云感应荧光的探测。最终的目标是研制出战术无人机载激光雷达系统样机。预计样机重量34kg，体积0.0425m3，功率需求小于500W。目前设计的实验室型系统，打算测量气溶胶浓度的距离为5km，以1m/s的分辨率测量风场的距离为2km，测量荧光的距离为1km以上。该实验室型系统进行地面性能评估后，将再建造一个可供机载使用的实验室型装置，安装在“空中女王”飞机上测量布撒的气溶胶。该机载系统是足够结实和灵活的，在需要时可进一步最佳化。 EOO公司还在按照国防部高级研究计划局的小型商业创新研究合同，研制高空化学-生物战剂探测系统。该系统是高空飞机携带的多功能成套传感器，将Nd:YAG激光雷达、10μm外差可调谐差分吸收激光雷达和频率调制-差分吸收激光雷达光谱仪的功能组合在一起，探测和识别浓度极低的短暂发射，用于监视化学-生物战威胁。频率调制-差分吸收激光雷达使用频率调制激光发射机和灵敏的射频探测技术。射频探测技术是将射频边带置于激光脉冲上，当欲探测的化学战剂产生边带的差分吸收时，造成以射频频率振幅调制激光脉冲，然后利用标准信号处理技术探测这个振幅调制，从而探测和分离出化学战剂的吸收谱线。实验已证明，实验室系统在进行点化学战剂探测时，能够以量子噪声极限运转。 7 水下探测激光雷达 激光雷达具有足够的空间分辨率，来分辨目标的尺寸和形状，因而是有效的探测水下目标并进行分类的工具。1988年美国“罗伯茨”号护卫舰在阿拉伯湾几乎被廉价的水雷击沉。此后Kaman 宇航公司研制了“魔灯”水雷探测激光雷达。该激光雷达使用蓝-绿激光器、灵敏的电子选通像增强摄像机和精确脉冲定时发生器。机载激光器向海面发射激光脉冲，扫描水雷。同时，脉冲定时发生器控制摄像机快门，仅接收特定深度反射的激光能量。在这个深度的目标反射激光而被显现。影像通过数据链路传送给舰船。“魔灯”激光雷达可以在海面以上120～460m高度工作，名义工作高度460m，但低空飞行时分辨率和信噪比较高，而视场有限。探测深度最初定为12～61m的浅水区，但根据初步作战评估和不断的研究，调整为包括3～12m的极浅水区和深度不足3m的冲浪区。“魔灯”激光雷达不仅可以自动探测水中目标，而且可以实施目标分类和定位。1988年的样机试验表明，该系统可以迅速探测锚雷，并定位。 海湾战争期间，美国军舰“特里波利”号和“普林斯顿”号被水雷毁伤，使人们将注意力集中到采用新技术的水雷对抗手段上。部署到该地区的“魔灯”水雷探测激光雷达初样机成功地发现了水雷和水雷锚链。1996年美国海军将第一个“魔灯”系统部署到海军航空兵HSL-94预备役中队。目前，该中队有三套“魔灯”系统供SH-2G“超海妖”直升机使用。“魔灯”激光雷达仍属于应急性系统，美国海军计划最终用机载激光水雷探测系统取代之。机载水雷探测系统将在2005年前后开始研制，最终安装在H-60直升机上。 ATD-111激光雷达是美国海军的另一种水雷搜索激光雷达。该雷达由桑德斯公司研制，是吊舱载系统，能安装在SH-60“海鹰”直升机上。 瑞典国防研究局、国家海洋局、海军和国防器材局共同开展了激光海洋测绘研究，首先研制了“手电筒”机载激光雷达，继而进一步研制了“鹰眼”激光雷达。萨伯动力学公司（Saab Dynamics）作为主承包商，研制了两台“鹰眼”激光雷达。试验表明，激光雷达是一种快速、精确的测深设备，可以满足国际水文办公室对海洋深度测量的精度要求。 8 空间监视激光雷达 美国空军在毛伊岛空间监视站利用激光雷达的精密跟踪和高分辨率成像能力，进行远距离探测、跟踪和成像，核查轨道上的卫星。安装在毛伊岛的高性能CO2激光雷达监视传感器系统（也称为“野外激光雷达演示”系统），是一台高功率、宽带、相干激光雷达。该激光雷达是按照一项分4个阶段的计划研制的。第一阶段建造了实验室硬件，在毛伊岛组装了综合激光雷达系统，使用紧凑的脉冲相干CO2振荡器、外差接收器、信号记录器与0.6m激光束定向器耦合，演示了卫星捕获、照明、回波信号探测和信号记录。然后，通过脱机处理，从回波信号中提取距离和距离速率数据，实现了距离-振幅成像。随后的第二阶段，研制了改进的振荡器、接收器、处理器和光束定向器，并将其组合成最终的系统，使系统能力达到在30Hz时输出能量12J。第三阶段在发射机上增加了功率放大器（最后一个主要的部件），使系统能力达到30Hz时激光输出能量为30J。在第四阶段，提供高精度位置和速度跟踪，并打算最终测量非美国的航天器的尺寸、形状和取向。按照计划，这台激光雷达将能进行高精度位置和速度跟踪，并提供尺寸、形状和方位信息。 美国陆军空间和导弹防御司令部也于1997年开始一项称为“战场激光雷达技术转移演示”的探索性计划，并成功地试验了在最远1000km的距离探测卫星、巡航导弹和化学武器。由Textron公司制造的激光雷达发射几种波长接近11μm、11.15μm的激光脉冲，根据激光往返时间确定目标距离，用多普勒频移确定目标速度，并可以利用获得的信息确定目标的尺寸和形状，获得目标的多普勒影像，以识别之。在毛伊岛空间监视站的试验期间，该激光雷达不仅探测到距离达24km的直升机，而且确定了直升机旋翼桨叶的个数和长度、旋翼的间距和转速。 9 其他军用激光雷达 ● 弹道导弹防御激光雷达 七八十年代，美国曾考虑将激光雷达用于洲际弹道导弹防御，测量重入飞行器的距离和速度。由于要求目标识别距离在1000km以上，因而造成系统非常庞大、复杂和昂贵。到90年代，美国认为战区弹道导弹成为主要的威胁，防御这些导弹需要早期探测和跟踪，以便确定发射点、命中点和可能的拦截点。为此，波音防御和空间集团公司考察了将机载激光雷达用于战区弹道导弹防御。研究表明，激光雷达与被动红外系统相结合时，利用连续的红外方位和俯仰测量结果与激光雷达的精确距离测量数据，可以使目标弹道估算迅速收敛，使弹道估算误差成数量级 .. T[~8u9/  
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