用于飞行器探测的拉曼散射激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本申请涉及一种空中目标探测激光雷达，特别是利用拉曼散射探测空中飞行器的 激光雷达。
【背景技术】
[0002] 探测飞行器是设计雷达的初衷。过去，对于各种飞机、火箭、导弹等飞行器的探测 主要依赖无线电雷达，如毫米波和微波雷达。这些雷达的优点很明显，功率大，穿透力强，不 受云雾影响，因此探测距离远。然而，随着电磁对抗技术的发展和新材料的研制，无线电雷 达越来越受到各种限制，比如主动雷达站很容易暴露自己从而成为被优先攻击的目标，强 电磁干扰可能使得雷达屏幕一片雪花噪声而失效。更严重的是，美国等西方国家研制的隐 形飞机，如B-2轰炸机，F-35战斗机等，已经将雷达散射截面降到常规飞机的~1 %，红外信 号降低到常规飞机的~10%，这对我国的雷达系统将是一个严重的挑战。
[0003] 本发明用于飞行器探测的拉曼散射激光雷达，将对现有的雷达系统提供一种补充 手段，从原理上突破现有隐形飞机的隐身机制。关于拉曼散射用于大气探测，已经有很多工 作被报导，如CN200910237425对于大气温度的探测，CN200710018406关于大气环境探测系 统的多功能化设计，CN201310057961对于气溶胶的测量，CN201210322203关于云雾中水汽 的测量等等。但是将拉曼散射激光雷达用于大气目标如飞行器的探测还没有报导。
【发明内容】
[0004] 本发明从原理上创新，提出一种利用拉曼散射探测飞行器方法。常规的雷达在探 测目标时，利用的都是目标自身直接的回波信号。红外探测器可以通过对目标温度与背景 的温度差感知目标的存在。针对这些情况，现在的飞行器的隐身方法，主要是利用两点： 1.减小雷达散射截面，比如设计特殊的形状减小背向回波信号，在机身涂覆吸收材料，吸收 从微波到光波的电磁波；2.减小尾流的红外信号，比如对尾流进行预先降温，把喷气管隐 藏在机背上，对发动机喷管隔热等等。然而这些隐身技术也有自身的缺点。
[0005] 众所周知，喷气式飞行器飞行时发动机将会产生尾流，除非发动机不工作，那么飞 行器也就失去了动力。飞行器尾流的特点，除了高温，还有高压、高速的特点，化学组成也与 大气相差极大，主要成分是高浓度的二氧化碳和水汽，以及一部分燃烧颗粒物。只要确定了 尾流的存在，就能发现飞行器的轨迹，从而进行跟踪、导引甚至击毁目标。本发明就是要探 测这种高温、高压、高速的尾流。我们可以通过尾流中强烈的湍流和颗粒物的拉曼散射探测 其化学组成，从而确定其存在和空间位置。
[0006] 具体来讲，本发明提出一种通过拉曼散射来探测飞行器的方法，包含以下步骤：大 功率激光器或者激光器阵列对某空域发射激光，探测系统对相应的区域进行常规时间分辨 探测，如果发现回波信号中有强烈的二氧化碳和水汽的拉曼散射信号，则激光雷达系统加 大扫描速度，确定待测对象的特点和移动速度，判别是高速飞行目标还是常规空中目标，一 旦确定后即启动跟踪程序。空中干扰目标主要有云雾，其拉曼散射信号以水汽为主，无高浓 度二氧化碳峰；某些特定排放口附近会存在局部的强二氧化碳拉曼散射峰，但是其移动速 度太慢，容易识别。下表给出了大气的主要组成物质的相对含量及对应的散射截面。散射 截面反应了激光雷达获得的正常大气拉曼峰的相对强度；以氮气和氧气作为参考，如果二 氧化碳和水汽之一的相对散射强度增加了一倍，即可列为可疑信号；如果两者相对强度都 超过了正常值的5倍以上，则可以确定测到了排放源；进一步，通过速度判断，可以确定是 固定排放源还是运动源，速度在一定范围（如0.3倍音速）以上的运动源可以确定为飞行 器，从而通知作战部队准备应对。本发明最适合作为常规雷达的辅助探测手段。
[0007]
[0008] 表一大气拉曼散射的相对截面
[0009] 根据原理和探测方法，本发明所述激光雷达系统包括以下组成部分：激光器，激光 发射装置，信号收集装置，光谱分析、成像装置，扫描器，控制系统。其中激光发射部分包括 激光器、光束变换系统，发射望远镜，扫描器，信号收集部分包括收集望远镜、扫描器，光谱 分析包含光谱仪、滤波器、CCD/ICCD等，控制系统包括激光雷达系统各组成部分的时序控 制，扫描器的角度控制，信号处理，结果显示等。详细布局根据情况而定，请参见具体实施方 法。
[0010] 激光发射装置俯仰角主要是水平或者接近水平方向。飞行目标探测激光雷达和大 气参数剖面探测激光雷达的一个本质区别是：前者的目的是预警，后者目的是为了本地探 测。因此两者的光路有一个显著的不同：目标探测激光雷达的激光发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发射。这是因为，地球是圆的，激光沿着直线传播， 所以水平传播的激光束经过一定的距离后会自然离开地表，到达平流层，而飞行器，尤其是 隐身飞行器，正常飞行的高度就在平流层。比如，取地球半径平均值6371公里，可求出激光 束严格水平传播大约356公里即可离开地表10公里。实际工作中，激光雷达可以安装在山 顶或者预警机上，根据实际需要，通过微调俯仰角，传播距离可以更长或者更短。
[0011] 激光发射装置的出射端和信号收集装置要实现扫描的同步。信号收集装置接受背 向散射信号。以水平方向0°，扫描器俯仰角可以从-10°到+90°的扫描，常规工作角度 为-10°到30°，方位角扫描为360°。所有角度扫描精度要达到0.5mrad，这样保证扫描 步长和激光发散角一致，不会出现扫描盲区。
[0012] 所使用激光为脉冲激光，如Nd :YAG脉冲激光的1064nm、532nm、355nm波长，钕玻璃 激光器，大功率光纤激光器或者激光器组等，便于进行距离分辨。同时所使用光谱分析与成 像装置可使用各种分光仪器，如拉曼光谱仪，其探测器也要具备时间分辨能力，如ICCD，带 门控的光电倍增管等。脉冲二氧化碳激光器虽然也是普通大气激光雷达的一个合适的栗浦 源，但是不太适合对拉曼信号的激发，因此本发明不采用。
[0013] 发射系统、信号收集系统可采用各种望远镜，详见实施例。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明实施例中用于拉曼散射激光雷达系统的结构示意图.
[0015] 图2 1064nm单路激光雷达系统
[0016] 图3阵列型激光雷达系统