1 引 言
激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。早在1961年科学家就提出了激光雷达的设想，并开展了大量的研究工作。40多年来，激光雷达技术从最简单的激光测距技术开始，逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光扫描成像、激光多普勒成像等技术，在此基础上，西方大国陆续开发出不同用途的激光雷达，使激光雷达成为一类具有多种功能的武器。
激光雷达之所以受到关注，是因为其具有一系列独特的优点：角分辨率和距离分辨率极高，速度分辨率高，测速范围广，能获得目标的多种图像，抗干扰能力强，比微波雷达的体积和质量小等。由于激光雷达的种种优点，它的发展也受到了美国军事部门的极大关注。目前，美军已研制出用于火控、侦察、导航等多种功能的激光雷达。但是，激光雷达的技术难度很高，至今尚未成熟，而且在恶劣天气时性能下降，使其应用受到一定的限制。
1.1 激光雷达的分类及工作原理
1．1.1 激光雷达的分类
激光雷达可以按照所用探测技术、工作体制或雷达功能来分类。根据探测技术的不同，激光雷达可以分为直接探测型和相干探测型两种。而按照不同功能，则可分为跟踪雷达、运动目标指示雷达、流速测量雷达、风剪切探测雷达、目标识别雷达、成像雷达及振动传感雷达等。若按工作体制划分，则有单脉冲、连续波、调频脉冲压缩、调频连续波、调幅连续波、脉冲多普勒等体制的激光雷达。
1．1.2 激光雷达的工作原理
激光雷达与无线电雷达的工作原理基本相同，且依赖于所采用的探测技术。其中直接探测型激光雷达的基本结构与激光测距仪颇为相近。工作时，由发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量激光信号往返传播的时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，则可以由反射光的多普勒频移来确定，也可以测量两个或多个距离，并计算其变化率来求得速度。
相干探测型激光雷达又有单稳与双稳之分，在所谓单稳系统中，发送与接收信号共用一个光学孔径，并由发送一接收开关隔离。而双稳系统则包括两个光学
孔径，分别供发送与接收信号使用，发送一接收开关自然不再需要，其余部分与单稳系统相同。
2 美军激光雷达的应用
2．1 激光雷达反隐身探测系统和电子对抗系统
对于隐身目标，微波雷达的工作方式是在金属物体上产生电磁场，而脉冲激光雷达能在不可渗透的物体上产生红外图像。但一般频率的激光大都易被二氧化碳、氧气和水吸收，难以在极远距离上聚焦，所以要想把红外探测系统用于反隐身，就必须提高其作用距离以及在恶劣环境下的使用效能。美国在弹道导弹防御计划中成功使用了相干多普勒激光雷达，用于飞机尾流的探测和成像，但是飞机尾流很小，可能使得探测距离较短而无战术用途。
激光雷达的带宽也比典型的毫米波雷达的窄2∼3个量级，因而可以大大提高系统的角分辨能力，并使其在光电对抗与反对抗方面具有极其诱人的应用前景。美军在这一方面也极为重视。在现代化战争中，敌对双方都越来越注重高技术的较量和光电设备的抗衡。为了降低对方电子设备的效能，人为地辐射或转发某种频率的电磁波，干扰敌人光电仪器的正常工作；或者反过来，故意发送一些己方过去曾经使用、但现在已经废弃不用的频率诱使对方忙于干扰，从而掩护真正使用的频率正常工作。由于不同设备的工作频率有时相当接近，需要窄带辐射才能收到较好的干扰与反干扰效果。激光雷达是目前所能获得的带宽最窄的辐射装置。
2．2 激光雷达制导技术
美国陆军和空军已经开展了多项激光雷达制导技术的研究工作。按照美国国防部的“武器自动目标识别”科技目标，美国陆军正在试验将红外成像传感器自动目标识别用的图形识别算法用于激光雷达，目标是验证将快速响应和低虚警相结合的自动目标识别技术。该技术将允许发展以有限搜索、发射前锁定和发射后锁定模式工作的武器。有效的自动目标识别能力可以给士兵提供直接攻击、发射后不管的武器。这种武器能在发射后捕获目标，锁定丢失后能自动再捕获目标，识别友军，并为弹头选择最佳瞄准点。
按照低成本自主攻击系统计划，美国空军赖特实验室研制了激光雷达寻的器。激光雷达寻的器可以为空地武器提供自主精确制导手段。随着成本的降低，激光雷达寻的器还将用于近程消耗性弹药。激光雷达寻的器能以100Hz的速率精确、自主地扫描，扫描宽度750m。一旦捕获到目标，扫描宽度就减小到100m，并开始攻击。该激光雷达寻的器的目标识别算法具有先进的特征提取功能，可以区分炮管、雷达盘型天线、战区弹道导弹等。在1997年的系留飞行试验中，该寻的器成功识别出飞毛腿导弹型的目标。为了解决激光雷达寻的器作用距离有限和缺少全天候能力的问题，赖特实验室又按照二极管激光器和探测器阵列发展计划，研制采用高功率二极管泵浦固体激光器和末脉冲探测技术的成像激光雷达。该激光雷达在静态试验中作用距离为10km，在系留飞行试验中作用距离为5km。
美国空军研究实验室弹药处参与了适用于空空和空面弹药的激光雷达寻的器技术的研究和发展工作。目前正研究能得到距离和强度影像的高速二维探测器阵列。要求这些阵列的帧速大于30Hz，增益调制速率在兆赫量级。研究工作集中在电子轰击CCD(EBCCD)技术上。
使用激光雷达制导的唯一在役导弹是通用动力公司的AGM―129A先进巡航导弹。这种隐身巡航导弹在大部分飞行期间依靠惯性中段制导，但末段使用激光雷达。
2．3 激光雷达侦察技术
激光雷达分辨率高，可以采集三维数据，如方位角一俯仰角一距离、距离一速度一强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布图像、距离选通图像、速度图像等，有潜力成为重要的侦察手段。
美国雷锡恩公司研制的ILRl00激光雷达，安装在高性能飞机和无人机上，在待侦察地区的上空以120m∼460m的高度飞行，用GaAs激光进行行扫描，获得的影像可实时显示在飞机上的阴极射线管显示器上，或通过数据链路发送至地面站。
由于现有手持摄影装置不能满足现代战场的要求，美国海军陆战队需要一种新型手持成像设备，不仅能提供及时处理的影像，而且能提供定量信息。根据海军陆战队的要求，桑迪亚国家实验室和Bums公司分别提出了手持激光雷达的设计方案。一种是无扫描器的系统，使用闪光灯泵浦Q开关Nd:YAG激光器、数字CCD摄像机和调制图像增强器。另一种是扫描型系统，采用二极管泵浦固体激光器、32元雪崩光电二极管、光纤中继系统和二元光学扫描器。据称两种方案都能满足要求。按照设计，这种先进的探测设备能由一名海军陆战队队员携带，质量在2.3kg∼3.2kg之间，系统能自聚焦，能在低光照条件下工作，视场为15 × 15mrad，分辨率0.15mrad，用距离1km，距离分辨率15m，拍摄时间1/3s。
2.4 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。美国国防部面对不断扩散的化学/生物武器的威胁，指出建立一套能在战场上使用的、快速响应的、灵敏的具有搜索、探测、识别、定量化、监测和诊断等功能的监视系统是必须的，只有这样才能尽快提供化学/生物威胁的报警。由于化学战剂仅吸收特定波长的激光，对其它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。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。
传统的探测方法，主要由士兵携带探测装置，边走边测，速度慢、功效低，并易中毒。据报道，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20km∼50km。
1997年美军又开始了第二阶段的研究，采用相干探测原理的激光雷达，并在同年底进行了飞行试验。
1998年，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。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310nm∼445nm范围内探测，作用距离达3km。。
2．5 弹道导弹防御激光雷达
20世纪90年代，随着弹道导弹技术的飞速发展，美军认为战区弹道导弹已成为其主要的威胁，但是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下降。
3 美军激光雷达的发展趋势
3．1 低成本、高距离分辨率激光雷达的研究
最初，军用激光雷达的研究集中于C02激光器。C02激光雷达虽能探测远距离目标，但对陆军应用来说，太大、太贵、也太不可靠。因而目前的研究工作大多集中于采用二极管泵浦激光器的激光雷达。这种激光雷达作用距离可在1km以上，但成本高，
也不能满足要求。因此低成本、高距离分辨率激光雷达将是美国陆军下一阶段的研究重点。
3．2 激光雷达寻的器和其它导引头的复合制导
激光雷达寻的器搜索范围较大，能形成目标的三维影像，分辨率高，确保准确地识别目标。但是激光雷达寻的器易受天气条件的影响，不能适应全气象条件作战，所以美军正在积极研究激光雷达寻的器和其它导引头的复合制导，激光雷达与红外、电视等光电设备相结合，组成地面、舰载和机载的火控系统，对目标进行搜索、识别、跟踪和测量。（来源：飞航导弹）
