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レーザーレーダー

2021-09-23

Lidar（Laser Radar）は、ターゲットの位置と速度を検出するためにレーザービームを放射するレーダーシステムです。その動作原理は、ターゲットに検出信号（レーザービーム）を送信し、ターゲットから反射された受信信号（ターゲットエコー）を送信信号と比較することです。適切な処理を行うと、ターゲットに関する関連情報を取得できます。航空機、ミサイル、およびその他のターゲットを検出、追跡、および識別するための、ターゲット距離、方位角、高度、速度、姿勢、さらには形状およびその他のパラメーターなど。レーザー送信機、光受信機、ターンテーブル、情報処理システムで構成されています。レーザーは電気パルスを光パルスに変換して放出します。次に、光受信機は、ターゲットから反射された光パルスを電気パルスに復元し、それらをディスプレイに送信します。
LiDARは、レーザー、全地球測位システム、慣性航法システムの3つのテクノロジーを統合したシステムであり、データの取得と正確なDEMの生成に使用されます。これら3つの技術を組み合わせることで、対象物に当たるレーザービームのスポットを高精度に特定することができます。さらに、地上の数値標高モデルを取得するためのますます成熟する地形LiDARシステムと、水中DEMを取得するための成熟した水文LIDARシステムに分けられます。これら2つのシステムに共通する特徴は、検出と測定にレーザーを使用することです。これは、LiDARという単語の元の英語訳でもあります。つまり、Light Detection And Ranging、略してLiDARです。
レーザー自体は非常に正確な測距能力を備えており、測距精度は数センチメートルに達する可能性があります。 LIDARシステムの精度は、レーザー自体に加えて、レーザー、GPS、慣性計測装置（IMU）の同期などの内部要因にも依存します。。商用GPSとIMUの開発により、LIDARを介してモバイルプラットフォーム（飛行機など）から高精度のデータを取得することが可能になり、広く使用されるようになりました。
LIDARシステムには、シングルビーム狭帯域レーザーと受信システムが含まれています。レーザーは光パルスを生成して放出し、物体に当たって反射し、最終的に受信機で受信されます。受信機は、発光から反射までの光パルスの伝播時間を正確に測定します。光パルスは光速で移動するため、受信機は常に次のパルスの前に反射パルスを受信します。光の速度がわかっているとすると、移動時間は距離の測定値に変換できます。レーザーの高さ、レーザーの走査角度、GPSから得られたレーザーの位置、INSから得られたレーザー放射の方向を組み合わせることで、各地上スポットの座標X、Y、Zを正確に計算できます。レーザービームの放出頻度は、1秒あたり数パルスから1秒あたり数万パルスの範囲です。たとえば、毎秒10,000パルスの周波数のシステムでは、受信機は1分間に600,000ポイントを記録します。一般的に、LIDARシステムのグラウンドスポット間隔は2〜4mの範囲です。 [3]
LIDARの動作原理は、レーダーの動作原理と非常によく似ています。レーザーを信号源として使用すると、レーザーによって放出されたパルスレーザーが地上の樹木、道路、橋、建物に当たり、散乱を引き起こし、光波の一部がライダーの受信に反射されます。デバイスでは、レーザー測距の原理に従って、レーザーレーダーからターゲットポイントまでの距離が取得されます。パルスレーザーは、ターゲットオブジェクトを継続的にスキャンして、ターゲットオブジェクト上のすべてのターゲットポイントのデータを取得します。このデータで画像処理した後、正確な3次元画像を得ることができます。
LIDARの最も基本的な動作原理は、無線レーダーの動作原理と同じです。つまり、信号がレーダー送信システムによって送信され、ターゲットによって反射されて受信システムによって収集され、ターゲットの距離が決定されます。反射光の実行時間を測定することによって。ターゲットの視線速度は、反射光のドップラー周波数シフトで求めるか、2つ以上の距離を測定して変化率を計算して速度を求めることができます。これは、直接検出レーダーの基本原理でもあります。動作原理
Lidarの利点
通常のマイクロ波レーダーと比較すると、レーザービームを使用しているため、ライダーの動作周波数はマイクロ波よりもはるかに高く、主に次のような多くの利点があります。
（1）高解像度
Lidarは、非常に高い角度、距離、速度の解像度を得ることができます。通常、角度分解能は0.1mard以上です。つまり、3kmの距離で0.3m離れた2つのターゲットを区別でき（これはどのような場合でもマイクロ波レーダーでは不可能です）、同時に複数のターゲットを追跡できます。範囲の解像度は最大0.lmです。速度分解能は10m / s以内に達することができます。距離と速度の高解像度は、距離ドップラーイメージング技術を使用してターゲットの鮮明な画像を取得できることを意味します。高解像度はLIDARの最も重要な利点であり、そのアプリケーションのほとんどはこれに基づいています。
（2）優れた隠蔽性と強力なアンチアクティブ干渉能力
レーザーは直線的に伝播し、指向性が高く、ビームは非常に狭いです。伝播パスでのみ受信できます。したがって、敵が迎撃することは非常に困難です。レーザーレーダーの打ち上げシステム（送信望遠鏡）は口径が小さく、受信可能範囲が狭いため、意図的に打ち上げています。レーザー妨害信号が受信機に入る確率は非常に低いです。また、自然界に広く存在する電磁波の影響を受けやすいマイクロ波レーダーとは異なり、レーザーレーダーと干渉する信号源が少ないため、レーザーレーダーはアンチアクティブです。干渉能力は非常に強く、ますます複雑で激しい情報戦争環境での作業に適しています。
（3）低高度検出性能が良好
マイクロ波レーダーでは、さまざまな地上物体のエコーの影響により、低高度で特定のブラインドエリア（検出不能エリア）があります。 LIDARの場合、照らされたターゲットのみが反射し、地面の物体のエコーの影響がないため、「ゼロ高度」で動作でき、低高度の検出性能はマイクロ波レーダーよりもはるかに強力です。
（4）小型軽量
一般に、通常のマイクロ波レーダーの体積は膨大で、システム全体の質量はトン単位で記録され、光アンテナの直径は数メートルから数十メートルに達することもあります。 LIDARははるかに軽く、より器用です。打ち上げ望遠鏡の直径は一般にセンチメートルレベルであり、システム全体の質量はわずか数十キログラムです。セットアップと分解は簡単です。また、LIDARの構造は比較的シンプルで、メンテナンスも便利で、操作も簡単で、価格も安いです。
LIDARのデメリット
まず、天候や雰囲気の影響を大きく受けます。一般的に、晴天時のレーザーの減衰は小さく、伝搬距離は比較的長くなります。大雨、濃い煙、霧などの悪天候では、減衰が急激に増加し、伝播距離に大きな影響を与えます。たとえば、動作波長が10.6μmのco2レーザーは、すべてのレーザーの中で大気透過性能が優れており、悪天候時の減衰は晴れた日の6倍です。地上または低高度で使用されるCO2LIDARの範囲は、晴れた日には10〜20 kmですが、悪天候時には1km未満に減少します。さらに、大気循環によってレーザービームが歪んだり揺れたりするため、ライダーの測定精度に直接影響します。
第二に、ライダーのビームが非常に狭いため、宇宙でターゲットを検索することは非常に困難です。これは、非協力的なターゲットの傍受の確率と検出効率に直接影響します。狭い範囲のターゲットのみを検索してキャプチャできます。したがって、LIDARは独立性が低く、直接的ではありません。戦場でターゲットの検出と検索に使用されます。

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