1、清华大学2012届毕业论文1 绪论1.1 本课题研究意义激光主动探式测技术为空间目标监视和探测的重要手段，除了能够克服光电被动探测以及单站探测的缺点，还可同时对目标进行激光对抗。其涉及的首要问题是：对非合作目标来说，如何能可靠、准确地探测到激光经目标散射后产生的微弱激光信号。因为对非合作目标能接受的激光信号为目标对激光的漫反射，其强度很低；此外，探测激光经大气的远程传输到达目标上,再由目标反射后经大气传输返回到接收器。在激光大气传输过程中，激光与大气相互作用将产生各种线性、非线性效应，导致激光强度发生严重衰减、光束发散和飘移，致使接收器的微弱激光信号探测成为远距离激光主动探测的难点问题。更为重

2、要的是，激光主动探测的回波信号受目标的不同特性影响，其主要包括目标的直径、距离、辐射角度、表面反射率等因素，而目标的这些特性又受到目标颜色、大小、材质、表面粗糙程度等性质的影响。除目标本身外，大气的成分以及激光束的发射仰角等也是影响主动探测中激光回波功率的重要因素。因此，准确的找到目标反射特性与主动探测激光的回波信号强度之间的关系，是研究激光主动探测技术的关键，对激光雷达系统参数的设置具有重要的参考意义。1.2 国内外发展现状 1.2.1 激光测距光电测距仪是用光波作为载波的测距仪器。光电测距是研究比较早的一种物理测距方法，但实际应用到大地测量则是在1948年以后。早期的光电测距仪大都采用白炽

3、灯、高压汞灯等作为光源，并且由于受当时电子元件的限制，致使仪器较重，操作和计算都较复杂，且多在夜间观测，因而在工程测量中很少应用1。六十年代初期，出现了激光技术，这对光电测距仪的发展起了极大的推动作用。由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等特点，因此特别适合作为光电测距仪的光源。由于激光的亮度高、方向性强，因而可加大仪器测程，并克服了仪器只能在夜间作业的局限性，同时也有利于缩小光学系统的口径，从而减小仪器的体积和重量；由于激光的单色性好，受大气条件变化的影响较小，使得在不同的外界条件下同样可以得到较高的测距精度2。现在国内市场上的测距仪主要有两种，一种是采用发光二极管作为光源的测距仪，如江苏

4、常州大地测量厂生产的D3000系列测距仪，其测程最大可达；一种是采用半导体激光器作为光源的测距仪，如瑞士Leica公司的Lite5、Classic5等，测程在200m内，测量精度可达±3mm3。但市场上还没有一种采用半导体激光器作光源的测距仪，不但测程长，还可对动态目标进行实时测量，本文正是基于这个目的，以激光雷达原理为基础对此进行了研究。1.2.2 激光雷达激光作为20世纪最重要的科学技术成果之一，它的出现具有特别的意义。用激光器作为辐射源的雷达叫做激光雷达，激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二

5、氧化碳激光器、半导体激光器及波长可调节谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元他侧器件等4。在众多雷达技术参数和性能指标中,雷达的工作频率是与很多参数相关的。激光有着突出优点，其频率特性好，即激光的谱线宽度很小。例如长10cm的稳频氦氖激光器的中心频率为×Hz（）,线宽15m，任选一个大于15m的值作为，设=20m。将以上参数分别代入各激光回波功率的公式得：(a) 根据公式(2.20)得Lambertian球的激光回波功率为：×(b) 根据公式(2.21)得2均匀漫反射体的激光回波功率为：×(c) 根据公式（）得4均匀漫反射体的激光回波功率为： ×(d) 根据

31、公式（）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为：×将以上结果在MATLAB中编程并仿真得到图3.2:图3.2 扩展目标反射率与激光回波功率的关系图中当目标反射率相同时，扩展目标的激光回波功率从大到小依次是固定立体角均匀分布反射体、Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体。影响目标反射率的因素有目标的颜色、形状、材质、和表面粗糙程度等，此外，目标反射率还会因激光器采用的波段、颜色的不同而改变。从图可以看出，对于扩展目标，目标反射率同样与激光回波功率成正相关。因此，对于任何目标，目标的反射率与激光回波功率成正比。目标反射率受到目标颜色、形状、材质、表面粗糙程

32、度等性质的影响。如：在其他性质相同的情况下，浅色目标要比深色目标的反射率高，相应激光回波功率也大；金属材质目标比有机材质目标反射率高，相应激光回波功率也大；表面粗糙程度低的目标比表面粗糙程度高的目标的反射率高，相应的激光回波功率也大25。3.2 目标直径要找目标直径与激光回波功率的关系，即把目标直径作为单一自变量，其余各参数均视为定量。将目标特性的其余参数定为：，r=30km. 在一定立体角内均匀分布反射体中，将辐射立体角设为。3.2.1 对于点目标根据以上推导，在r=30km处区分点目标和扩展目标的临界值为15，即点目标为直径D15m的目标。将以上参数分别代入各激光回波功率的公式得：(a) 根据公式(2.20)得Lambertian球的激光回波功率为：×(b) 根据公式(2.21)得2均匀分布漫反射体的激光回波功率为：×(c) 根据公式（）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： ×(d) 根据公式（）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为：×将以上结果在MATLAB中编程并仿真得到图图3.4 扩展目标直径与激光回波功率的关系从图可以看出，对于扩展目标，激光回波功率是一定值，不随目标直径的改变而改变。这是因为当目标成为

35、扩展目标时，激光束的光斑只能照射在目标上的某一快区域，超过激光束光斑面积的那部分目标无法反射出激光回波，这样，对于扩展目标其直径与激光回波功率的函数曲线就成为水平直线。图中回波功率从大到小依次是固定立体角均匀分布反射体、Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体。比较图和图，可以看出，扩展目标的四种模型的激光回波功率均大于点目标的四种模型的激光回波功率，这也在一定程度上反映了目标直径和激光回波功率正比的关系。通过图和图得出：目标直径对激光回波功率的影响与目标类型有关，对于点目标，目标直径和激光回波功率成正比关系；对于扩展目标，目标直径和激光回波功率无关，激光回波功率为一定

36、值。3.3 目标距离要找目标距离与激光回波功率的关系，即把目标距离作为单一自变量，其余各参数均视为定量。将目标特性的其余参数定为：=0.2，D=1m 。在一定立体角内均匀分布反射体中，将辐射立体角设为。根据点目标和扩展目标的定义，很容易发现如果目标直径已选定，则目标距离就是决定目标是点目标还是扩展目标的唯一参数。由于以上各参数的研究都采用的目标距离是100km，而100km也是激光主动探测技术中比较常用的探测范围，因此要建立尽可能覆盖0-100km范围内的目标距离和激光回波功率的关系，需分别选取目标直径使得目标在0-100km内始终是点目标或始终是扩展目标。3.3.1 对于点目标设接收光学口径

37、，激光发散角，为保证0-100km内目标是绝对的点目标，目标直径的设置不能超过光学口径，因此对于点目标本文设目标直径等于光学口径，即。将这些参数分别代入各激光回波公式得到如下：(a) 根据公式(2.8)得Lambertian球的激光回波功率为：= =(b) 根据公式(2.11)得2均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =(c) 根据公式（）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =(d) 根据公式（）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： =将以上结果在MATLAB中编程并仿真得到图：图3.5 点目标距离与激光回波功率的关系从图可以看出，对于点目标，目标的直径与激光回波功率成正相关。图中

38、回波功率从大到小依次是固定立体角均匀分布反射体、Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体。3.3.2 对于扩展目标根据以上参数，先计算出目标在100km处是点目标或扩展目标直径的临界值。在目标处激光束的截面面积为，令目标面积等于激光束截面积得：=将r=100km，代入上式得：=50m为点目标和扩展目标的临界值，即点目标为：50m。因此研究扩展目标距离与激光回波功率的关系中，为保证目标在0-100km内为扩展目标，需设目标直径大于等于50m，这里设目标直径=50m。将以上参数分别代入各激光回波功率的公式得：(a) 根据公式(2.20)得

39、Lambertian球的激光回波功率为： = (b) 根据公式(2.21)得2均匀分布漫反射体的激光回波功率为： = (c) 根据公式（）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： = (d) 根据公式（）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： = 将以上结果在MATLAB中编程并仿真得到图：图3.6 扩展目标距离与激光回波功率的关系从图可以看出，对于点目标，目标的直径与激光回波功率成正相关图中回波功率从大到小依次是固定立体角均匀分布反射体、Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体。从点目标和扩展目标的公式中可以看出，点目标的激光回波功率与点目标距离的四次方成反比，

40、扩展目标的激光回波功率与扩展目标的距离的二次方成反比。因此，随目标距离的增加，激光回波功率变化的速度很快，对于点目标，从图看到目标距离从10km到100km其激光回波功率的变化跨度达四个数量级。而对于扩展目标，从图看出目标距离从10km到100km，其激光回波功率变化的跨度达到八个数量级，明显比节中目标反射率对激光回波功率的影响大。3.4 目标到接收器的大气传输系数因为目标所处的位置不同，其大气的传输系数也不同，所以本文将目标到接收器的大气传输系数也视为目标的特性。要建立目标距离与激光回波功率的关系，需把目标距离作为单一自变量，其余各参数均视为定量。将目标特性的其余参数定为：，D=1m ，r=

41、30km。在一定立体角内均匀分布反射体中，将辐射立体角设为。3.4.1 对于点目标将参数分别代入各激光回波公式得到如下：(a) 根据公式(2.8)得Lambertian球的激光回波功率为：= =(b) 根据公式(2.11)得2均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =(c) 根据公式（）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =(d) 根据公式（）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： =将以上结果在MATLAB中编程并仿真得到图：图3.7 点目标到接收机大气传输系数与激光回波功率的关系从图可以看出，对于点目标，目标到接收机的大气传输系数与激光回波功率成正相关，图中在目标到接收机大气传输系

42、数相同时，目标的激光回波功率从大到小依次是固定立体角均匀分布反射体、Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体。3.4.2 对于扩展目标将以上参数分别代入各激光回波功率的公式得：(a) 根据公式(2.20)得Lambertian球的激光回波功率为： = (b) 根据公式(2.21)得2均匀分布漫反射体的激光回波功率为： = (c) 根据公式（）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： = (d) 根据公式（）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： = 将以上结果在MATLAB中编程并仿真得到图图3.8 扩展目标到接收机大气传输系数与激光回波功率的关系从图可以看出，对

43、于扩展目标，目标到接收机的大气传输系数与激光回波功率同样成正相关，图中在目标到接收机大气传输系数相同时，目标的激光回波功率从大到小依次是固定立体角均匀分布反射体、Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体。因此可以得出对于任何目标，目标到接收机的大气传输系数与激光回波功率成正比。用图、图和图、图做比较，可以看出目标到接收机大气传输系数和目标反射率两个参数对激光回波功率具有相同的影响，即激光回波功率都与它们的一次方成正比。与其它目标特性参数一样，在以目标到接收机大气传输系数为变量的激光作用方程中Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体三种目标模型的激

44、光回波功率同样依次成二倍的关系，而一定立体角内均匀分布反射体的激光回波则和选取的辐射发散角有关。3.5 目标辐射夹角对目标辐射夹角对激光回波功率的影响的研究，只适用于目标可看作是一定立体角内均匀分布的反射体的情况。要找目标辐射夹角与激光回波功率的关系，即把目标辐射夹角作为单一自变量，其余各参数均视为定量。将目标特性的其余参数定为：，D=1m，r=30km ，目标辐射夹角作为自变量的变化范围选取0-。3.5.1 对于点目标将以上参数代入公式（）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： 将以上结果在MATLAB中编程并仿真得到图：图3.9 点目标辐射夹角与激光回波功率的关系从图看出，激光回波

45、功率随目标辐射夹角增大而递减，从公式中可以看出，激光回波功率与目标辐射夹角正弦的二次方成反比。3.5.2 对于扩展目标将以上参数代入公式（）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为：在MATLAB中编程并仿真得到图：图3.10 扩展目标辐射夹角与激光回波功率的关系图中的曲线和图中的曲线相同，只是扩展目标的激光回波功率是点目标的激光回波功率的一个整数倍。从公式中可以看出，激光回波功率与目标辐射夹角正弦的二次方成反比，而在角度很小的情况下以弧度制表示的角度的正弦值可以近似视为角度值，因此，在辐射夹角比较小的情况下，激光回波功率与目标辐射夹角的二次方成反比，此时目标辐射夹角对激光回波功率的影响程

46、度与目标直径大致相同，只是后者是与激光回波功率成正相关，而目标辐射夹角与激光回波成负相关。随着目标辐射角度的增大，其对激光回波功率的影响程度逐渐降低。3.6 本章小结本章主要对目标特性参数对激光回波功率的影响进行了定量的分析并在MATLAB中进行了仿真。分别对目标直径、目标反射率、目标到接收机的大气传输系数、目标到接收机距离、目标辐射夹角五个目标特性参数进行单一变量分析，得出以下结论：目标直径、目标到接收机的大气传输系数、目标反射率与激光回波功率成正相关；目标到探测器的距离、目标的辐射夹角与激光回波功率成负相关。4 总结4.1 论文研究意义激光主动探式测技术涉及的一个关键问题是：准确掌握目标特

47、性与激光回波信号强度之间的关系，并建立激光探测方程。各激光探测方程的联系与区别，与所采用的不同的目标反射模型有关。本文从激光探测目标的基本方程，推导出了激光对各种目标模型的探测方程，并通过比较各方程，得出目标的各种特性参数对激光回波功率的影响，并将各探测方程在中仿真，这样就直观的看到了单个目标特性参数对激光回波功率的影响，这对激光雷达探测系统中参数的设置有重要的参考价值。4.2 论文的工作内容本文研究的基本问题是目标特性与激光回波功率的关系，本文从激光作用目标的基本方程，推导出了激光对各种目标的作用方程，通过比较各方程得出目标的各种特性参数对激光回波功率的影响。本文研究的目标特性参数有：目标直

48、径、目标距接收系统距离、目标反射率、目标到接收系统大气传输系数、目标辐射立体角。本文将目标按激光束在目标上照射的比例分为点目标和扩展目标，点目标和扩展目标又均分为Lambertian球、2均匀分布漫反射体、4均匀分布漫反射体、一定立体角内均匀分布反射体四类目标模型。在每一类目标的激光作用方程中都包含有目标直径、目标距接收系统距离、目标反射率、目标到接收系统大气传输系数、目标辐射立体角五个目标特性参数，分别设这五个特性参数为变量，将其余参数设为定值，在中仿真得到单个目标特性参数与激光回波功率的关系曲线。4.3 论文的研究成果根据激光雷达作用方程，激光回波功率可以看成是发射因子、目标特性因子、和接

49、收因子三项的乘积形式。其中目标特性因子包含的参数有：目标的激光雷达截面积、目标到探测器的距离、目标到接收机的大气传输系数、目标的反射率、目标的辐射夹角。本文主要研究讨论了目标特性因子中各参数对激光回波功率的影响，主要有以下研究结论：(a) 本文根据激光雷达作用目标的基本方程，推导出了在点目标和扩展目标情况下的各种目标模型的激光雷达作用方程的特殊形式。包括Lambertian球、2均匀分布漫反射体、4均匀分布漫反射体、一定立体角内均匀分布反射体四类目标模型的激光雷达作用方程。其中Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体三中目标模型的激光回波功率依次成二倍的关系。(b) 在

50、目标特性因子中，目标直径、目标到接收机的大气传输系数、目标反射率与激光回波功率成正相关；目标到探测器的距离、目标的辐射夹角与激光回波功率成负相关。(c) 就对激光回波功率影响的程度而言，目标到接收机的距离对激光回波功率影响最大。其次是目标直径，而目标反射率和目标到接收机大气传输系数对激光回波功率的影响程度是相同的。其中，点目标的激光回波功率与点目标到接收机的距离的四次方成反比，扩展目标的激光回波功率与扩展目标到接收机的距离的二次方成反比；目标的激光回波功率与目标直径的二次方成正比；目标的激光回波功率与目标反射率、目标到接收机大气传输系数的一次方线性正相关。对于目标辐射夹角，目标的激光回波功率与其正弦值的二