目标反射特性与激光回波信号强度关系研究

1、清华大学2012届毕业论文 第 页Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.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

2、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 国内外外发展现现状 1.2.11 激激

3、光测距距光电测距仪仪是用光光波作为为载波的的测距仪仪器。光光电测距距是研究究比较早早的一种种物理测测距方法法，但实实际应用用到大地地测量则则是在119488年以后后。早期期的光电电测距仪仪大都采采用白炽炽灯、高高压汞灯灯等作为为光源，并并且由于于受当时时电子元元件的限限制，致致使仪器器较重，操操作和计计算都较较复杂，且且多在夜夜间观测测，因而而在工程程测量中中很少应应用11。六十年代初初期，出出现了激激光技术术，这对对光电测测距仪的的发展起起了极大大的推动动作用。由由于激光光具有方方向性强强、亮度度高、单单色性好好等特点点，因此此特别适适合作为为光电测测距仪的的光源。由由于激光光的亮度度高、方

4、方向性强强，因而而可加大大仪器测测程，并并克服了了仪器只只能在夜夜间作业业的局限限性，同同时也有有利于缩缩小光学学系统的的口径，从从而减小小仪器的的体积和和重量；由于激激光的单单色性好好，受大大气条件件变化的的影响较较小，使使得在不不同的外外界条件件下同样样可以得得到较高高的测距距精度2。现在国内市市场上的的测距仪仪主要有有两种，一一种是采采用发光光二极管管作为光光源的测测距仪，如如江苏常常州大地地测量厂厂生产的的D30000系系列测距距仪，其其测程最最大可达达4.55Km；一种是是采用半半导体激激光器作作为光源源的测距距仪，如如瑞士LLeicca公司司的Liite55、Cllasssic55

5、等，测测程在2200mm内，测测量精度度可达3mmm3。但市市场上还还没有一一种采用用半导体体激光器器作光源源的测距距仪，不不但测程程长，还还可对动动态目标标进行实实时测量量，本文文正是基基于这个个目的，以以激光雷雷达原理理为基础础对此进进行了研研究。1.2.22 激激光雷达达激光作为220世纪纪最重要要的科学学技术成成果之一一，它的的出现具具有特别别的意义义。用激激光器作作为辐射射源的雷雷达叫做做激光雷雷达，激激光雷达达是激光光技术和和雷达技技术相结结合的产产物，由由发射机机、天线线、接收收机、跟跟踪架及及信息处处理等部部分组成成。发射射机是各各种形式式的激光光器，如如二氧化化碳激光光器、半

6、半导体激激光器及及波长可可调节谐谐的固体体激光器器等；天天线是光光学望远远镜；接接收机采采用各种种形式的的光电探探测器，如如电倍增增管、半半导体光光电二极极管、雪雪崩光电电二极管管、红外外和可见见光多元元他侧器器件等4。在在众多雷雷达技术术参数和和性能指指标中,雷达的的工作频频率是与与很多参参数相关关的。激激光有着着突出优优点，其其频率特特性好，即即激光的的谱线宽宽度很小小。例如如长100cm的的稳频氦氦氖激光光器的中中心频率率为4.74Hz（=6322.8nnm）,线宽Hz,而普通通的氦辉辉光管发发出红光光，其线线宽为FF=1.5Hz，可可见激光光的单色色性好，因因此在短短时间内内激光在在雷

7、达探探测领域域已有广广泛的应应用5。激光雷达按按工作方方式可分分为直接接（非相相干）探探测方式式和相干干（外差差）探测测方式。如如图1.1所示示，非相相干探测测系统由由连续半半导体激激光器，发发射天线线、接收收天线，光光电探测测器，接接收放大大电路，信信号处理理与判定定5个部部分组成成。在发发射端通通过对光光载波的的强度进进行直接接调制而而获得调调制光信信号，在在接收端端利用光光探测器器直接将将光信号号转变成成电信号号，探测测器的光光电流正正比与接接收光功功率6。图1.1 非相相干检测测系统原原理图相干检测系系统原理理图如图图1.22所示：图1.2 相干干检测系系统原理理图在相干检测测系统中中

8、，信号号可以通通过调幅幅，调频频或调相相的方式式调制到到光载波波上，当当信号光光传输到到接收端端时，首首先与一一本振光光信号进进行相干干混合，然然后由探探测器探探测，这这样光电电流与信信号光场场和本振振光场的的乘积成成正比，从从而大大大提高接接收灵敏敏度。但但其优点点的获得得是以其其系统的的复杂性性为代价价的，它它要求严严格的空空间和时时间相干干条件，其其光学系系统和电电路系统统的要求求都比直直接检测测系统要要复杂和和严格得得多，并并且性能能也没有有直接检检测系统统稳定7。因此此激光雷雷达多采采用直接接探测系系统。在雷达技术术领域中中常用的的波段名名称为:UHFF波段（00.3.1GHHz），

9、LL波段(1.22GHzz)，SS波段(2-44GHzz)，CC波段(4-88GHzz)，XX波段(8-112.55GHzz),KKu波段段(122.188GHzz)，KK波段(18-26.5GHHz)，另另外超视视距雷达达工作频频率为22-5MMHz。普普通雷达达采用的的的是微微波,随随着雷达达技术电电子技术术的提高高,雷达达频率范范围已从从高频(几MHHz)扩扩展到紫紫外频段段,但在在实际应应用中，根根据雷达达的性能能要求和和实现条条件，大大多数雷雷达工作作在115GGHz的的微波频频率范围围内8。但是是,高于于15GGHz频频率时空空气中水水分子吸吸收严重重，高于于30GGHz频频率时，

10、在在一些区区域氧分分子和水水分子吸吸收急剧剧增大。随随着频率率的提高高，天线线加工困困难，接接收机内内外噪声声增大，增增加发射射机功率率也出现现困难。而激光雷达由于以激光器为辐射源，其频率较微波高几个数量级，频率的量变使雷达技术产生了质的革命。与普通雷达相比激光雷达的优点是：1.方向性好，波束窄，测角精度高。2.采取专门的脉冲压缩技术，可把脉冲宽度压缩到几十纳秒（毫微秒）甚至皮秒（微微秒）量级，峰值功率可达几百兆瓦，从而大大提高测距精度，其测量精度可达几米甚至零点几米9。3.激光雷达不受地面杂波干扰，没有多路径效应，故能在低仰角下工作。4. 极短的波长使得天线和系统尺寸可以做的很小，在功能相同

11、的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。激光雷达的主要缺点是受大气的光传输效应影响（包括光速、折射率的变化和散射现象）会使其测量精度降低，因而不能全天候工作，遇浓雾、雨、雪天气无法工作；由于波束窄，在大空域中捕获目标困难，须借助引导才能进入自跟踪10。激光雷达在在测量精精度、分分辨率、抗抗干扰性性和某些些特定参参数测量量能力方方面都是是普通雷雷达所无无法比拟拟的，因因而理所所当然的的引起人人们的极极大重视视，并获获得了迅迅速的发发展。激激光雷达达采用脉脉冲或连连续波两两种工作作方式，探探测方法法分直接接探测与与外差探探测111。激激光雷达达的特性性、工作作原理及及其应用用，可用用于探测测空中水水中

12、和地地面目标标、导弹弹跟踪测测量、卫卫星跟踪踪测量、制制导、火火控、大大地测量量、地震震预报、测测污气象象、遥测测化学试试剂、检检测风速速、提高高战争中中人的安安全性等等12。光电技术的的应用,虽然提提高了武武器系统统的测量量精度、打打击效力力和隐蔽蔽性,但但其本身身存在着着弱点。那那就是几几乎所有有的光电电系统都都是通过过一定口口径的光光学系统统,将目目标反射射回来的的光信号号汇聚到到一个高高灵敏度度的光电电传感器器上,或或是将目目标成像像到位于于焦点的的CCDD传感器器上,这这些传感感器又与与一高放放大倍数数的电路路连接组组成一信信息系统统。光电电传感器器在接收收光学信信号的同同时,会会将

13、部分分入射光光信号按按原路反反射。由由于该部部分反射射能量较较为集中中,其功功率密度度远大于于漫反射射目标,在一定定距离上上根据二二者的能能量差异异足以区区别出目目标和背背景13。1.2.33 激激光主动动成像技技术根据有无照照明光源源，成像像系统可可以分为为主动成成像和被被动成像像系统两两种。被被动成像像最大的的特点就就是本身身不带光光源，依依赖于环环境或目目标的发发光，并并最终成成像。主主动成像像是指采采用一个个人造光光学辐射射源(一一般为激激光器)和接收收器，其其接收器器用于收收集和探探测目标标景物直直接或反反射后的的部分光光辐射，具具有成像像清晰、对对比度高高，不受受环境光光源的影影响

14、等优优点14。被动动成像系系统敏感感的是自自然辐射射光、反反射的日日光或月月光，容容易受到到环境光光源的影影响。监视、搜索索、捕获获、跟踪踪等光电电成像探探测系统统，向来来以“被动”成像探探测为主主要特点点，依赖赖于自然然辐射光光、反射射的日光光或月光光，进行行成像，无无须施加加光源对对目标进进行照射射。正因因为以被被动方式式工作，所所以具有有极好的的隐蔽性性，故不不易被对对方察觉觉或识别别155。然然而，这这类被动动成像系系统在漆漆黑的夜夜晚、空空气中含含有大量量的烟、尘尘等微粒粒、雾、雨雨、雪等等能见度度低的恶恶劣天气气条件下下，即使使最灵敏敏的微光光电视系系统也不不能提供供足够的的分辨率

15、率和对比比度，很很难探测测识别目目标116。其他他被动成成像系统统(例如如热成像像系统或或FLIIR系统统)探测测中远红红外辐射射，主要要是靠场场景温度度和辐射射率的变变化来提提供图像像。红外外辐射受受气溶胶胶散射影影响小，因因此FLLIR系系统能够够在低能能见度条条件下提提供分辨辨率相对对高的图图像。但但是这类类系统在在温差变变化很小小甚至没没有温度度变化时时，就不不能正常常工作。再者，随着着武器系系统的发发展，在在高技术术战争中中，战术术弹、子子母弹或或常规兵兵器中，其其目标尺尺寸越来来越小。这这些不发发光目标标反射的的太阳能能量较小小，再加加上距离离相对较较远，光光电测量量设备接接收到反

16、反射目标标能量就就更少，难难以成像像。在自自然光照照明被动动成像测测量条件件下，由由于各种种背景辐辐射的影影响，限限制了成成像系统统对远距距离目标标成像测测量和精精确跟踪踪能力。在在强散射射介质中中成像、水水下成像像、远程程小暗目目标探测测、深空空目标成成像等领领域，被被动成像像系统受受到严重重的挑战战，有些些问题无无法解决决。主要要原因是是返回信信号的能能量很弱弱，或者者背景干干扰非常常严重，有有用的信信号被干干扰光、背背景光所所淹没，很很难探测测到目标标177。要要想克服服以上问问题，主主要办法法是考虑虑增加返返回信号号的能量量，减小小背景干干扰。增增加辅助助照明系系统是提提高返回回信号能

17、能量的有有效手段段。采用用一个人人造光学学辐射源源(一般般为激光光器)对对目标进进行照射射，收集集和探测测目标景景物直接接或反射射后的部部分光辐辐射，就就可以解解决被动动成像系系统的缺缺点，能能够获得得目标的的高清晰晰度图像像，在能能见度低低的恶劣劣天气条条件下，实实现远距距离探测测的目的的18。激光具有高高亮度、高高方向性性、高单单色性等等特点使使其成为为一种理理想的光光源。激激光照明明就是利利用激光光的高亮亮度、高高方向性性和高单单色性等等特点，对对远距离离小暗目目标或其其局部进进行照射射，以增增加返回回信号的的能量，采采用距离离选通技技术减小小后向散散射等背背景辐射射的影响响，就可可以克

18、服服被动成成像系统统和红外外成像系系统的缺缺点，获获得远即即离小暗暗目标的的高分辨辨率图像像，从而而实现对对远距离离小暗目目标的探探测119。采用脉冲激激光器、选选通CIICD摄摄像机和和延迟同同步控制制电路等等构成的的激光距距离选通通成像系系统能够够在黑暗暗状态下下或温度度对比度度低的条条件下获获得目标标的高分分辨率图图像。激激光主动动成像技技术不仅仅可以获获得目标标的图像像信息，而而且可以以获得目目标的距距离信息息，因而而越来越越引起人人们的重重视。激光主动成成像探测测可直观观获取丰丰富的目目标外形形或基本本结构，抑抑制背景景干扰，识识别目标标及目标标的要害害部位，激激光主动动成像技技术越

19、来来越引起起人们的的重视。国国外从第第一台激激光器诞诞生不久久，就开开始了激激光主动动照明技技术和主主动成像像技术的的研究。国国外己经经研制出出多种激激光主动动成像系系统，有有的已经经成为美美国、加加拿大、瑞瑞典等许许多国家家的制式式装备，有有的己经经成功地地应用于于实际的的工程当当中，并并且发挥挥了巨大大的作用用，取得得了很好好的效果果。下面面主要介介绍国外外几种有有代表性性的激光光主动成成像系统统。1.2.44 激激光在表表面微观观轮廓测测量的应应用在表面微观观轮廓精精度的测测量中，传传统的方方法是接接触式测测量技术术，人们们最早评评定表面面微观轮轮廓精度度是采用用标准样样件或样样块，通通

20、过肉眼眼观察或或用手触触摸的方方法，对对表面粗粗糙度做做出定性性的综合合评定。这这种方法法现在已已发展成成为比较较法。比比较法适适合于车车间条件件下判断断较粗糙糙的表面面，其判判断准确确程度在在很大程程度上与与检验人人员的技技术熟练练程度有有关。随着现代加加工技术术的迅速速发展，传传统的检检测手段段已越来来越不能能胜任现现代化的的生产要要求，而而具有众众多优点点的现代代光电检检测技术术，适应应现代生生产的要要求，以以其巨大大的生命命力而迅迅速发展展。光电电技术、激激光技术术和计算算机技术术的发展展与广泛泛应用，为为表面微微观轮廓廓精度的的检测提提供了新新的手段段。目前前，国内内外己经经提出几几

21、种非接接触光电电检测的的方法用用于表面面粗糙度度的测量量，其测测量原理理都有所所不同，但但相互之之间交错错联系。概概括来说说，表面面微观轮轮廓精度度的非接接触测量量分为四四大类技技术:一一类基于于光学干干涉原理理的测量量技术; 一类是是基于散散射原理理的测量量技术，还还有光触触针式轮轮廓测量量技术和和能提供供表面图图像或层层析图的的纳米测测量技术术200。1.2.55 激激光信号号检测方方法目前常用的的微弱信信号检测测方法为为二元相相关检测测技术，它它是从信信号的相相关性和和噪声的的随机性性出发，通通过相关关处理器器件，检检测出微微弱有用用激光信信号。考考虑到激激光主动动探侧系系统一般般采用跟

22、跟踪测量量方式，其其精确的的目标位位置数据据是由四四象限探探测器完完成的。有有人研究究利用四四象限探探测器对对微弱激激光回波波信号进进行相关关处理的的可行性性，以期期望能大大幅改善善激光主主动探测测系统的的信噪比比，从而而提高激激光主动动探测系系统对非非合作目目标的探探侧能力力。在回回波信号号消噪方方面，国国内外学学者也做做了各种种信号消消噪和提提高信噪噪比的研研究，其其中有一一种处理理方法叫叫小波消消噪法值值得我们们学习21。在分分析激光光主动探探测中回回波信号号的噪声声特性和和小波变变换去噪噪原理的的基础上上,提出出了一种种基于最最大信噪噪比准则则的小波波阈值去去噪方法法。首先先用最大大信

23、噪比比准则对对小波变变换系数数进行阈阈值选取取,然后后采用软软阈值方方法对小小波系数数进行量量化处理理后再重重构。仿仿真结果果表明最最大信噪噪比准则则小波去去噪方法法改善信信噪比效效果十分分显著,检测下下限达到到-166.2 dB。证证明了该该方法在在激光主主动探测测系统回回波信号号检测中中的有效效性。1.3 本论文文的主要要工作内内容本文研究的的基本问问题是目目标特性性与激光光回波功功率的关关系，本本文从激激光作用用目标的的基本方方程，推推导出激激光对各各种目标标的作用用方程，通通过比较较各方程程得出目目标的各各种特性性参数对对激光回回波功率率的影响响。本文文研究的的目标特特性参数数有：目目

24、标直径径、目标标距接收收系统距距离、目目标反射射率、目目标到接接收系统统大气传传输系数数、目标标辐射立立体角。本本文首先先将目标标按激光光束在目目标上照照射的比比例分为为点目标标和扩展展目标，点点目标和和扩展目目标又均均可分类类为Laambeertiian球球、2均均匀分布布漫反射射体、44均匀分分布漫反反射体、一一定立体体角内均均匀分布布反射体体四类目目标模型型。在每每一类目目标的激激光作用用方程中中都包含含有目标标直径、目目标距接接收系统统距离、目目标反射射率、目目标到接接收系统统大气传传输系数数、目标标辐射立立体角五五个目标标特性参参数，分分别设这这五个特特性参数数为变量量，将其其余参数

25、数设为定定值，在在MATTLABB7.00中仿真真就可以以直观的的看到单单个目标标特性参参数对激激光回波波功率的的影响。比比较以同同一个参参数为变变量的四四类目标标模型的的激光作作用方程程，就得得出此参参数在不不同类型型的目标标中对激激光回波波功率有有着不同同的作用用。2 激光光雷达作作用方程程2.1 基本原原理本文主要讨讨论的是是目标反反射体的的不同特特性，对对激光脉脉冲辐射射的回波波信号的的强度的的影响，进进一步找找出二者者的关系系。本文文的基本本原理是是，由激激光器对对被测目目标发射射激光脉脉冲，然然后由接接收机接接收目标标反射产产生的回回波信号号，通过过收发激激光脉冲冲信号的的功率强强

26、度来确确定目标标特性与与激光回回波信号号强度的的关系。2.1.11 激激光雷达达作用方方程的标标准形式式激光雷达的的一个基基本问题题是确定定到达接接收机孔孔径的光光总通量量，从而而确定入入射到探探测器的的总功率率。激光光雷达测测距方程程通常用用来确定定特定条条件下，激激光雷达达对所测测目标反反射回来来的激光光信号的的接收功功率22。激光雷达作作用距离离方程的的标准形形式为： （2.1）式中，Prr接收收信号功功率（ww）；m光源源调制度度；激光源源功率；K光束束截面函函数；发射机机光学效效率；接收机机光学效效率；目标的的激光雷雷达截面面积（）；目标反反射率；束宽（rrad）；发射机机到目标标的

27、距离离（m）；目标到到探测器器的距离离（m）；接收系系统直径径(m)；光源到到目标的的大气传传输系数数；目标到到接收器器的大气气传输系系数。激光雷达作作用方程程可以看看成是发发射因子子、目标标特性因因子、和和接收因因子三项项的乘积积形式。此式适用于于目标在在发射远远场及接接收机远远距离目目标的情情况，对对于收发发分置和和收发合合置都适适用。此此时，目目标要按按点建模模，也就就是目标标的角度度范围跟跟发射机机束宽和和探测器器的瞬时时视场相相比都非非常小。2.2 激光雷雷达作用用方程的的特殊形形式设发射激光光的功率率为，发发散角为为，发射射系统的的效率为为,则辐辐射强度度即单位位立体角角内的辐辐射

28、功率率： （2.2）其中，为目目标距发发射处距距离。接接收系统统透镜面面积这里里认为在在发散角角内辐射射强度是是均匀的的，若不不是均匀匀的，设设激光束束强度分分布函数数为K，则则上式可可写为 （22.3）对于不同特特性的目目标，可可以分为为点目标标和扩展展目标，点点目标和和扩展目目标又均均可分为为Lammberrtiaan球、22pi均均匀分布布漫反射射体、44pi均均匀分布布漫反射射体、一一定立体体角内均均匀分布布反射体体五种类类型的目目标23。其中，设目目标距发发射器的的距离为为，大气气透过率率为，目目标面积积为，接接收系统统透镜面面积为，距距目标为为，接收收系统通通过率为为，大气气透过率

29、率为。2.2.11 点点目标点目标即目目标面积积小于激激光束的的光斑面面积，即即则，目标接接收到光光功率为为： （22.4）设目标的漫漫反射系系数为，则则反射的的光功率率： （22.5）其中，点目目标又可可分以下下几种模模型来研研究。(a) 将将反射体体看成LLambberttiann球反射体的亮亮度为BB，则由由得： （22.6）若接收功率率为，则则： （22.7）将（2.33）式和和（2.5）式式代入（22.7）式式，得： = = = （22.8）其中，为目目标反射射体的直直径，为为接收系系统的直直径。(b) 把把目标看看成2立立体角内内均匀漫漫反射适用于反射射光在22立体角角内是均均匀分

30、布布的目标标反射体体，则反反射体的的辐射强强度即单单位立体体角内的的辐射功功率为： （2.9）接收系统接接收到辐辐射功率率为： （22.100）把（2.33），（22.4），（22.5），（22.9）带带入（22.100）得： （2.11）(c) 把把目标看看成4立立体角内内均匀漫漫反射适用于反射射光在44立体角角内是均均匀分布布的目标标反射体体，则反反射体的的辐射强强度即单单位立体体角内的的辐射功功率为： （2.12）接收系统接接收到辐辐射功率率为： （2.13）把（2.33），（22.4），（22.122）带入入（2.13）得得： （22.144）(d) 若若目标反反射光在在发散角角内均匀

31、匀分布球冠面积为为：则接收系统统接收的的回波功功率： （22.155）将（2.22），（22.4）代代入（22.155）得： （2.16）将 代入入（2.16）得得： （22.177）2.2.22 扩扩展目标标扩展目标是是面积大大于激光光束截面面积的目目标，即即由于目标面面积大于于激光光光斑面积积，所以以目标有有效反射射面积就就是光斑斑面积，即即： （2.18）将（2.22），（22.4），（22.188）代入入（2.5）得得目标的的反射光光功率： （2.19）(a) 目目标可以以看成LLambberttiann球按照前面点点目标的的的计算算方法，可可以得出出接收系系统接收收到的目目标的反反射

32、功率率： （22.200）(b) 目目标可以以看成22立体角角均匀漫漫反射体体目标的辐射射强度，即即单位立立体角内内辐射的的功率为为： 接收收系统接接收到的的目标的的反射功功率：= （22.211）(c) 目目标看成成4立体体角均匀匀漫反射射体目标的辐射射强度，即即单位立立体角内内辐射的的功率为为：接收系统接接收到的的目标的的反射功功率： （22.222）(d) 目目标反射射体在发发散角内内均匀分分布由公式（22.155）可得得出接收收系统接接收到的的目标的的反射功功率： （22.233）2.3 本章小小结在本章中，将将目标按按激光束束在目标标上照射射的比例例分为点点目标和和扩展目目标，点点目

33、标和和扩展目目标又分分类为LLambberttiann球、22均匀分分布漫反反射体、44均匀分分布漫反反射体、一一定立体体角内均均匀分布布反射体体四类目目标模型型。本章章从激光光作用目目标的基基本方程程，推导导出了激激光对各各种目标标的作用用方程，其其中包含含的目标标特性参参数有：目标直直径、目目标距接接收系统统距离、目目标反射射率、目目标到接接收系统统大气传传输系数数、目标标辐射发发散角。3 影响响激光回回波功率率的目标标特性从公式（22.8）、（22.111）、（22.144）、（22.177）、（22.200）、（22.211）、（22.222）和（22.233）可以以看出，影影响激光光

34、回波功功率的参参数有：激光器器的功率率，发射射系统光光学效率率，接收收系统光光学效率率，发射射系统大大气透过过率，接接收系统统大气透透过率，目目标反射射率，目目标直径径，接收收镜面直直径，发发射距离离，接收收距离，目目标反射射的发散散角。其其中，属属于目标标特性的的参数是是：目标标反射率率，目标标直径，发发射距离离，目标标反射的的发散角角，目标标到接收收机的大大气传输输系数。本本文将以以这五个个参数作作为目标标特性，来来研究目目标特性性与激光光回波信信号强度度的关系系。比较以上各各公式，可可见各个个不同文文献中的的公式只只是对目目标物体体的特性性假设不不同，而而且对于于同一目目标类型型（点目目

35、标或扩扩展目标标）对回回波功率率的影响响只是相相差一个个常数倍倍，没有有本质的的区别。由由于对于于一般的的主动探探测系统统有，以上上各式可可以进一一步简化化。其中T是大大气透过过率，大大气对激激光传输输的主要要影响有有吸收、散散射和湍湍流，此此外还有有色散和和折射等等。吸收收和散射射的总效效果使激激光传输输的能量量衰减，接接收信号号减弱。湍湍流会引引起激光光束的弯弯曲和离离散，使使辐照在在目标特特定点上上的强度度发生变变化，产产生闪烁烁和抖动动，影响响激光系系统的作作用距离离和精度度。色散散限制了了光学系系统的光光学带宽宽。本文文只考虑虑了大气气对激光光传输的的两种主主要影响响：吸收收和散射射

36、。单色色辐射在在大气中中的透射射率：式中为衰减减系数，LL为辐射射透过的的路程长长度。衰衰减系数数可表示示为：式中是散射射系数，是吸收系数，下标m和分别表示分子和气溶胶。计算中采用用的参数数如下：激光器器发射功功率Pee=20000kkw，接接收光学学口径，发发射光学学效率，接接收光学学效率，发发射激光光束函数数K=44，激光光发散角角。3.1 目标反反射率要找目标反反射率与与激光回回波功率率的关系系，即把把目标反反射率作作为单一一自变量量，其余余各参数数均视为为定量。将将其余参参数定为为：m，rr=300km.。在一一定立体体角内均均匀分布布反射体体中，将将辐射立立体角设设为224。从以上上

37、公式可可以得出出，目标标的反射射率与激激光回波波功率成成正相关关，即激激光回波波功率随随目标的的反射率率增大而而增大。3.1.11 对对于点目目标在目标处激激光束的的截面面面积为，令令目标面面积等于于激光束束截面积积得：=将r=300km, =0.5mrrad代代入上式式得：=15m为点目标和和扩展目目标的临临界值，即即点目标标为：115m。将以上参数数分别代代入各激激光回波波功率的的公式得得：(a) 根根据公式式(2.8)得得Lambberttiann球的激激光回波波功率为为：= =1.7688(b) 根根据公式式(2.11)得2均均匀分布布漫反射射体的激激光回波波功率为为： =8.84(c

38、) 根根据公式式（2.14）得得4均匀匀分布漫漫反射体体的激光光回波功功率为：=4.422(d) 根根据公式式（2.17）得得固定立立体角内内均匀分分布反射射体的激激光回波波功率为为： =1.33将以上四个个公式通通过编辑辑程序在在MATTLABB中仿真真，得到到图3.1：图3.1 点目标标反射率率与激光光回波功功率的关关系从图3.11可以看看出，对对于点目目标，目目标反射射率与激激光回波波功率成成正相关关，图中中在目标标反射率率相同时时，目标标的激光光回波功功率从大大到小依依次是固固定立体体角均匀匀分布反反射体、LLambberttiann球、22均匀分分布漫反反射体、和和4均匀匀分布漫漫反

39、射体体。从公公式中也也可以看看出，LLambberttiann球、22均匀分分布漫反反射体、和和4均匀匀分布漫漫反射体体三中目目标模型型的激光光回波功功率依次次成二倍倍的关系系，而一一定立体体角内均均匀分布布反射体体的激光光回波则则和选取取的辐射射发散角角有关。3.1.22 对对于扩展展目标扩展目标即即155m，任任选一个个大于115m的的值作为为，设=220m。将以上参数分别代入各激光回波功率的公式得：(a) 根根据公式式(2.20)得Lambberttiann球的激激光回波波功率为为： =4.97(b) 根根据公式式(2.21)得2均均匀漫反反射体的的激光回回波功率率为： =2.49(c)

40、 根根据公式式（2.22）得得4均匀匀漫反射射体的激激光回波波功率为为： =11.244(d) 根根据公式式（2.23）得得固定立立体角内内均匀分分布反射射体的激激光回波波功率为为： =1.4475将以上结果果在MAATLAAB中编编程并仿仿真得到到图3.2:图3.2 扩展目目标反射射率与激激光回波波功率的的关系图3.2中中当目标标反射率率相同时时，扩展展目标的的激光回回波功率率从大到到小依次次是固定定立体角角均匀分分布反射射体、LLambberttiann球、22均匀分分布漫反反射体、和和4均匀匀分布漫漫反射体体。影响响目标反反射率的的因素有有目标的的颜色、形形状、材材质、和和表面粗粗糙程度

41、度等，此此外，目目标反射射率还会会因激光光器采用用的波段段、颜色色的不同同而改变变。从图图3.22可以看看出，对对于扩展展目标，目目标反射射率同样样与激光光回波功功率成正正相关。因因此，对对于任何何目标，目目标的反反射率与与激光回回波功率率成正比比。目标反射率率受到目目标颜色色、形状状、材质质、表面面粗糙程程度等性性质的影影响。如如：在其其他性质质相同的的情况下下，浅色色目标要要比深色色目标的的反射率率高，相相应激光光回波功功率也大大；金属属材质目目标比有有机材质质目标反反射率高高，相应应激光回回波功率率也大；表面粗粗糙程度度低的目目标比表表面粗糙糙程度高高的目标标的反射射率高，相相应的激激光

42、回波波功率也也大225。3.2 目标直直径要找目标直直径与激激光回波波功率的的关系，即即把目标标直径作作为单一一自变量量，其余余各参数数均视为为定量。将将目标特特性的其其余参数数定为：=0.2，rr=300km. 在一一定立体体角内均均匀分布布反射体体中，将将辐射立立体角设设为。3.2.11 对对于点目目标根据以上推推导，在在r=330kmm处区分分点目标标和扩展展目标的的临界值值为155，即点点目标为为直径DD15mm的目标标。将以以上参数数分别代代入各激激光回波波功率的的公式得得：(a) 根根据公式式(2.20)得Lambberttiann球的激激光回波波功率为为： =9.9455(b)

43、根根据公式式(2.21)得2均均匀分布布漫反射射体的激激光回波波功率为为： =4.97(c) 根根据公式式（2.22）得得4均匀匀分布漫漫反射体体的激光光回波功功率为： =22.4668(d) 根根据公式式（2.23）得得固定立立体角内内均匀分分布反射射体的激激光回波波功率为为： =2.9925将以上结果果在MAATLAAB中编编程并仿仿真得到到图3.4图3.4 扩展目目标直径径与激光光回波功功率的关关系从图3.44可以看看出，对对于扩展展目标，激激光回波波功率是是一定值值，不随随目标直直径的改改变而改改变。这这是因为为当目标标成为扩扩展目标标时，激激光束的的光斑只只能照射射在目标标上的某某一

44、快区区域，超超过激光光束光斑斑面积的的那部分分目标无无法反射射出激光光回波，这这样，对对于扩展展目标其其直径与与激光回回波功率率的函数数曲线就就成为水水平直线线。图中中回波功功率从大大到小依依次是固固定立体体角均匀匀分布反反射体、LLambberttiann球、22均匀分分布漫反反射体、和和4均匀匀分布漫漫反射体体。比较较图3.3和图图3.44，可以以看出，扩扩展目标标的四种种模型的的激光回回波功率率均大于于点目标标的四种种模型的的激光回回波功率率，这也也在一定定程度上上反映了了目标直直径和激激光回波波功率正正比的关关系。通过图3.3和图图3.44得出：目标直直径对激激光回波波功率的的影响与与

45、目标类类型有关关，对于于点目标标，目标标直径和和激光回回波功率率成正比比关系；对于扩扩展目标标，目标标直径和和激光回回波功率率无关，激激光回波波功率为为一定值值。3.3 目标距距离要找目标距距离与激激光回波波功率的的关系，即即把目标标距离作作为单一一自变量量，其余余各参数数均视为为定量。将将目标特特性的其其余参数数定为：=0.2，DD=1mm 。在在一定立立体角内内均匀分分布反射射体中，将将辐射立立体角设设为。根据点目标标和扩展展目标的的定义，很很容易发发现如果果目标直直径已选选定，则则目标距距离就是是决定目目标是点点目标还还是扩展展目标的的唯一参参数。由由于以上上各参数数的研究究都采用用的目

46、标标距离是是1000km，而而1000km也也是激光光主动探探测技术术中比较较常用的的探测范范围，因因此要建建立尽可可能覆盖盖0-1100kkm范围围内的目目标距离离和激光光回波功功率的关关系，需需分别选选取目标标直径使使得目标标在0-1000km内内始终是是点目标标或始终终是扩展展目标。3.3.11 对对于点目目标设接收光学学口径，激激光发散散角，为为保证00-1000kmm内目标标是绝对对的点目目标，目目标直径径的设置置不能超超过光学学口径00.2mm，因此此对于点点目标本本文设目目标直径径等于光光学口径径，即。将将这些参参数分别别代入各各激光回回波公式式得到如如下：(a) 根根据公式式(

47、2.8)得得Lambberttiann球的激激光回波波功率为为：= =(b) 根根据公式式(2.11)得2均均匀分布布漫反射射体的激激光回波波功率为为： =(c) 根根据公式式（2.14）得得4均匀匀分布漫漫反射体体的激光光回波功功率为： =(d) 根根据公式式（2.17）得得固定立立体角内内均匀分分布反射射体的激激光回波波功率为为： =将以上结果果在MAATLAAB中编编程并仿仿真得到到图3.5：图3.5 点目标标距离与与激光回回波功率率的关系系从图3.55可以看看出，对对于点目目标，目目标的直直径与激激光回波波功率成成正相关关。图中中回波功功率从大大到小依依次是固固定立体体角均匀匀分布反反

48、射体、LLambberttiann球、22均匀分分布漫反反射体、和和4均匀匀分布漫漫反射体体。3.3.22 对对于扩展展目标根据以上参参数，先先计算出出目标在在1000km处处是点目目标或扩扩展目标标直径的的临界值值。在目目标处激激光束的的截面面面积为，令令目标面面积等于于激光束束截面积积得：=将r=1000kmm，=00.5mmradd代入上上式得：=50m为点目标和和扩展目目标的临临界值，即即点目标标为：550m。因因此研究究扩展目目标距离离与激光光回波功功率的关关系中，为为保证目目标在00-1000kmm内为扩扩展目标标，需设设目标直直径大于于等于550m，这这里设目目标直径径=500m

49、。将将以上参参数分别别代入各各激光回回波功率率的公式式得：(a) 根根据公式式(2.20)得Lambberttiann球的激激光回波波功率为为： = (b) 根根据公式式(2.21)得2均均匀分布布漫反射射体的激激光回波波功率为为： = (c) 根根据公式式（2.22）得得4均匀匀分布漫漫反射体体的激光光回波功功率为： = (d) 根根据公式式（2.23）得得固定立立体角内内均匀分分布反射射体的激激光回波波功率为为： = 将以上结果果在MAATLAAB中编编程并仿仿真得到到图3.6：图3.6 扩展目目标距离离与激光光回波功功率的关关系从图3.66可以看看出，对对于点目目标，目目标的直直径与激激

50、光回波波功率成成正相关关图中回回波功率率从大到到小依次次是固定定立体角角均匀分分布反射射体、LLambberttiann球、22均匀分分布漫反反射体、和和4均匀匀分布漫漫反射体体。从点目标和和扩展目目标的公公式中可可以看出出，点目目标的激激光回波波功率与与点目标标距离的的四次方方成反比比，扩展展目标的的激光回回波功率率与扩展展目标的的距离的的二次方方成反比比。因此此，随目目标距离离的增加加，激光光回波功功率变化化的速度度很快，对对于点目目标，从从图3.5看到到目标距距离从110kmm到1000kmm其激光光回波功功率的变变化跨度度达四个个数量级级。而对对于扩展展目标，从从图3.6看出出目标距距

51、离从110kmm到1000kmm，其激激光回波波功率变变化的跨跨度达到到八个数数量级，明明显比33.1节节中目标标反射率率对激光光回波功功率的影影响大。3.4 目标到到接收器器的大气气传输系系数因为目标所所处的位位置不同同，其大大气的传传输系数数也不同同，所以以本文将将目标到到接收器器的大气气传输系系数也视视为目标标的特性性。要建建立目标标距离与与激光回回波功率率的关系系，需把把目标距距离作为为单一自自变量，其其余各参参数均视视为定量量。将目目标特性性的其余余参数定定为：=0.22，D=1m ，r=30kkm。在在一定立立体角内内均匀分分布反射射体中，将将辐射立立体角设设为。3.4.11 对对

52、于点目目标将参数分别别代入各各激光回回波公式式得到如如下：(a) 根根据公式式(2.8)得得Lambberttiann球的激激光回波波功率为为：= =(b) 根根据公式式(2.11)得2均均匀分布布漫反射射体的激激光回波波功率为为： =(c) 根根据公式式（2.14）得得4均匀匀分布漫漫反射体体的激光光回波功功率为： =(d) 根根据公式式（2.17）得得固定立立体角内内均匀分分布反射射体的激激光回波波功率为为： =将以上结果果在MAATLAAB中编编程并仿仿真得到到图3.7：图3.7 点目标标到接收收机大气气传输系系数与激激光回波波功率的的关系从图3.77可以看看出，对对于点目目标，目目标到

53、接接收机的的大气传传输系数数与激光光回波功功率成正正相关，图图中在目目标到接接收机大大气传输输系数相相同时，目目标的激激光回波波功率从从大到小小依次是是固定立立体角均均匀分布布反射体体、Laambeertiian球球、2均均匀分布布漫反射射体、和和4均匀匀分布漫漫反射体体。3.4.22 对对于扩展展目标将以上参数数分别代代入各激激光回波波功率的的公式得得：(a) 根根据公式式(2.20)得Lambberttiann球的激激光回波波功率为为： = (b) 根根据公式式(2.21)得2均均匀分布布漫反射射体的激激光回波波功率为为： = (c) 根根据公式式（2.22）得得4均匀匀分布漫漫反射体体的

54、激光光回波功功率为： = (d) 根根据公式式（2.23）得得固定立立体角内内均匀分分布反射射体的激激光回波波功率为为： = 将以上结果果在MAATLAAB中编编程并仿仿真得到到图3.8图3.8 扩展目目标到接接收机大大气传输输系数与与激光回回波功率率的关系系从图3.88可以看看出，对对于扩展展目标，目目标到接接收机的的大气传传输系数数与激光光回波功功率同样样成正相相关，图图中在目目标到接接收机大大气传输输系数相相同时，目目标的激激光回波波功率从从大到小小依次是是固定立立体角均均匀分布布反射体体、Laambeertiian球球、2均均匀分布布漫反射射体、和和4均匀匀分布漫漫反射体体。因此此可以

55、得得出对于于任何目目标，目目标到接接收机的的大气传传输系数数与激光光回波功功率成正正比。用用图3.7、图图3.88和图33.1、图图3.22做比较较，可以以看出目目标到接接收机大大气传输输系数和和目标反反射率两两个参数数对激光光回波功功率具有有相同的的影响，即即激光回回波功率率都与它它们的一一次方成成正比。与其它目标标特性参参数一样样，在以以目标到到接收机机大气传传输系数数为变量量的激光光作用方方程中LLambberttiann球、22均匀分分布漫反反射体、和和4均匀匀分布漫漫反射体体三种目目标模型型的激光光回波功功率同样样依次成成二倍的的关系，而而一定立立体角内内均匀分分布反射射体的激激光回

56、波波则和选选取的辐辐射发散散角有关关。3.5 目标辐辐射夹角角对目标辐射射夹角对对激光回回波功率率的影响响的研究究，只适适用于目目标可看看作是一一定立体体角内均均匀分布布的反射射体的情情况。要要找目标标辐射夹夹角与激激光回波波功率的的关系，即即把目标标辐射夹夹角作为为单一自自变量，其其余各参参数均视视为定量量。将目目标特性性的其余余参数定定为：=0.22，D=1m，rr=300km ，目标标辐射夹夹角作为为自变量量的变化化范围选选取0-。3.5.11 对对于点目目标将以上参数数代入公公式（22.177）得固固定立体体角内均均匀分布布反射体体的激光光回波功功率为： 将以上结果果在MAATLAAB

57、中编编程并仿仿真得到到图3.9：图3.9 点目标标辐射夹夹角与激激光回波波功率的的关系从图3.99看出，激激光回波波功率随随目标辐辐射夹角角增大而而递减，从从公式中中可以看看出，激激光回波波功率与与目标辐辐射夹角角正弦的的二次方方成反比比。3.5.22 对对于扩展展目标将以上参数数代入公公式（22.233）得固固定立体体角内均均匀分布布反射体体的激光光回波功功率为：在MATLLAB中中编程并并仿真得得到图33.100：图3.100 扩展展目标辐辐射夹角角与激光光回波功功率的关关系图3.100中的曲曲线和图图3.99中的曲曲线相同同，只是是扩展目目标的激激光回波波功率是是点目标标的激光光回波功功

58、率的一一个整数数倍。从从公式中中可以看看出，激激光回波波功率与与目标辐辐射夹角角正弦的的二次方方成反比比，而在在角度很很小的情情况下以以弧度制制表示的的角度的的正弦值值可以近近似视为为角度值值，因此此，在辐辐射夹角角比较小小的情况况下，激激光回波波功率与与目标辐辐射夹角角的二次次方成反反比，此此时目标标辐射夹夹角对激激光回波波功率的的影响程程度与目目标直径径大致相相同，只只是后者者是与激激光回波波功率成成正相关关，而目目标辐射射夹角与与激光回回波成负负相关。随随着目标标辐射角角度的增增大，其其对激光光回波功功率的影影响程度度逐渐降降低。3.6 本章小小结本章主要对对目标特特性参数数对激光光回波

59、功功率的影影响进行行了定量量的分析析并在MMATLLAB中中进行了了仿真。分分别对目目标直径径、目标标反射率率、目标标到接收收机的大大气传输输系数、目目标到接接收机距距离、目目标辐射射夹角五五个目标标特性参参数进行行单一变变量分析析，得出出以下结结论：目目标直径径、目标标到接收收机的大大气传输输系数、目目标反射射率与激激光回波波功率成成正相关关；目标标到探测测器的距距离、目目标的辐辐射夹角角与激光光回波功功率成负负相关。4 总结4.1 论文研研究意义义激光主动探探式测技技术涉及及的一个个关键问问题是：准确掌掌握目标标特性与与激光回回波信号号强度之之间的关关系，并并建立激激光探测测方程。各各激光

60、探探测方程程的联系系与区别别，与所所采用的的不同的的目标反反射模型型有关。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MATLAB7.0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 论文的的工作内内容本文研究的的基本问问题是目目标特性性与激光光回波功功率的关关系，本本文从激激光作用用目标的的基本方方程，推推导出了了激光对对各种目目标的作作用方程程，通过过比较各各方程得得出目标标的各种种特性参参数对激激光回波波功率的的影