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4.5Km；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

5、光器，如二氧化碳激光器、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4.74×Hz（=632.8nm）,线宽<Hz,而普通的氦辉光管发出红光，其线宽为F=1.5×Hz，可见激光的单色性好，因此在短时间内激光在雷达探测领域已有广泛的应用5。激光雷达按工作方式可分为直接（非相干）探测方式和相

6、干（外差）探测方式。如图1.1所示，非相干探测系统由连续半导体激光器，发射天线、接收天线，光电探测器，接收放大电路，信号处理与判定5个部分组成。在发射端通过对光载波的强度进行直接调制而获得调制光信号，在接收端利用光探测器直接将光信号转变成电信号，探测器的光电流正比与接收光功率6。图1.1 非相干检测系统原理图相干检测系统原理图如图1.2所示：图1.2 相干检测系统原理图在相干检测系统中，信号可以通过调幅，调频或调相的方式调制到光载波上，当信号光传输到接收端时，首先与一本振光信号进行相干混合，然后由探测器探测，这样光电流与信号光场和本振光场的乘积成正比，从而大大提高接收灵敏度。但其优点的获得是以

7、其系统的复杂性为代价的，它要求严格的空间和时间相干条件，其光学系统和电路系统的要求都比直接检测系统要复杂和严格得多，并且性能也没有直接检测系统稳定7。因此激光雷达多采用直接探测系统。在雷达技术领域中常用的波段名称为:UHF波段（0.3.1GHz），L波段(1.2GHz)，S波段(2-4GHz)，C波段(4-8GHz)，X波段(8-12.5GHz),Ku波段(12.18GHz)，K波段(18-26.5GHz)，另外超视距雷达工作频率为2-5MHz。普通雷达采用的的是微波,随着雷达技术电子技术的提高,雷达频率范围已从高频(几MHz)扩展到紫外频段,但在实际应用中，根据雷达的性能要求和实现条件，大多

8、数雷达工作在115GHz的微波频率范围内8。但是,高于15GHz频率时空气中水分子吸收严重，高于30GHz频率时，在一些区域氧分子和水分子吸收急剧增大。随着频率的提高，天线加工困难，接收机内外噪声增大，增加发射机功率也出现困难。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，

9、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。激光雷达在测量精度、分辨率、抗干扰性和某些特定参数测量能力方面都是普通雷达所无法比拟的，因而理所当然的引起人们的极大重视，并获得了迅速的发展。激光雷达采用脉冲或连续波两种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测11。激光雷达的特性、工作原理及其应用，可用于探测空中水中和地面目

10、标、导弹跟踪测量、卫星跟踪测量、制导、火控、大地测量、地震预报、测污气象、遥测化学试剂、检测风速、提高战争中人的安全性等12。光电技术的应用,虽然提高了武器系统的测量精度、打击效力和隐蔽性,但其本身存在着弱点。那就是几乎所有的光电系统都是通过一定口径的光学系统,将目标反射回来的光信号汇聚到一个高灵敏度的光电传感器上,或是将目标成像到位于焦点的CCD传感器上,这些传感器又与一高放大倍数的电路连接组成一信息系统。光电传感器在接收光学信号的同时,会将部分入射光信号按原路反射。由于该部分反射能量较为集中,其功率密度远大于漫反射目标,在一定距离上根据二者的能量差异足以区别出目标和背景13。1.2.3 激

11、光主动成像技术根据有无照明光源，成像系统可以分为主动成像和被动成像系统两种。被动成像最大的特点就是本身不带光源，依赖于环境或目标的发光，并最终成像。主动成像是指采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)和接收器，其接收器用于收集和探测目标景物直接或反射后的部分光辐射，具有成像清晰、对比度高，不受环境光源的影响等优点14。被动成像系统敏感的是自然辐射光、反射的日光或月光，容易受到环境光源的影响。监视、搜索、捕获、跟踪等光电成像探测系统，向来以“被动”成像探测为主要特点，依赖于自然辐射光、反射的日光或月光，进行成像，无须施加光源对目标进行照射。正因为以被动方式工作，所以具有极好的隐蔽性，故不易被对方察

12、觉或识别15。然而，这类被动成像系统在漆黑的夜晚、空气中含有大量的烟、尘等微粒、雾、雨、雪等能见度低的恶劣天气条件下，即使最灵敏的微光电视系统也不能提供足够的分辨率和对比度，很难探测识别目标16。其他被动成像系统(例如热成像系统或FLIR系统)探测中远红外辐射，主要是靠场景温度和辐射率的变化来提供图像。红外辐射受气溶胶散射影响小，因此FLIR系统能够在低能见度条件下提供分辨率相对高的图像。但是这类系统在温差变化很小甚至没有温度变化时，就不能正常工作。再者，随着武器系统的发展，在高技术战争中，战术弹、子母弹或常规兵器中，其目标尺寸越来越小。这些不发光目标反射的太阳能量较小，再加上距离相对较远，光

13、电测量设备接收到反射目标能量就更少，难以成像。在自然光照明被动成像测量条件下，由于各种背景辐射的影响，限制了成像系统对远距离目标成像测量和精确跟踪能力。在强散射介质中成像、水下成像、远程小暗目标探测、深空目标成像等领域，被动成像系统受到严重的挑战，有些问题无法解决。主要原因是返回信号的能量很弱，或者背景干扰非常严重，有用的信号被干扰光、背景光所淹没，很难探测到目标17。要想克服以上问题，主要办法是考虑增加返回信号的能量，减小背景干扰。增加辅助照明系统是提高返回信号能量的有效手段。采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)对目标进行照射，收集和探测目标景物直接或反射后的部分光辐射，就可以解决被动成像

14、系统的缺点，能够获得目标的高清晰度图像，在能见度低的恶劣天气条件下，实现远距离探测的目的18。激光具有高亮度、高方向性、高单色性等特点使其成为一种理想的光源。激光照明就是利用激光的高亮度、高方向性和高单色性等特点，对远距离小暗目标或其局部进行照射，以增加返回信号的能量，采用距离选通技术减小后向散射等背景辐射的影响，就可以克服被动成像系统和红外成像系统的缺点，获得远即离小暗目标的高分辨率图像，从而实现对远距离小暗目标的探测19。采用脉冲激光器、选通CICD摄像机和延迟同步控制电路等构成的激光距离选通成像系统能够在黑暗状态下或温度对比度低的条件下获得目标的高分辨率图像。激光主动成像技术不仅可以获得

15、目标的图像信息，而且可以获得目标的距离信息，因而越来越引起人们的重视。激光主动成像探测可直观获取丰富的目标外形或基本结构，抑制背景干扰，识别目标及目标的要害部位，激光主动成像技术越来越引起人们的重视。国外从第一台激光器诞生不久，就开始了激光主动照明技术和主动成像技术的研究。国外己经研制出多种激光主动成像系统，有的已经成为美国、加拿大、瑞典等许多国家的制式装备，有的己经成功地应用于实际的工程当中，并且发挥了巨大的作用，取得了很好的效果。下面主要介绍国外几种有代表性的激光主动成像系统。1.2.4 激光在表面微观轮廓测量的应用在表面微观轮廓精度的测量中，传统的方法是接触式测量技术，人们最早评定表面微

16、观轮廓精度是采用标准样件或样块，通过肉眼观察或用手触摸的方法，对表面粗糙度做出定性的综合评定。这种方法现在已发展成为比较法。比较法适合于车间条件下判断较粗糙的表面，其判断准确程度在很大程度上与检验人员的技术熟练程度有关。随着现代加工技术的迅速发展，传统的检测手段已越来越不能胜任现代化的生产要求，而具有众多优点的现代光电检测技术，适应现代生产的要求，以其巨大的生命力而迅速发展。光电技术、激光技术和计算机技术的发展与广泛应用，为表面微观轮廓精度的检测提供了新的手段。目前，国内外己经提出几种非接触光电检测的方法用于表面粗糙度的测量，其测量原理都有所不同，但相互之间交错联系。概括来说，表面微观轮廓精度

17、的非接触测量分为四大类技术:一类基于光学干涉原理的测量技术; 一类是基于散射原理的测量技术，还有光触针式轮廓测量技术和能提供表面图像或层析图的纳米测量技术20。1.2.5 激光信号检测方法目前常用的微弱信号检测方法为二元相关检测技术，它是从信号的相关性和噪声的随机性出发，通过相关处理器件，检测出微弱有用激光信号。考虑到激光主动探侧系统一般采用跟踪测量方式，其精确的目标位置数据是由四象限探测器完成的。有人研究利用四象限探测器对微弱激光回波信号进行相关处理的可行性，以期望能大幅改善激光主动探测系统的信噪比，从而提高激光主动探测系统对非合作目标的探侧能力。在回波信号消噪方面，国内外学者也做了各种信号

18、消噪和提高信噪比的研究，其中有一种处理方法叫小波消噪法值得我们学习21。在分析激光主动探测中回波信号的噪声特性和小波变换去噪原理的基础上,提出了一种基于最大信噪比准则的小波阈值去噪方法。首先用最大信噪比准则对小波变换系数进行阈值选取,然后采用软阈值方法对小波系数进行量化处理后再重构。仿真结果表明最大信噪比准则小波去噪方法改善信噪比效果十分显著,检测下限达到-16.2 dB。证明了该方法在激光主动探测系统回波信号检测中的有效性。1.3 本论文的主要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

19、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。本文首先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可分类为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MATLAB7.0中仿真就可以直观的看到单个目标特性参数对激光回波功率的影响。

20、比较以同一个参数为变量的四类目标模型的激光作用方程，就得出此参数在不同类型的目标中对激光回波功率有着不同的作用。2 激光雷达作用方程2.1 基本原理本文主要讨论的是目标反射体的不同特性，对激光脉冲辐射的回波信号的强度的影响，进一步找出二者的关系。本文的基本原理是，由激光器对被测目标发射激光脉冲，然后由接收机接收目标反射产生的回波信号，通过收发激光脉冲信号的功率强度来确定目标特性与激光回波信号强度的关系。2.1.1 激光雷达作用方程的标准形式激光雷达的一个基本问题是确定到达接收机孔径的光总通量，从而确定入射到探测器的总功率。激光雷达测距方程通常用来确定特定条件下，激光雷达对所测目标反射回来的激光

21、信号的接收功率22。激光雷达作用距离方程的标准形式为： （2.1）式中，Pr接收信号功率（w）；m光源调制度；激光源功率；K光束截面函数；发射机光学效率；接收机光学效率；目标的激光雷达截面积（）；目标反射率；束宽（rad）；发射机到目标的距离（m）；目标到探测器的距离（m）；接收系统直径(m)；光源到目标的大气传输系数；目标到接收器的大气传输系数。激光雷达作用方程可以看成是发射因子、目标特性因子、和接收因子三项的乘积形式。此式适用于目标在发射远场及接收机远距离目标的情况，对于收发分置和收发合置都适用。此时，目标要按点建模，也就是目标的角度范围跟发射机束宽和探测器的瞬时视场相比都非常小。2.2

22、激光雷达作用方程的特殊形式设发射激光的功率为，发散角为，发射系统的效率为,则辐射强度即单位立体角内的辐射功率： （2.2）其中，为目标距发射处距离。接收系统透镜面积这里认为在发散角内辐射强度是均匀的，若不是均匀的，设激光束强度分布函数为K，则上式可写为 （2.3）对于不同特性的目标，可以分为点目标和扩展目标，点目标和扩展目标又均可分为Lambertian球、2pi均匀分布漫反射体、4pi均匀分布漫反射体、一定立体角内均匀分布反射体五种类型的目标23。其中，设目标距发射器的距离为，大气透过率为，目标面积为，接收系统透镜面积为，距目标为，接收系统通过率为，大气透过率为。2.2.1 点目标点目标即目

23、标面积小于激光束的光斑面积，即则，目标接收到光功率为： （2.4）设目标的漫反射系数为，则反射的光功率： （2.5）其中，点目标又可分以下几种模型来研究。(a) 将反射体看成Lambertian球反射体的亮度为B，则由得： （2.6）若接收功率为，则： （2.7）将（2.3）式和（2.5）式代入（2.7）式，得： = = = （2.8）其中，为目标反射体的直径，为接收系统的直径。(b) 把目标看成2立体角内均匀漫反射适用于反射光在2立体角内是均匀分布的目标反射体，则反射体的辐射强度即单位立体角内的辐射功率为： （2.9）接收系统接收到辐射功率为： （2.10）把（2.3），（2.4），（2.5

24、），（2.9）带入（2.10）得： （2.11）(c) 把目标看成4立体角内均匀漫反射适用于反射光在4立体角内是均匀分布的目标反射体，则反射体的辐射强度即单位立体角内的辐射功率为： （2.12）接收系统接收到辐射功率为： （2.13）把（2.3），（2.4），（2.12）带入（2.13）得： （2.14）(d) 若目标反射光在发散角内均匀分布球冠面积为：则接收系统接收的回波功率： （2.15）将（2.2），（2.4）代入（2.15）得： （2.16）将 代入（2.16）得： （2.17）2.2.2 扩展目标扩展目标是面积大于激光束截面积的目标，即由于目标面积大于激光光斑面积，所以目标有效反射面

25、积就是光斑面积，即： （2.18）将（2.2），（2.4），（2.18）代入（2.5）得目标的反射光功率： （2.19）(a) 目标可以看成Lambertian球按照前面点目标的的计算方法，可以得出接收系统接收到的目标的反射功率： （2.20）(b) 目标可以看成2立体角均匀漫反射体目标的辐射强度，即单位立体角内辐射的功率为： 接收系统接收到的目标的反射功率：= （2.21）(c) 目标看成4立体角均匀漫反射体目标的辐射强度，即单位立体角内辐射的功率为：接收系统接收到的目标的反射功率： （2.22）(d) 目标反射体在发散角内均匀分布由公式（2.15）可得出接收系统接收到的目标的反射功率： （

26、2.23）2.3 本章小结在本章中，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分类为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。本章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，其中包含的目标特性参数有：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、目标辐射发散角。3 影响激光回波功率的目标特性从公式（2.8）、（2.11）、（2.14）、（2.17）、（2.20）、（2.21）、（2.22）和（2.23）可以看出，影响激光回波功率的参数有：激光器的功率，发射系统光学

27、效率，接收系统光学效率，发射系统大气透过率，接收系统大气透过率，目标反射率，目标直径，接收镜面直径，发射距离，接收距离，目标反射的发散角。其中，属于目标特性的参数是：目标反射率，目标直径，发射距离，目标反射的发散角，目标到接收机的大气传输系数。本文将以这五个参数作为目标特性，来研究目标特性与激光回波信号强度的关系。比较以上各公式，可见各个不同文献中的公式只是对目标物体的特性假设不同，而且对于同一目标类型（点目标或扩展目标）对回波功率的影响只是相差一个常数倍，没有本质的区别。由于对于一般的主动探测系统有，以上各式可以进一步简化。其中T是大气透过率，大气对激光传输的主要影响有吸收、散射和湍流，此外

28、还有色散和折射等。吸收和散射的总效果使激光传输的能量衰减，接收信号减弱。湍流会引起激光束的弯曲和离散，使辐照在目标特定点上的强度发生变化，产生闪烁和抖动，影响激光系统的作用距离和精度。色散限制了光学系统的光学带宽。本文只考虑了大气对激光传输的两种主要影响：吸收和散射。单色辐射在大气中的透射率：式中为衰减系数，L为辐射透过的路程长度。衰减系数可表示为：式中是散射系数，是吸收系数，下标m和分别表示分子和气溶胶。计算中采用的参数如下：激光器发射功率Pe=2000kw，接收光学口径，发射光学效率，接收光学效率，发射激光束函数K=4，激光发散角。3.1 目标反射率要找目标反射率与激光回波功率的关系，即把

29、目标反射率作为单一自变量，其余各参数均视为定量。将其余参数定为：m，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24。从以上公式可以得出，目标的反射率与激光回波功率成正相关，即激光回波功率随目标的反射率增大而增大。3.1.1 对于点目标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=30km, =0.5mrad代入上式得：=15m为点目标和扩展目标的临界值，即点目标为：<15m；扩展目标为：>15m。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(2.8)得Lambertian球的激光回波功率为：= =1.768×(b)

30、根据公式(2.11)得2均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =8.84×(c) 根据公式（2.14）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为：=4.42×(d) 根据公式（2.17）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： =1.3×将以上四个公式通过编辑程序在MATLAB中仿真，得到图3.1：图3.1 点目标反射率与激光回波功率的关系从图3.1可以看出，对于点目标，目标反射率与激光回波功率成正相关，图中在目标反射率相同时，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。从公式中也可以看

31、出，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，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。3.1.2 对于扩展目标扩展目标即>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： =4.97×(b) 根据公式(2.21)得2均匀漫反射体的激光回波功率为： =2.49×(c) 根据公式（2.22）得4均匀漫反射体的激光回波功率为： =1.24×(d) 根据公式（2.23

32、）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： =1.475×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3.2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3.2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

33、状、材质、表面粗糙程度等性质的影响。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：=0.2，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D<15的反射体。将以上参数分别

34、代入各激光回波功率的公式得：(a) 根据公式(2.8)得Lambertian球的激光回波功率为：= =3.536×(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： =1.768×(c) 根据公式（2.14）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =8.84×(d) 根据公式（2.17）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： =2.6×将以上结果在MATLAB中编程并仿真得到图3.3:图3.3 点目标直径与激光回波功率的关系从图3.3可以看出，对于点目标，目标的直径的二次方与激光回波功率成正相关。图中回波功率从大到小依次是一定立体

35、角内均匀分布反射体、Lambertian球、2均匀分布漫反射体、和4均匀分布漫反射体。3.2.2 对于扩展目标在r=30km处，扩展目标是指D>15m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： =9.945×(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： =4.97×(c) 根据公式（2.22）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =2.468×(d) 根据公式（2.23）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功率为： =2.925×将以上结果在MA

36、TLAB中编程并仿真得到图3.4图3.4 扩展目标直径与激光回波功率的关系从图3.4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3.3和图3.4，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

37、回波功率正比的关系。通过图3.3和图3.4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

38、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，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0.2m，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（2.14）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =(d

39、) 根据公式（2.17）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3.5：图3.5 点目标距离与激光回波功率的关系从图3.5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。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，=0.5mrad代入上式得：=50m为点目标和扩展目标的临界值，即点目标为：&

40、lt;50m；扩展目标为：>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（2.22）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： = (d) 根据公式（2.23）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3.6：图3.6 扩展目标距离与激光回

41、波功率的关系从图3.6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，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3.5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3.6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3.1节中目标

42、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：=0.2，D=1m ，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。3.4.1 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（2.14）得4

43、均匀分布漫反射体的激光回波功率为： =(d) 根据公式（2.17）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3.7：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3.7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

44、： = (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（2.22）得4均匀分布漫反射体的激光回波功率为： = (d) 根据公式（2.23）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3.8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3.8可以看出，对于扩展目标，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

45、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3.7、图3.8和图3.1、图3.2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

46、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：=0.2，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（2.17）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3.9：图3.9 点目标辐射夹角与激光回波功率的关系从图3.9看出，激光回波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（2.23）得固定立体角内均匀分布反射体的激光回波功

47、率为：在MATLAB中编程并仿真得到图3.10：图3.10 扩展目标辐射夹角与激光回波功率的关系图3.10中的曲线和图3.9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

48、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

49、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

50、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MATLAB7.0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、

51、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次方成反比。参 考 文 献1 周立伟，刘玉岩等.目标探测与识别M.北京：北京理工大学出版社，