激光雷達(dá)成像特征分析及應(yīng)用研究.pdf

1、激光雷達(dá)成像系統(tǒng)由于具有復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、獲取信息量大等特點(diǎn)，被廣泛用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、預(yù)警和打擊等國(guó)防領(lǐng)域以及機(jī)動(dòng)車輛伺服、人工視覺、地形測(cè)繪等民生領(lǐng)域，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)和日常生活中都具有不可或缺的地位。激光雷達(dá)成像系統(tǒng)的特征預(yù)測(cè)和性能評(píng)估的研究是激光雷達(dá)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)、特征感知與算法研究、系統(tǒng)方案論證等應(yīng)用的必不可少的內(nèi)容。基于數(shù)字仿真的激光雷達(dá)成像特征預(yù)測(cè)與應(yīng)用技術(shù)具有可靠、無破壞性、可多次重復(fù)、不受氣象條件和場(chǎng)景空域限制、控制靈

2、活等特點(diǎn)，能夠降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制周期、節(jié)約研究與試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，具有重要意義。
　　本文以實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)成像系統(tǒng)建模仿真的特征預(yù)測(cè)和性能評(píng)估為研究目標(biāo)，針對(duì)激光雷達(dá)成像仿真鏈路、鏈路中的高性能場(chǎng)景建模、高置信度場(chǎng)景建模、成像系統(tǒng)建模與評(píng)估等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，開展的具體工作如下:
　　第一部分研究了基于系統(tǒng)成像原理的激光雷達(dá)仿真鏈路。為了滿足激光雷達(dá)成像仿真系統(tǒng)通用性和復(fù)雜度擴(kuò)展性的需求，詳細(xì)分析了激光雷達(dá)成像系統(tǒng)的基本理論，研

3、究了探測(cè)原理和成像模式;其次，以激光雷達(dá)成像系統(tǒng)的基本理論為指導(dǎo)，提出了通用的、系統(tǒng)化的“發(fā)射-目標(biāo)-背景-大氣-成像-點(diǎn)云重構(gòu)”激光雷達(dá)成像系統(tǒng)仿真鏈路，并對(duì)鏈路中的通用子模塊進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了通用的激光雷達(dá)成像仿真模型。
　　第二部分研究了場(chǎng)景輻射特性高性能計(jì)算方法。為了解決傳統(tǒng)激光雷達(dá)反射場(chǎng)景計(jì)算方法動(dòng)態(tài)性差、計(jì)算復(fù)雜、無法表現(xiàn)激光相干性等問題，分析了目標(biāo)和背景的反射特性，研究了激光的空間傳輸特性，通過改進(jìn)輻射傳輸計(jì)算、

4、添加散斑模型等手段，建立了場(chǎng)景輻射特性模型，結(jié)合GPU并行處理機(jī)制，提出了激光輻射場(chǎng)景的高性能計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)成像系統(tǒng)入瞳能量分布的高效計(jì)算，并與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析，驗(yàn)證了三維散斑模型及仿真方法的可信性和可行性。
　　第三部分研究了場(chǎng)景輻射特性置信度改進(jìn)方法。為了提高激光輻射場(chǎng)景的精確度，研究了光線跟蹤和計(jì)算機(jī)視覺渲染的基本原理，分析了光線跟蹤技術(shù)應(yīng)用在激光雷達(dá)系統(tǒng)成像模型的可行性。為了解決激光雷達(dá)仿真環(huán)節(jié)中無法準(zhǔn)確描

5、述多次反射、半透射及遮蔽等過程的問題，對(duì)基本光照模型進(jìn)行了改造，提出了基于光線跟蹤算法的激光輻射場(chǎng)景的方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜目標(biāo)的精確模擬計(jì)算，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法的缺陷。為了解決激光雷達(dá)仿真環(huán)節(jié)中大氣傳輸影響的準(zhǔn)確度欠缺的問題，提出了利用指數(shù)韋布爾的湍流模型計(jì)算激光輻射場(chǎng)景大氣湍流干擾的方法，建立了綜合大氣湍流傳輸?shù)募す饫走_(dá)成像物理模型，實(shí)現(xiàn)了大氣傳輸效應(yīng)對(duì)成像質(zhì)量影響的定量計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明湍流導(dǎo)致能量彌散，引起探測(cè)虛警，影響成像能力。

6、r>　　第四部分研究了激光雷達(dá)成像系統(tǒng)建模及性能評(píng)估方法。基于三維能量分布計(jì)算的結(jié)果，詳細(xì)分析了GMAPD探測(cè)原理，建立了基于GMAPD探測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)成像模型。為了載體平臺(tái)數(shù)據(jù)匹配精度不高、成像模型通用性差的問題，建立了基于實(shí)際數(shù)據(jù)的點(diǎn)云配準(zhǔn)模型，并結(jié)合本地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型和世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)了載體平臺(tái)下激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維點(diǎn)云重建模擬，通過對(duì)機(jī)載平臺(tái)下基于GMAPD探測(cè)的激光雷達(dá)系統(tǒng)的成像仿真，驗(yàn)證了方法的可行性和可信性。為了解決傳