激光雷達成像特征分析及應用研究.pdf

1、激光雷達成像系統(tǒng)由于具有復雜環(huán)境適應性強、抗干擾能力強、獲取信息量大等特點，被廣泛用于戰(zhàn)場偵察、預警和打擊等國防領域以及機動車輛伺服、人工視覺、地形測繪等民生領域，在現代戰(zhàn)爭和日常生活中都具有不可或缺的地位。激光雷達成像系統(tǒng)的特征預測和性能評估的研究是激光雷達成像系統(tǒng)設計、特征感知與算法研究、系統(tǒng)方案論證等應用的必不可少的內容?；跀底址抡娴募す饫走_成像特征預測與應用技術具有可靠、無破壞性、可多次重復、不受氣象條件和場景空域限制、控制靈

2、活等特點，能夠降低研發(fā)風險、縮短研制周期、節(jié)約研究與試驗經費，具有重要意義。
　　本文以實現激光雷達成像系統(tǒng)建模仿真的特征預測和性能評估為研究目標，針對激光雷達成像仿真鏈路、鏈路中的高性能場景建模、高置信度場景建模、成像系統(tǒng)建模與評估等關鍵問題進行了研究，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仿真鏈路。為了滿足激光雷達成像仿真系統(tǒng)通用性和復雜度擴展性的需求，詳細分析了激光雷達成像系統(tǒng)的基本理論，研

3、究了探測原理和成像模式;其次，以激光雷達成像系統(tǒng)的基本理論為指導，提出了通用的、系統(tǒng)化的“發(fā)射-目標-背景-大氣-成像-點云重構”激光雷達成像系統(tǒng)仿真鏈路，并對鏈路中的通用子模塊進行了詳細分析，建立了通用的激光雷達成像仿真模型。
　　第二部分研究了場景輻射特性高性能計算方法。為了解決傳統(tǒng)激光雷達反射場景計算方法動態(tài)性差、計算復雜、無法表現激光相干性等問題，分析了目標和背景的反射特性，研究了激光的空間傳輸特性，通過改進輻射傳輸計算、

4、添加散斑模型等手段，建立了場景輻射特性模型，結合GPU并行處理機制，提出了激光輻射場景的高性能計算方法，實現了激光雷達成像系統(tǒng)入瞳能量分布的高效計算，并與實際結果進行了比對分析，驗證了三維散斑模型及仿真方法的可信性和可行性。
　　第三部分研究了場景輻射特性置信度改進方法。為了提高激光輻射場景的精確度，研究了光線跟蹤和計算機視覺渲染的基本原理，分析了光線跟蹤技術應用在激光雷達系統(tǒng)成像模型的可行性。為了解決激光雷達仿真環(huán)節(jié)中無法準確描

5、述多次反射、半透射及遮蔽等過程的問題，對基本光照模型進行了改造，提出了基于光線跟蹤算法的激光輻射場景的方法，實現了復雜目標的精確模擬計算，有效彌補了傳統(tǒng)方法的缺陷。為了解決激光雷達仿真環(huán)節(jié)中大氣傳輸影響的準確度欠缺的問題，提出了利用指數韋布爾的湍流模型計算激光輻射場景大氣湍流干擾的方法，建立了綜合大氣湍流傳輸的激光雷達成像物理模型，實現了大氣傳輸效應對成像質量影響的定量計算，計算結果表明湍流導致能量彌散，引起探測虛警，影響成像能力。

6、r>　　第四部分研究了激光雷達成像系統(tǒng)建模及性能評估方法?；谌S能量分布計算的結果，詳細分析了GMAPD探測原理，建立了基于GMAPD探測的激光雷達系統(tǒng)成像模型。為了載體平臺數據匹配精度不高、成像模型通用性差的問題，建立了基于實際數據的點云配準模型，并結合本地坐標轉換模型和世界坐標轉換模型，實現了載體平臺下激光雷達數據的三維點云重建模擬，通過對機載平臺下基于GMAPD探測的激光雷達系統(tǒng)的成像仿真，驗證了方法的可行性和可信性。為了解決傳