氣動光學(xué)效應(yīng)對激光雷達(dá)測距精度的影響及修正.pdf

1、高速飛行器周圍會產(chǎn)生復(fù)雜的氣流場，導(dǎo)致氣體密度變化，形成不均勻的光學(xué)折射率分布，進(jìn)而影響光傳輸。激光雷達(dá)可以探測目標(biāo)的多種信息，并且具有極高的測距精度以及分辨率，但氣動光學(xué)效應(yīng)會嚴(yán)重破壞激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能。因而研究這種氣流場對激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的影響，進(jìn)而找到修正方法具有重要的研究意義。
　　本文研究了氣動光學(xué)領(lǐng)域以及激光雷達(dá)測距精度的發(fā)展現(xiàn)狀。目前對于氣動光學(xué)的研究主要集中在提高數(shù)值模擬精確度，建立飛行參數(shù)與光學(xué)畸變的聯(lián)系方程以及

2、自適應(yīng)光學(xué)修正，關(guān)于氣動光學(xué)效應(yīng)對激光雷達(dá)系統(tǒng)測距精度的研究卻鮮有發(fā)表。另外，一直以來關(guān)于氣動光學(xué)的研究一直集中在光學(xué)窗口附近的氣動光學(xué)效應(yīng)，以帶有氣動光學(xué)效應(yīng)的飛行器為目標(biāo)的激光雷達(dá)系統(tǒng)研究卻很少被提到。本文旨在從該改角度出發(fā)對激光雷達(dá)測距精度進(jìn)行研究。
　　首先，將氣動光學(xué)的統(tǒng)計理論與大氣光學(xué)進(jìn)行了對比，根據(jù)氣體物態(tài)參數(shù)與飛行狀態(tài)的聯(lián)系方程以及飛行狀態(tài)與光學(xué)性質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系，將流場研究引入到了氣動光學(xué)效應(yīng)研究中，并推導(dǎo)了斯特爾比

3、與光程差均方根的聯(lián)系方程，為計算激光雷達(dá)回波能量衰減提供了理論基礎(chǔ)。
　　其次，從光學(xué)折射率隨飛行參數(shù)變化的關(guān)系式出發(fā)，研究分析了激波層所導(dǎo)致的光束偏折大小，給出了偏折角隨飛行參數(shù)以及飛行器外形的變化曲線，最大偏折角可以達(dá)到1.5mrad。研究分析了曲面激波層所導(dǎo)致的額外焦距，給出了額外焦距與飛行參數(shù)以及飛行器外形的變化關(guān)系。綜合考慮激波的光束偏折效應(yīng)以及額外焦距效應(yīng)，對激光雷達(dá)系統(tǒng)的回波能量進(jìn)行了計算，結(jié)果表明激波的存在可以使得

4、回波能量衰減70％，極大的影響激光雷達(dá)系統(tǒng)。
　　最后，推導(dǎo)了一定條件下的激光雷達(dá)回波脈沖響應(yīng)函數(shù)以及其與目標(biāo)外形的關(guān)系式，利用光程差的實驗結(jié)果，分析了目標(biāo)表面湍流層對脈沖測距激光雷達(dá)回波波形的影響。采用光線追跡方法，計算了氣動流場引起的波面畸變及斯特爾比，進(jìn)而分析了激光雷達(dá)回波受到湍流流場散射所導(dǎo)致的能量衰減。綜合波形畸變與能量衰減，對氣動流場對激光雷達(dá)測距精度的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，在湍流層的影響下，長度為12cm的目標(biāo)最