氣動光學效應對激光雷達測距精度的影響及修正.pdf

1、高速飛行器周圍會產(chǎn)生復雜的氣流場，導致氣體密度變化，形成不均勻的光學折射率分布，進而影響光傳輸。激光雷達可以探測目標的多種信息，并且具有極高的測距精度以及分辨率，但氣動光學效應會嚴重破壞激光雷達系統(tǒng)的性能。因而研究這種氣流場對激光雷達系統(tǒng)參數(shù)的影響，進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領域以及激光雷達測距精度的發(fā)展現(xiàn)狀。目前對于氣動光學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)與光學畸變的聯(lián)系方程以及

2、自適應光學修正，關于氣動光學效應對激光雷達系統(tǒng)測距精度的研究卻鮮有發(fā)表。另外，一直以來關于氣動光學的研究一直集中在光學窗口附近的氣動光學效應，以帶有氣動光學效應的飛行器為目標的激光雷達系統(tǒng)研究卻很少被提到。本文旨在從該改角度出發(fā)對激光雷達測距精度進行研究。
　　首先，將氣動光學的統(tǒng)計理論與大氣光學進行了對比，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)與光學性質(zhì)的對應關系，將流場研究引入到了氣動光學效應研究中，并推導了斯特爾比

3、與光程差均方根的聯(lián)系方程，為計算激光雷達回波能量衰減提供了理論基礎。
　　其次，從光學折射率隨飛行參數(shù)變化的關系式出發(fā)，研究分析了激波層所導致的光束偏折大小，給出了偏折角隨飛行參數(shù)以及飛行器外形的變化曲線，最大偏折角可以達到1.5mrad。研究分析了曲面激波層所導致的額外焦距，給出了額外焦距與飛行參數(shù)以及飛行器外形的變化關系。綜合考慮激波的光束偏折效應以及額外焦距效應，對激光雷達系統(tǒng)的回波能量進行了計算，結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系統(tǒng)。
　　最后，推導了一定條件下的激光雷達回波脈沖響應函數(shù)以及其與目標外形的關系式，利用光程差的實驗結果，分析了目標表面湍流層對脈沖測距激光雷達回波波形的影響。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，進而分析了激光雷達回波受到湍流流場散射所導致的能量衰減。綜合波形畸變與能量衰減，對氣動流場對激光雷達測距精度的影響進行了分析。結果表明，在湍流層的影響下，長度為12cm的目標最