條紋管激光雷達(dá)成像技術(shù)研究.pdf

1、條紋管激光成像雷達(dá)是上個世紀(jì)末出現(xiàn)的一種新體制激光成像雷達(dá)。與傳統(tǒng)的點掃描式激光雷達(dá)相比,它具有大視場、高幀頻等技術(shù)優(yōu)勢,是一種能夠快速獲取目標(biāo)強度和距離信息的有效手段。經(jīng)過十幾年的研究,條紋管激光成像雷達(dá)已經(jīng)發(fā)展出單狹縫、多狹縫、偏振等多種成像方式。國外研究機構(gòu)已經(jīng)成功研制出多種條紋管激光雷達(dá)系統(tǒng),并將其成功應(yīng)用于水雷偵察、魚群監(jiān)測、地形測繪等領(lǐng)域,顯示了其廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)的一些機構(gòu)注意到它的研究價值,開展了對這種激光雷達(dá)的研究工

2、作。
　　目前,國內(nèi)外尚沒有文獻(xiàn)針對這種激光雷達(dá)的設(shè)計及性能做理論分析和討論。因此,本文圍繞雷達(dá)系統(tǒng)理論設(shè)計,和成像性能分析過程中所遇到的科學(xué)問題,提出了條紋管激光雷達(dá)方程,研究了532nm激光大氣衰減,分析了大氣對成像結(jié)果的噪聲影響,提出了目標(biāo)反射率快速測量原理與方法,理論分析并實驗研究空間分辨力的制約原理,提出了一種提高距離分辨力的圖像處理方法,設(shè)計并組建一套條紋管激光成像雷達(dá)系統(tǒng),設(shè)計一種新體制條紋管激光雷達(dá)。本文研究內(nèi)容主

3、要包括:
　　(1)提出適合條紋管激光成像雷達(dá)理論計算的激光雷達(dá)方程,量化方程中的關(guān)鍵參數(shù),擺脫無法確切計算回波功率的困境,使其有能力為激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計提供理論指導(dǎo)。量化關(guān)鍵參數(shù)包含三個部分:(a)深入研究大氣的光吸收、散射理論和相關(guān)數(shù)據(jù),確定氣溶膠散射是影響532nm激光的主要因素,將大氣衰減具體為一個表達(dá)式,并得到條紋管光電陰極位置的信噪比表達(dá)式。(b)由光度學(xué)理論,推導(dǎo)得到適用于激光雷達(dá)的目標(biāo)反射率表達(dá)式,實驗測量獲得多種常

4、用建筑材料的反射率數(shù)據(jù),經(jīng)分析后認(rèn)為:通過目標(biāo)反射強度,可以大致判斷目標(biāo)材質(zhì),這一論斷在目標(biāo)成像實驗中得到了證實。(c)設(shè)計實驗,以光子計數(shù)器作為能量計,測量得到了條紋管最小可探測能量密度的精確數(shù)值,為4.87×10-18J/mm2。經(jīng)遠(yuǎn)距離成像實驗,證明激光雷達(dá)的理論計算結(jié)果基本符合實際情況。
　　(2)設(shè)計并搭建一套條紋管激光成像雷達(dá)系統(tǒng),根據(jù)本文提出的激光雷達(dá)方程,計算獲得在多種能見度、接收光學(xué)系統(tǒng)口徑和成像位置條件下,所需

5、的激光發(fā)射能量。根據(jù)計算結(jié)果和雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)要求,確定激光器單脈沖能量,以及接收光學(xué)系統(tǒng)口徑等系統(tǒng)參數(shù)。對所搭建的雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和成像實驗。該套系統(tǒng)作用距離大于6km,空間角分辨力優(yōu)于0.5mrad,6km處距離分辨力約為1m,工作頻率達(dá)到100Hz,數(shù)據(jù)處理量達(dá)到58.6MB/s,且具有快速存儲和實時處理能力。
　　(3)對進(jìn)一步提高條紋管激光成像雷達(dá)的空間分辨力和距離分辨力進(jìn)行深入研究。通過理論分析、模擬計算和實驗測試,證明壓

6、縮發(fā)射光束是提高空間分辨力方案中比較適合的方法。針對條紋管激光雷達(dá),提出一種圖像處理算法。該算法以Hough變換算法為基礎(chǔ),引入了波形優(yōu)化采樣技術(shù),降低噪聲干擾,在參數(shù)空間中優(yōu)選參數(shù)曲線,降低消耗。該算法在不改變成像設(shè)備的條件下,較原算法提高雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨力5~20倍,同時大幅降低資源消耗,其運行耗時僅為高斯曲線擬合方法的1/10。
　　(4)在對各種條紋管激光雷達(dá)深入分析后,設(shè)計一種無外加狹縫,包含多對偏轉(zhuǎn)電場的條紋管。這種

7、條紋管去除光電陰極前的狹縫和光纖變換器等光線約束裝置,充分利用光電陰極的面積,提高目標(biāo)信息收集效率,保留光電陰極的空間分辨力;條紋管內(nèi)部偏轉(zhuǎn)電場輪流工作,使帶有目標(biāo)信息的光電子在多方向上偏轉(zhuǎn)。通過對成像過程的分析,發(fā)現(xiàn)了“時間空間交疊”現(xiàn)象,并提出了克服這種現(xiàn)象的處理方法,獲得了目標(biāo)強度距離信息。通過模擬仿真,得到了不同類型的幾種目標(biāo)的強度像和距離像,據(jù)此確定所采用的成像和處理方案是有效的。分析了這種條紋管的空間分辨力、距離分辨力和成像