條紋管激光雷達成像技術研究.pdf

1、條紋管激光成像雷達是上個世紀末出現(xiàn)的一種新體制激光成像雷達。與傳統(tǒng)的點掃描式激光雷達相比,它具有大視場、高幀頻等技術優(yōu)勢,是一種能夠快速獲取目標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。國外研究機構已經(jīng)成功研制出多種條紋管激光雷達系統(tǒng),并將其成功應用于水雷偵察、魚群監(jiān)測、地形測繪等領域,顯示了其廣闊的應用前景。國內(nèi)的一些機構注意到它的研究價值,開展了對這種激光雷達的研究工

2、作。
　　目前,國內(nèi)外尚沒有文獻針對這種激光雷達的設計及性能做理論分析和討論。因此,本文圍繞雷達系統(tǒng)理論設計,和成像性能分析過程中所遇到的科學問題,提出了條紋管激光雷達方程,研究了532nm激光大氣衰減,分析了大氣對成像結果的噪聲影響,提出了目標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,設計并組建一套條紋管激光成像雷達系統(tǒng),設計一種新體制條紋管激光雷達。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理論計算的激光雷達方程,量化方程中的關鍵參數(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系統(tǒng)設計提供理論指導。量化關鍵參數(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式,并得到條紋管光電陰極位置的信噪比表達式。(b)由光度學理論,推導得到適用于激光雷達的目標反射率表達式,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)分析后認為:通過目標反射強度,可以大致判斷目標材質(zhì),這一論斷在目標成像實驗中得到了證實。(c)設計實驗,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)遠距離成像實驗,證明激光雷達的理論計算結果基本符合實際情況。
　　(2)設計并搭建一套條紋管激光成像雷達系統(tǒng),根據(jù)本文提出的激光雷達方程,計算獲得在多種能見度、接收光學系統(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)計算結果和雷達系統(tǒng)技術要求,確定激光器單脈沖能量,以及接收光學系統(tǒng)口徑等系統(tǒng)參數(shù)。對所搭建的雷達系統(tǒng)進行調(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,工作頻率達到100Hz,數(shù)據(jù)處理量達到58.6MB/s,且具有快速存儲和實時處理能力。
　　(3)對進一步提高條紋管激光成像雷達的空間分辨力和距離分辨力進行深入研究。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,提出一種圖像處理算法。該算法以Hough變換算法為基礎,引入了波形優(yōu)化采樣技術,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備的條件下,較原算法提高雷達系統(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深入分析后,設計一種無外加狹縫,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,獲得了目標強度距離信息。通過模擬仿真,得到了不同類型的幾種目標的強度像和距離像,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