目標(biāo)反射特性與激光回波信號(hào)強(qiáng)度關(guān)系研究

1、清華大學(xué)2012屆畢業(yè)論文 第 頁Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.1 緒論1.1 本課題研究意義激光主動(dòng)探式測(cè)技術(shù)為空間目標(biāo)監(jiān)視和探測(cè)的重要手段，除了能夠克服光電被動(dòng)探測(cè)以及單站探測(cè)的缺點(diǎn)，還可同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光對(duì)抗。其涉及的首要問題是：對(duì)非合作目標(biāo)來說，如何能可靠、準(zhǔn)確地探測(cè)到激光經(jīng)目標(biāo)散射后產(chǎn)生的微弱激光信號(hào)。因?yàn)閷?duì)非合作目標(biāo)能接受的激光信號(hào)為目標(biāo)對(duì)激光的漫反射，其強(qiáng)度很低；此外，探測(cè)激光經(jīng)大氣的遠(yuǎn)程傳輸?shù)竭_(dá)目標(biāo)上,再由目標(biāo)反射后經(jīng)大氣傳輸返回到接收器。在激光大氣傳輸過程中，激光與大氣

2、相互作用將產(chǎn)生各種線性、非線性效應(yīng)，導(dǎo)致激光強(qiáng)度發(fā)生嚴(yán)重衰減、光束發(fā)散和飄移，致使接收器的微弱激光信號(hào)探測(cè)成為遠(yuǎn)距離激光主動(dòng)探測(cè)的難點(diǎn)問題。更為重要的是，激光主動(dòng)探測(cè)的回波信號(hào)受目標(biāo)的不同特性影響，其主要包括目標(biāo)的直徑、距離、輻射角度、表面反射率等因素，而目標(biāo)的這些特性又受到目標(biāo)顏色、大小、材質(zhì)、表面粗糙程度等性質(zhì)的影響。除目標(biāo)本身外，大氣的成分以及激光束的發(fā)射仰角等也是影響主動(dòng)探測(cè)中激光回波功率的重要因素。因此，準(zhǔn)確的找到目標(biāo)反射特性與主動(dòng)探測(cè)激光的回波信號(hào)強(qiáng)度之間的關(guān)系，是研究激光主動(dòng)探測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵，對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置具有重要的參考意義。1.2 國內(nèi)外外發(fā)展現(xiàn)現(xiàn)狀 1.2.11 激激

3、光測(cè)距距光電測(cè)距儀儀是用光光波作為為載波的的測(cè)距儀儀器。光光電測(cè)距距是研究究比較早早的一種種物理測(cè)測(cè)距方法法，但實(shí)實(shí)際應(yīng)用用到大地地測(cè)量則則是在119488年以后后。早期期的光電電測(cè)距儀儀大都采采用白熾熾燈、高高壓汞燈燈等作為為光源，并并且由于于受當(dāng)時(shí)時(shí)電子元元件的限限制，致致使儀器器較重，操操作和計(jì)計(jì)算都較較復(fù)雜，且且多在夜夜間觀測(cè)測(cè)，因而而在工程程測(cè)量中中很少應(yīng)應(yīng)用11。六十年代初初期，出出現(xiàn)了激激光技術(shù)術(shù)，這對(duì)對(duì)光電測(cè)測(cè)距儀的的發(fā)展起起了極大大的推動(dòng)動(dòng)作用。由由于激光光具有方方向性強(qiáng)強(qiáng)、亮度度高、單單色性好好等特點(diǎn)點(diǎn)，因此此特別適適合作為為光電測(cè)測(cè)距儀的的光源。由由于激光光的亮度度高、方

4、方向性強(qiáng)強(qiáng)，因而而可加大大儀器測(cè)測(cè)程，并并克服了了儀器只只能在夜夜間作業(yè)業(yè)的局限限性，同同時(shí)也有有利于縮縮小光學(xué)學(xué)系統(tǒng)的的口徑，從從而減小小儀器的的體積和和重量；由于激激光的單單色性好好，受大大氣條件件變化的的影響較較小，使使得在不不同的外外界條件件下同樣樣可以得得到較高高的測(cè)距距精度2。現(xiàn)在國內(nèi)市市場(chǎng)上的的測(cè)距儀儀主要有有兩種，一一種是采采用發(fā)光光二極管管作為光光源的測(cè)測(cè)距儀，如如江蘇常常州大地地測(cè)量廠廠生產(chǎn)的的D30000系系列測(cè)距距儀，其其測(cè)程最最大可達(dá)達(dá)4.55Km；一種是是采用半半導(dǎo)體激激光器作作為光源源的測(cè)距距儀，如如瑞士LLeicca公司司的Liite55、Cllasssic55

5、等，測(cè)測(cè)程在2200mm內(nèi)，測(cè)測(cè)量精度度可達(dá)3mmm3。但市市場(chǎng)上還還沒有一一種采用用半導(dǎo)體體激光器器作光源源的測(cè)距距儀，不不但測(cè)程程長(zhǎng)，還還可對(duì)動(dòng)動(dòng)態(tài)目標(biāo)標(biāo)進(jìn)行實(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量量，本文文正是基基于這個(gè)個(gè)目的，以以激光雷雷達(dá)原理理為基礎(chǔ)礎(chǔ)對(duì)此進(jìn)進(jìn)行了研研究。1.2.22 激激光雷達(dá)達(dá)激光作為220世紀(jì)紀(jì)最重要要的科學(xué)學(xué)技術(shù)成成果之一一，它的的出現(xiàn)具具有特別別的意義義。用激激光器作作為輻射射源的雷雷達(dá)叫做做激光雷雷達(dá)，激激光雷達(dá)達(dá)是激光光技術(shù)和和雷達(dá)技技術(shù)相結(jié)結(jié)合的產(chǎn)產(chǎn)物，由由發(fā)射機(jī)機(jī)、天線線、接收收機(jī)、跟跟蹤架及及信息處處理等部部分組成成。發(fā)射射機(jī)是各各種形式式的激光光器，如如二氧化化碳激光光器、半

6、半導(dǎo)體激激光器及及波長(zhǎng)可可調(diào)節(jié)諧諧的固體體激光器器等；天天線是光光學(xué)望遠(yuǎn)遠(yuǎn)鏡；接接收機(jī)采采用各種種形式的的光電探探測(cè)器，如如電倍增增管、半半導(dǎo)體光光電二極極管、雪雪崩光電電二極管管、紅外外和可見見光多元元他側(cè)器器件等4。在在眾多雷雷達(dá)技術(shù)術(shù)參數(shù)和和性能指指標(biāo)中,雷達(dá)的的工作頻頻率是與與很多參參數(shù)相關(guān)關(guān)的。激激光有著著突出優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，其其頻率特特性好，即即激光的的譜線寬寬度很小小。例如如長(zhǎng)100cm的的穩(wěn)頻氦氦氖激光光器的中中心頻率率為4.74Hz（=6322.8nnm）,線寬Hz,而普通通的氦輝輝光管發(fā)發(fā)出紅光光，其線線寬為FF=1.5Hz，可可見激光光的單色色性好，因因此在短短時(shí)間內(nèi)內(nèi)激光在在雷

7、達(dá)探探測(cè)領(lǐng)域域已有廣廣泛的應(yīng)應(yīng)用5。激光雷達(dá)按按工作方方式可分分為直接接（非相相干）探探測(cè)方式式和相干干（外差差）探測(cè)測(cè)方式。如如圖1.1所示示，非相相干探測(cè)測(cè)系統(tǒng)由由連續(xù)半半導(dǎo)體激激光器，發(fā)發(fā)射天線線、接收收天線，光光電探測(cè)測(cè)器，接接收放大大電路，信信號(hào)處理理與判定定5個(gè)部部分組成成。在發(fā)發(fā)射端通通過對(duì)光光載波的的強(qiáng)度進(jìn)進(jìn)行直接接調(diào)制而而獲得調(diào)調(diào)制光信信號(hào)，在在接收端端利用光光探測(cè)器器直接將將光信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)變成成電信號(hào)號(hào)，探測(cè)測(cè)器的光光電流正正比與接接收光功功率6。圖1.1 非相相干檢測(cè)測(cè)系統(tǒng)原原理圖相干檢測(cè)系系統(tǒng)原理理圖如圖圖1.22所示：圖1.2 相干干檢測(cè)系系統(tǒng)原理理圖在相干檢測(cè)測(cè)系統(tǒng)中中

8、，信號(hào)號(hào)可以通通過調(diào)幅幅，調(diào)頻頻或調(diào)相相的方式式調(diào)制到到光載波波上，當(dāng)當(dāng)信號(hào)光光傳輸?shù)降浇邮斩硕藭r(shí)，首首先與一一本振光光信號(hào)進(jìn)進(jìn)行相干干混合，然然后由探探測(cè)器探探測(cè)，這這樣光電電流與信信號(hào)光場(chǎng)場(chǎng)和本振振光場(chǎng)的的乘積成成正比，從從而大大大提高接接收靈敏敏度。但但其優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)的獲得得是以其其系統(tǒng)的的復(fù)雜性性為代價(jià)價(jià)的，它它要求嚴(yán)嚴(yán)格的空空間和時(shí)時(shí)間相干干條件，其其光學(xué)系系統(tǒng)和電電路系統(tǒng)統(tǒng)的要求求都比直直接檢測(cè)測(cè)系統(tǒng)要要復(fù)雜和和嚴(yán)格得得多，并并且性能能也沒有有直接檢檢測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)穩(wěn)定7。因此此激光雷雷達(dá)多采采用直接接探測(cè)系系統(tǒng)。在雷達(dá)技術(shù)術(shù)領(lǐng)域中中常用的的波段名名稱為:UHFF波段（00.3.1GHHz），

9、LL波段(1.22GHzz)，SS波段(2-44GHzz)，CC波段(4-88GHzz)，XX波段(8-112.55GHzz),KKu波段段(122.188GHzz)，KK波段(18-26.5GHHz)，另另外超視視距雷達(dá)達(dá)工作頻頻率為22-5MMHz。普普通雷達(dá)達(dá)采用的的的是微微波,隨隨著雷達(dá)達(dá)技術(shù)電電子技術(shù)術(shù)的提高高,雷達(dá)達(dá)頻率范范圍已從從高頻(幾MHHz)擴(kuò)擴(kuò)展到紫紫外頻段段,但在在實(shí)際應(yīng)應(yīng)用中，根根據(jù)雷達(dá)達(dá)的性能能要求和和實(shí)現(xiàn)條條件，大大多數(shù)雷雷達(dá)工作作在115GGHz的的微波頻頻率范圍圍內(nèi)8。但是是,高于于15GGHz頻頻率時(shí)空空氣中水水分子吸吸收嚴(yán)重重，高于于30GGHz頻頻率時(shí)，

10、在在一些區(qū)區(qū)域氧分分子和水水分子吸吸收急劇劇增大。隨隨著頻率率的提高高，天線線加工困困難，接接收機(jī)內(nèi)內(nèi)外噪聲聲增大，增增加發(fā)射射機(jī)功率率也出現(xiàn)現(xiàn)困難。而激光雷達(dá)由于以激光器為輻射源，其頻率較微波高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，頻率的量變使雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的革命。與普通雷達(dá)相比激光雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是：1.方向性好，波束窄，測(cè)角精度高。2.采取專門的脈沖壓縮技術(shù)，可把脈沖寬度壓縮到幾十納秒（毫微秒）甚至皮秒（微微秒）量級(jí)，峰值功率可達(dá)幾百兆瓦，從而大大提高測(cè)距精度，其測(cè)量精度可達(dá)幾米甚至零點(diǎn)幾米9。3.激光雷達(dá)不受地面雜波干擾，沒有多路徑效應(yīng)，故能在低仰角下工作。4. 極短的波長(zhǎng)使得天線和系統(tǒng)尺寸可以做的很小，在功能相同

11、的情況下，比微波雷達(dá)體積小，重量輕。激光雷達(dá)的主要缺點(diǎn)是受大氣的光傳輸效應(yīng)影響（包括光速、折射率的變化和散射現(xiàn)象）會(huì)使其測(cè)量精度降低，因而不能全天候工作，遇濃霧、雨、雪天氣無法工作；由于波束窄，在大空域中捕獲目標(biāo)困難，須借助引導(dǎo)才能進(jìn)入自跟蹤10。激光雷達(dá)在在測(cè)量精精度、分分辨率、抗抗干擾性性和某些些特定參參數(shù)測(cè)量量能力方方面都是是普通雷雷達(dá)所無無法比擬擬的，因因而理所所當(dāng)然的的引起人人們的極極大重視視，并獲獲得了迅迅速的發(fā)發(fā)展。激激光雷達(dá)達(dá)采用脈脈沖或連連續(xù)波兩兩種工作作方式，探探測(cè)方法法分直接接探測(cè)與與外差探探測(cè)111。激激光雷達(dá)達(dá)的特性性、工作作原理及及其應(yīng)用用，可用用于探測(cè)測(cè)空中水水中

12、和地地面目標(biāo)標(biāo)、導(dǎo)彈彈跟蹤測(cè)測(cè)量、衛(wèi)衛(wèi)星跟蹤蹤測(cè)量、制制導(dǎo)、火火控、大大地測(cè)量量、地震震預(yù)報(bào)、測(cè)測(cè)污氣象象、遙測(cè)測(cè)化學(xué)試試劑、檢檢測(cè)風(fēng)速速、提高高戰(zhàn)爭(zhēng)中中人的安安全性等等12。光電技術(shù)的的應(yīng)用,雖然提提高了武武器系統(tǒng)統(tǒng)的測(cè)量量精度、打打擊效力力和隱蔽蔽性,但但其本身身存在著著弱點(diǎn)。那那就是幾幾乎所有有的光電電系統(tǒng)都都是通過過一定口口徑的光光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng),將目目標(biāo)反射射回來的的光信號(hào)號(hào)匯聚到到一個(gè)高高靈敏度度的光電電傳感器器上,或或是將目目標(biāo)成像像到位于于焦點(diǎn)的的CCDD傳感器器上,這這些傳感感器又與與一高放放大倍數(shù)數(shù)的電路路連接組組成一信信息系統(tǒng)統(tǒng)。光電電傳感器器在接收收光學(xué)信信號(hào)的同同時(shí),會(huì)會(huì)將

13、部分分入射光光信號(hào)按按原路反反射。由由于該部部分反射射能量較較為集中中,其功功率密度度遠(yuǎn)大于于漫反射射目標(biāo),在一定定距離上上根據(jù)二二者的能能量差異異足以區(qū)區(qū)別出目目標(biāo)和背背景13。1.2.33 激激光主動(dòng)動(dòng)成像技技術(shù)根據(jù)有無照照明光源源，成像像系統(tǒng)可可以分為為主動(dòng)成成像和被被動(dòng)成像像系統(tǒng)兩兩種。被被動(dòng)成像像最大的的特點(diǎn)就就是本身身不帶光光源，依依賴于環(huán)環(huán)境或目目標(biāo)的發(fā)發(fā)光，并并最終成成像。主主動(dòng)成像像是指采采用一個(gè)個(gè)人造光光學(xué)輻射射源(一一般為激激光器)和接收收器，其其接收器器用于收收集和探探測(cè)目標(biāo)標(biāo)景物直直接或反反射后的的部分光光輻射，具具有成像像清晰、對(duì)對(duì)比度高高，不受受環(huán)境光光源的影影響

14、等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)14。被動(dòng)動(dòng)成像系系統(tǒng)敏感感的是自自然輻射射光、反反射的日日光或月月光，容容易受到到環(huán)境光光源的影影響。監(jiān)視、搜索索、捕獲獲、跟蹤蹤等光電電成像探探測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)，向來來以“被動(dòng)”成像探探測(cè)為主主要特點(diǎn)點(diǎn)，依賴賴于自然然輻射光光、反射射的日光光或月光光，進(jìn)行行成像，無無須施加加光源對(duì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)進(jìn)行照射射。正因因?yàn)橐员槐粍?dòng)方式式工作，所所以具有有極好的的隱蔽性性，故不不易被對(duì)對(duì)方察覺覺或識(shí)別別155。然然而，這這類被動(dòng)動(dòng)成像系系統(tǒng)在漆漆黑的夜夜晚、空空氣中含含有大量量的煙、塵塵等微粒粒、霧、雨雨、雪等等能見度度低的惡惡劣天氣氣條件下下，即使使最靈敏敏的微光光電視系系統(tǒng)也不不能提供供足夠的的分辨率

15、率和對(duì)比比度，很很難探測(cè)測(cè)識(shí)別目目標(biāo)116。其他他被動(dòng)成成像系統(tǒng)統(tǒng)(例如如熱成像像系統(tǒng)或或FLIIR系統(tǒng)統(tǒng))探測(cè)測(cè)中遠(yuǎn)紅紅外輻射射，主要要是靠場(chǎng)場(chǎng)景溫度度和輻射射率的變變化來提提供圖像像。紅外外輻射受受氣溶膠膠散射影影響小，因因此FLLIR系系統(tǒng)能夠夠在低能能見度條條件下提提供分辨辨率相對(duì)對(duì)高的圖圖像。但但是這類類系統(tǒng)在在溫差變變化很小小甚至沒沒有溫度度變化時(shí)時(shí)，就不不能正常常工作。再者，隨著著武器系系統(tǒng)的發(fā)發(fā)展，在在高技術(shù)術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中中，戰(zhàn)術(shù)術(shù)彈、子子母彈或或常規(guī)兵兵器中，其其目標(biāo)尺尺寸越來來越小。這這些不發(fā)發(fā)光目標(biāo)標(biāo)反射的的太陽能能量較小小，再加加上距離離相對(duì)較較遠(yuǎn)，光光電測(cè)量量設(shè)備接接收到反

16、反射目標(biāo)標(biāo)能量就就更少，難難以成像像。在自自然光照照明被動(dòng)動(dòng)成像測(cè)測(cè)量條件件下，由由于各種種背景輻輻射的影影響，限限制了成成像系統(tǒng)統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距距離目標(biāo)標(biāo)成像測(cè)測(cè)量和精精確跟蹤蹤能力。在在強(qiáng)散射射介質(zhì)中中成像、水水下成像像、遠(yuǎn)程程小暗目目標(biāo)探測(cè)測(cè)、深空空目標(biāo)成成像等領(lǐng)領(lǐng)域，被被動(dòng)成像像系統(tǒng)受受到嚴(yán)重重的挑戰(zhàn)戰(zhàn)，有些些問題無無法解決決。主要要原因是是返回信信號(hào)的能能量很弱弱，或者者背景干干擾非常常嚴(yán)重，有有用的信信號(hào)被干干擾光、背背景光所所淹沒，很很難探測(cè)測(cè)到目標(biāo)標(biāo)177。要要想克服服以上問問題，主主要辦法法是考慮慮增加返返回信號(hào)號(hào)的能量量，減小小背景干干擾。增增加輔助助照明系系統(tǒng)是提提高返回回信號(hào)能

17、能量的有有效手段段。采用用一個(gè)人人造光學(xué)學(xué)輻射源源(一般般為激光光器)對(duì)對(duì)目標(biāo)進(jìn)進(jìn)行照射射，收集集和探測(cè)測(cè)目標(biāo)景景物直接接或反射射后的部部分光輻輻射，就就可以解解決被動(dòng)動(dòng)成像系系統(tǒng)的缺缺點(diǎn)，能能夠獲得得目標(biāo)的的高清晰晰度圖像像，在能能見度低低的惡劣劣天氣條條件下，實(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距距離探測(cè)測(cè)的目的的18。激光具有高高亮度、高高方向性性、高單單色性等等特點(diǎn)使使其成為為一種理理想的光光源。激激光照明明就是利利用激光光的高亮亮度、高高方向性性和高單單色性等等特點(diǎn)，對(duì)對(duì)遠(yuǎn)距離離小暗目目標(biāo)或其其局部進(jìn)進(jìn)行照射射，以增增加返回回信號(hào)的的能量，采采用距離離選通技技術(shù)減小小后向散散射等背背景輻射射的影響響，就可可以克

18、服服被動(dòng)成成像系統(tǒng)統(tǒng)和紅外外成像系系統(tǒng)的缺缺點(diǎn)，獲獲得遠(yuǎn)即即離小暗暗目標(biāo)的的高分辨辨率圖像像，從而而實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)遠(yuǎn)距離離小暗目目標(biāo)的探探測(cè)119。采用脈沖激激光器、選選通CIICD攝攝像機(jī)和和延遲同同步控制制電路等等構(gòu)成的的激光距距離選通通成像系系統(tǒng)能夠夠在黑暗暗狀態(tài)下下或溫度度對(duì)比度度低的條條件下獲獲得目標(biāo)標(biāo)的高分分辨率圖圖像。激激光主動(dòng)動(dòng)成像技技術(shù)不僅僅可以獲獲得目標(biāo)標(biāo)的圖像像信息，而而且可以以獲得目目標(biāo)的距距離信息息，因而而越來越越引起人人們的重重視。激光主動(dòng)成成像探測(cè)測(cè)可直觀觀獲取豐豐富的目目標(biāo)外形形或基本本結(jié)構(gòu)，抑抑制背景景干擾，識(shí)識(shí)別目標(biāo)標(biāo)及目標(biāo)標(biāo)的要害害部位，激激光主動(dòng)動(dòng)成像技技術(shù)越

19、來來越引起起人們的的重視。國國外從第第一臺(tái)激激光器誕誕生不久久，就開開始了激激光主動(dòng)動(dòng)照明技技術(shù)和主主動(dòng)成像像技術(shù)的的研究。國國外己經(jīng)經(jīng)研制出出多種激激光主動(dòng)動(dòng)成像系系統(tǒng)，有有的已經(jīng)經(jīng)成為美美國、加加拿大、瑞瑞典等許許多國家家的制式式裝備，有有的己經(jīng)經(jīng)成功地地應(yīng)用于于實(shí)際的的工程當(dāng)當(dāng)中，并并且發(fā)揮揮了巨大大的作用用，取得得了很好好的效果果。下面面主要介介紹國外外幾種有有代表性性的激光光主動(dòng)成成像系統(tǒng)統(tǒng)。1.2.44 激激光在表表面微觀觀輪廓測(cè)測(cè)量的應(yīng)應(yīng)用在表面微觀觀輪廓精精度的測(cè)測(cè)量中，傳傳統(tǒng)的方方法是接接觸式測(cè)測(cè)量技術(shù)術(shù)，人們們最早評(píng)評(píng)定表面面微觀輪輪廓精度度是采用用標(biāo)準(zhǔn)樣樣件或樣樣塊，通通

20、過肉眼眼觀察或或用手觸觸摸的方方法，對(duì)對(duì)表面粗粗糙度做做出定性性的綜合合評(píng)定。這這種方法法現(xiàn)在已已發(fā)展成成為比較較法。比比較法適適合于車車間條件件下判斷斷較粗糙糙的表面面，其判判斷準(zhǔn)確確程度在在很大程程度上與與檢驗(yàn)人人員的技技術(shù)熟練練程度有有關(guān)。隨著現(xiàn)代加加工技術(shù)術(shù)的迅速速發(fā)展，傳傳統(tǒng)的檢檢測(cè)手段段已越來來越不能能勝任現(xiàn)現(xiàn)代化的的生產(chǎn)要要求，而而具有眾眾多優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)的現(xiàn)代代光電檢檢測(cè)技術(shù)術(shù)，適應(yīng)應(yīng)現(xiàn)代生生產(chǎn)的要要求，以以其巨大大的生命命力而迅迅速發(fā)展展。光電電技術(shù)、激激光技術(shù)術(shù)和計(jì)算算機(jī)技術(shù)術(shù)的發(fā)展展與廣泛泛應(yīng)用，為為表面微微觀輪廓廓精度的的檢測(cè)提提供了新新的手段段。目前前，國內(nèi)內(nèi)外己經(jīng)經(jīng)提出幾幾

21、種非接接觸光電電檢測(cè)的的方法用用于表面面粗糙度度的測(cè)量量，其測(cè)測(cè)量原理理都有所所不同，但但相互之之間交錯(cuò)錯(cuò)聯(lián)系。概概括來說說，表面面微觀輪輪廓精度度的非接接觸測(cè)量量分為四四大類技技術(shù):一一類基于于光學(xué)干干涉原理理的測(cè)量量技術(shù); 一類是是基于散散射原理理的測(cè)量量技術(shù)，還還有光觸觸針式輪輪廓測(cè)量量技術(shù)和和能提供供表面圖圖像或?qū)訉游鰣D的的納米測(cè)測(cè)量技術(shù)術(shù)200。1.2.55 激激光信號(hào)號(hào)檢測(cè)方方法目前常用的的微弱信信號(hào)檢測(cè)測(cè)方法為為二元相相關(guān)檢測(cè)測(cè)技術(shù)，它它是從信信號(hào)的相相關(guān)性和和噪聲的的隨機(jī)性性出發(fā)，通通過相關(guān)關(guān)處理器器件，檢檢測(cè)出微微弱有用用激光信信號(hào)?？伎紤]到激激光主動(dòng)動(dòng)探側(cè)系系統(tǒng)一般般采用跟

22、跟蹤測(cè)量量方式，其其精確的的目標(biāo)位位置數(shù)據(jù)據(jù)是由四四象限探探測(cè)器完完成的。有有人研究究利用四四象限探探測(cè)器對(duì)對(duì)微弱激激光回波波信號(hào)進(jìn)進(jìn)行相關(guān)關(guān)處理的的可行性性，以期期望能大大幅改善善激光主主動(dòng)探測(cè)測(cè)系統(tǒng)的的信噪比比，從而而提高激激光主動(dòng)動(dòng)探測(cè)系系統(tǒng)對(duì)非非合作目目標(biāo)的探探側(cè)能力力。在回回波信號(hào)號(hào)消噪方方面，國國內(nèi)外學(xué)學(xué)者也做做了各種種信號(hào)消消噪和提提高信噪噪比的研研究，其其中有一一種處理理方法叫叫小波消消噪法值值得我們們學(xué)習(xí)21。在分分析激光光主動(dòng)探探測(cè)中回回波信號(hào)號(hào)的噪聲聲特性和和小波變變換去噪噪原理的的基礎(chǔ)上上,提出出了一種種基于最最大信噪噪比準(zhǔn)則則的小波波閾值去去噪方法法。首先先用最大大信

23、噪比比準(zhǔn)則對(duì)對(duì)小波變變換系數(shù)數(shù)進(jìn)行閾閾值選取取,然后后采用軟軟閾值方方法對(duì)小小波系數(shù)數(shù)進(jìn)行量量化處理理后再重重構(gòu)。仿仿真結(jié)果果表明最最大信噪噪比準(zhǔn)則則小波去去噪方法法改善信信噪比效效果十分分顯著,檢測(cè)下下限達(dá)到到-166.2 dB。證證明了該該方法在在激光主主動(dòng)探測(cè)測(cè)系統(tǒng)回回波信號(hào)號(hào)檢測(cè)中中的有效效性。1.3 本論文文的主要要工作內(nèi)內(nèi)容本文研究的的基本問問題是目目標(biāo)特性性與激光光回波功功率的關(guān)關(guān)系，本本文從激激光作用用目標(biāo)的的基本方方程，推推導(dǎo)出激激光對(duì)各各種目標(biāo)標(biāo)的作用用方程，通通過比較較各方程程得出目目標(biāo)的各各種特性性參數(shù)對(duì)對(duì)激光回回波功率率的影響響。本文文研究的的目標(biāo)特特性參數(shù)數(shù)有：目目

24、標(biāo)直徑徑、目標(biāo)標(biāo)距接收收系統(tǒng)距距離、目目標(biāo)反射射率、目目標(biāo)到接接收系統(tǒng)統(tǒng)大氣傳傳輸系數(shù)數(shù)、目標(biāo)標(biāo)輻射立立體角。本本文首先先將目標(biāo)標(biāo)按激光光束在目目標(biāo)上照照射的比比例分為為點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)和擴(kuò)展展目標(biāo)，點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)和和擴(kuò)展目目標(biāo)又均均可分類類為L(zhǎng)aambeertiian球球、2均均勻分布布漫反射射體、44均勻分分布漫反反射體、一一定立體體角內(nèi)均均勻分布布反射體體四類目目標(biāo)模型型。在每每一類目目標(biāo)的激激光作用用方程中中都包含含有目標(biāo)標(biāo)直徑、目目標(biāo)距接接收系統(tǒng)統(tǒng)距離、目目標(biāo)反射射率、目目標(biāo)到接接收系統(tǒng)統(tǒng)大氣傳傳輸系數(shù)數(shù)、目標(biāo)標(biāo)輻射立立體角五五個(gè)目標(biāo)標(biāo)特性參參數(shù)，分分別設(shè)這這五個(gè)特特性參數(shù)數(shù)為變量量，將其其余參數(shù)

25、數(shù)設(shè)為定定值，在在MATTLABB7.00中仿真真就可以以直觀的的看到單單個(gè)目標(biāo)標(biāo)特性參參數(shù)對(duì)激激光回波波功率的的影響。比比較以同同一個(gè)參參數(shù)為變變量的四四類目標(biāo)標(biāo)模型的的激光作作用方程程，就得得出此參參數(shù)在不不同類型型的目標(biāo)標(biāo)中對(duì)激激光回波波功率有有著不同同的作用用。2 激光光雷達(dá)作作用方程程2.1 基本原原理本文主要討討論的是是目標(biāo)反反射體的的不同特特性，對(duì)對(duì)激光脈脈沖輻射射的回波波信號(hào)的的強(qiáng)度的的影響，進(jìn)進(jìn)一步找找出二者者的關(guān)系系。本文文的基本本原理是是，由激激光器對(duì)對(duì)被測(cè)目目標(biāo)發(fā)射射激光脈脈沖，然然后由接接收機(jī)接接收目標(biāo)標(biāo)反射產(chǎn)產(chǎn)生的回回波信號(hào)號(hào)，通過過收發(fā)激激光脈沖沖信號(hào)的的功率強(qiáng)強(qiáng)

26、度來確確定目標(biāo)標(biāo)特性與與激光回回波信號(hào)號(hào)強(qiáng)度的的關(guān)系。2.1.11 激激光雷達(dá)達(dá)作用方方程的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)形式式激光雷達(dá)的的一個(gè)基基本問題題是確定定到達(dá)接接收機(jī)孔孔徑的光光總通量量，從而而確定入入射到探探測(cè)器的的總功率率。激光光雷達(dá)測(cè)測(cè)距方程程通常用用來確定定特定條條件下，激激光雷達(dá)達(dá)對(duì)所測(cè)測(cè)目標(biāo)反反射回來來的激光光信號(hào)的的接收功功率22。激光雷達(dá)作作用距離離方程的的標(biāo)準(zhǔn)形形式為： （2.1）式中，Prr接收收信號(hào)功功率（ww）；m光源源調(diào)制度度；激光源源功率；K光束束截面函函數(shù)；發(fā)射機(jī)機(jī)光學(xué)效效率；接收機(jī)機(jī)光學(xué)效效率；目標(biāo)的的激光雷雷達(dá)截面面積（）；目標(biāo)反反射率；束寬（rrad）；發(fā)射機(jī)機(jī)到目標(biāo)標(biāo)的

27、距離離（m）；目標(biāo)到到探測(cè)器器的距離離（m）；接收系系統(tǒng)直徑徑(m)；光源到到目標(biāo)的的大氣傳傳輸系數(shù)數(shù)；目標(biāo)到到接收器器的大氣氣傳輸系系數(shù)。激光雷達(dá)作作用方程程可以看看成是發(fā)發(fā)射因子子、目標(biāo)標(biāo)特性因因子、和和接收因因子三項(xiàng)項(xiàng)的乘積積形式。此式適用于于目標(biāo)在在發(fā)射遠(yuǎn)遠(yuǎn)場(chǎng)及接接收機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離目目標(biāo)的情情況，對(duì)對(duì)于收發(fā)發(fā)分置和和收發(fā)合合置都適適用。此此時(shí)，目目標(biāo)要按按點(diǎn)建模模，也就就是目標(biāo)標(biāo)的角度度范圍跟跟發(fā)射機(jī)機(jī)束寬和和探測(cè)器器的瞬時(shí)時(shí)視場(chǎng)相相比都非非常小。2.2 激光雷雷達(dá)作用用方程的的特殊形形式設(shè)發(fā)射激光光的功率率為，發(fā)發(fā)散角為為，發(fā)射射系統(tǒng)的的效率為為,則輻輻射強(qiáng)度度即單位位立體角角內(nèi)的輻輻射

28、功率率： （2.2）其中，為目目標(biāo)距發(fā)發(fā)射處距距離。接接收系統(tǒng)統(tǒng)透鏡面面積這里里認(rèn)為在在發(fā)散角角內(nèi)輻射射強(qiáng)度是是均勻的的，若不不是均勻勻的，設(shè)設(shè)激光束束強(qiáng)度分分布函數(shù)數(shù)為K，則則上式可可寫為 （22.3）對(duì)于不同特特性的目目標(biāo)，可可以分為為點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)和擴(kuò)展展目標(biāo)，點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)和和擴(kuò)展目目標(biāo)又均均可分為為L(zhǎng)ammberrtiaan球、22pi均均勻分布布漫反射射體、44pi均均勻分布布漫反射射體、一一定立體體角內(nèi)均均勻分布布反射體體五種類類型的目目標(biāo)23。其中，設(shè)目目標(biāo)距發(fā)發(fā)射器的的距離為為，大氣氣透過率率為，目目標(biāo)面積積為，接接收系統(tǒng)統(tǒng)透鏡面面積為，距距目標(biāo)為為，接收收系統(tǒng)通通過率為為，大氣氣透過率

29、率為。2.2.11 點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)目標(biāo)即目目標(biāo)面積積小于激激光束的的光斑面面積，即即則，目標(biāo)接接收到光光功率為為： （22.4）設(shè)目標(biāo)的漫漫反射系系數(shù)為，則則反射的的光功率率： （22.5）其中，點(diǎn)目目標(biāo)又可可分以下下幾種模模型來研研究。(a) 將將反射體體看成LLambberttiann球反射體的亮亮度為BB，則由由得： （22.6）若接收功率率為，則則： （22.7）將（2.33）式和和（2.5）式式代入（22.7）式式，得： = = = （22.8）其中，為目目標(biāo)反射射體的直直徑，為為接收系系統(tǒng)的直直徑。(b) 把把目標(biāo)看看成2立立體角內(nèi)內(nèi)均勻漫漫反射適用于反射射光在22立體角角內(nèi)是均均勻分

30、布布的目標(biāo)標(biāo)反射體體，則反反射體的的輻射強(qiáng)強(qiáng)度即單單位立體體角內(nèi)的的輻射功功率為： （2.9）接收系統(tǒng)接接收到輻輻射功率率為： （22.100）把（2.33），（22.4），（22.5），（22.9）帶帶入（22.100）得： （2.11）(c) 把把目標(biāo)看看成4立立體角內(nèi)內(nèi)均勻漫漫反射適用于反射射光在44立體角角內(nèi)是均均勻分布布的目標(biāo)標(biāo)反射體體，則反反射體的的輻射強(qiáng)強(qiáng)度即單單位立體體角內(nèi)的的輻射功功率為： （2.12）接收系統(tǒng)接接收到輻輻射功率率為： （2.13）把（2.33），（22.4），（22.122）帶入入（2.13）得得： （22.144）(d) 若若目標(biāo)反反射光在在發(fā)散角角內(nèi)均勻

31、勻分布球冠面積為為：則接收系統(tǒng)統(tǒng)接收的的回波功功率： （22.155）將（2.22），（22.4）代代入（22.155）得： （2.16）將 代入入（2.16）得得： （22.177）2.2.22 擴(kuò)擴(kuò)展目標(biāo)標(biāo)擴(kuò)展目標(biāo)是是面積大大于激光光束截面面積的目目標(biāo)，即即由于目標(biāo)面面積大于于激光光光斑面積積，所以以目標(biāo)有有效反射射面積就就是光斑斑面積，即即： （2.18）將（2.22），（22.4），（22.188）代入入（2.5）得得目標(biāo)的的反射光光功率： （2.19）(a) 目目標(biāo)可以以看成LLambberttiann球按照前面點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)的的的計(jì)算算方法，可可以得出出接收系系統(tǒng)接收收到的目目標(biāo)的反反射

32、功率率： （22.200）(b) 目目標(biāo)可以以看成22立體角角均勻漫漫反射體體目標(biāo)的輻射射強(qiáng)度，即即單位立立體角內(nèi)內(nèi)輻射的的功率為為： 接收收系統(tǒng)接接收到的的目標(biāo)的的反射功功率：= （22.211）(c) 目目標(biāo)看成成4立體體角均勻勻漫反射射體目標(biāo)的輻射射強(qiáng)度，即即單位立立體角內(nèi)內(nèi)輻射的的功率為為：接收系統(tǒng)接接收到的的目標(biāo)的的反射功功率： （22.222）(d) 目目標(biāo)反射射體在發(fā)發(fā)散角內(nèi)內(nèi)均勻分分布由公式（22.155）可得得出接收收系統(tǒng)接接收到的的目標(biāo)的的反射功功率： （22.233）2.3 本章小小結(jié)在本章中，將將目標(biāo)按按激光束束在目標(biāo)標(biāo)上照射射的比例例分為點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)和和擴(kuò)展目目標(biāo)，點(diǎn)點(diǎn)目

33、標(biāo)和和擴(kuò)展目目標(biāo)又分分類為L(zhǎng)Lambberttiann球、22均勻分分布漫反反射體、44均勻分分布漫反反射體、一一定立體體角內(nèi)均均勻分布布反射體體四類目目標(biāo)模型型。本章章從激光光作用目目標(biāo)的基基本方程程，推導(dǎo)導(dǎo)出了激激光對(duì)各各種目標(biāo)標(biāo)的作用用方程，其其中包含含的目標(biāo)標(biāo)特性參參數(shù)有：目標(biāo)直直徑、目目標(biāo)距接接收系統(tǒng)統(tǒng)距離、目目標(biāo)反射射率、目目標(biāo)到接接收系統(tǒng)統(tǒng)大氣傳傳輸系數(shù)數(shù)、目標(biāo)標(biāo)輻射發(fā)發(fā)散角。3 影響響激光回回波功率率的目標(biāo)標(biāo)特性從公式（22.8）、（22.111）、（22.144）、（22.177）、（22.200）、（22.211）、（22.222）和（22.233）可以以看出，影影響激光光

34、回波功功率的參參數(shù)有：激光器器的功率率，發(fā)射射系統(tǒng)光光學(xué)效率率，接收收系統(tǒng)光光學(xué)效率率，發(fā)射射系統(tǒng)大大氣透過過率，接接收系統(tǒng)統(tǒng)大氣透透過率，目目標(biāo)反射射率，目目標(biāo)直徑徑，接收收鏡面直直徑，發(fā)發(fā)射距離離，接收收距離，目目標(biāo)反射射的發(fā)散散角。其其中，屬屬于目標(biāo)標(biāo)特性的的參數(shù)是是：目標(biāo)標(biāo)反射率率，目標(biāo)標(biāo)直徑，發(fā)發(fā)射距離離，目標(biāo)標(biāo)反射的的發(fā)散角角，目標(biāo)標(biāo)到接收收機(jī)的大大氣傳輸輸系數(shù)。本本文將以以這五個(gè)個(gè)參數(shù)作作為目標(biāo)標(biāo)特性，來來研究目目標(biāo)特性性與激光光回波信信號(hào)強(qiáng)度度的關(guān)系系。比較以上各各公式，可可見各個(gè)個(gè)不同文文獻(xiàn)中的的公式只只是對(duì)目目標(biāo)物體體的特性性假設(shè)不不同，而而且對(duì)于于同一目目標(biāo)類型型（點(diǎn)目目

35、標(biāo)或擴(kuò)擴(kuò)展目標(biāo)標(biāo)）對(duì)回回波功率率的影響響只是相相差一個(gè)個(gè)常數(shù)倍倍，沒有有本質(zhì)的的區(qū)別。由由于對(duì)于于一般的的主動(dòng)探探測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)有，以上上各式可可以進(jìn)一一步簡(jiǎn)化化。其中T是大大氣透過過率，大大氣對(duì)激激光傳輸輸?shù)闹饕绊懹杏形铡⑸⑸⑸浜屯耐牧?，此此外還有有色散和和折射等等。吸收收和散射射的總效效果使激激光傳輸輸?shù)哪芰苛克p，接接收信號(hào)號(hào)減弱。湍湍流會(huì)引引起激光光束的彎彎曲和離離散，使使輻照在在目標(biāo)特特定點(diǎn)上上的強(qiáng)度度發(fā)生變變化，產(chǎn)產(chǎn)生閃爍爍和抖動(dòng)動(dòng)，影響響激光系系統(tǒng)的作作用距離離和精度度。色散散限制了了光學(xué)系系統(tǒng)的光光學(xué)帶寬寬。本文文只考慮慮了大氣氣對(duì)激光光傳輸?shù)牡膬煞N主主要影響響：吸收收和散射射

36、。單色色輻射在在大氣中中的透射射率：式中為衰減減系數(shù)，LL為輻射射透過的的路程長(zhǎng)長(zhǎng)度。衰衰減系數(shù)數(shù)可表示示為：式中是散射射系數(shù)，是吸收系數(shù)，下標(biāo)m和分別表示分子和氣溶膠。計(jì)算中采用用的參數(shù)數(shù)如下：激光器器發(fā)射功功率Pee=20000kkw，接接收光學(xué)學(xué)口徑，發(fā)發(fā)射光學(xué)學(xué)效率，接接收光學(xué)學(xué)效率，發(fā)發(fā)射激光光束函數(shù)數(shù)K=44，激光光發(fā)散角角。3.1 目標(biāo)反反射率要找目標(biāo)反反射率與與激光回回波功率率的關(guān)系系，即把把目標(biāo)反反射率作作為單一一自變量量，其余余各參數(shù)數(shù)均視為為定量。將將其余參參數(shù)定為為：m，rr=300km.。在一一定立體體角內(nèi)均均勻分布布反射體體中，將將輻射立立體角設(shè)設(shè)為224。從以上上

37、公式可可以得出出，目標(biāo)標(biāo)的反射射率與激激光回波波功率成成正相關(guān)關(guān)，即激激光回波波功率隨隨目標(biāo)的的反射率率增大而而增大。3.1.11 對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)在目標(biāo)處激激光束的的截面面面積為，令令目標(biāo)面面積等于于激光束束截面積積得：=將r=300km, =0.5mrrad代代入上式式得：=15m為點(diǎn)目標(biāo)和和擴(kuò)展目目標(biāo)的臨臨界值，即即點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)為：115m。將以上參數(shù)數(shù)分別代代入各激激光回波波功率的的公式得得：(a) 根根據(jù)公式式(2.8)得得Lambberttiann球的激激光回波波功率為為：= =1.7688(b) 根根據(jù)公式式(2.11)得2均均勻分布布漫反射射體的激激光回波波功率為為： =8.84(c

38、) 根根據(jù)公式式（2.14）得得4均勻勻分布漫漫反射體體的激光光回波功功率為：=4.422(d) 根根據(jù)公式式（2.17）得得固定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體的激激光回波波功率為為： =1.33將以上四個(gè)個(gè)公式通通過編輯輯程序在在MATTLABB中仿真真，得到到圖3.1：圖3.1 點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)反射率率與激光光回波功功率的關(guān)關(guān)系從圖3.11可以看看出，對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)，目目標(biāo)反射射率與激激光回波波功率成成正相關(guān)關(guān)，圖中中在目標(biāo)標(biāo)反射率率相同時(shí)時(shí)，目標(biāo)標(biāo)的激光光回波功功率從大大到小依依次是固固定立體體角均勻勻分布反反射體、LLambberttiann球、22均勻分分布漫反反射體、和和4均勻勻分布漫漫反

39、射體體。從公公式中也也可以看看出，LLambberttiann球、22均勻分分布漫反反射體、和和4均勻勻分布漫漫反射體體三中目目標(biāo)模型型的激光光回波功功率依次次成二倍倍的關(guān)系系，而一一定立體體角內(nèi)均均勻分布布反射體體的激光光回波則則和選取取的輻射射發(fā)散角角有關(guān)。3.1.22 對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)擴(kuò)展目標(biāo)即即155m，任任選一個(gè)個(gè)大于115m的的值作為為，設(shè)=220m。將以上參數(shù)分別代入各激光回波功率的公式得：(a) 根根據(jù)公式式(2.20)得Lambberttiann球的激激光回波波功率為為： =4.97(b) 根根據(jù)公式式(2.21)得2均均勻漫反反射體的的激光回回波功率率為： =2.49(c)

40、 根根據(jù)公式式（2.22）得得4均勻勻漫反射射體的激激光回波波功率為為： =11.244(d) 根根據(jù)公式式（2.23）得得固定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體的激激光回波波功率為為： =1.4475將以上結(jié)果果在MAATLAAB中編編程并仿仿真得到到圖3.2:圖3.2 擴(kuò)展目目標(biāo)反射射率與激激光回波波功率的的關(guān)系圖3.2中中當(dāng)目標(biāo)標(biāo)反射率率相同時(shí)時(shí)，擴(kuò)展展目標(biāo)的的激光回回波功率率從大到到小依次次是固定定立體角角均勻分分布反射射體、LLambberttiann球、22均勻分分布漫反反射體、和和4均勻勻分布漫漫反射體體。影響響目標(biāo)反反射率的的因素有有目標(biāo)的的顏色、形形狀、材材質(zhì)、和和表面粗粗糙程度

41、度等，此此外，目目標(biāo)反射射率還會(huì)會(huì)因激光光器采用用的波段段、顏色色的不同同而改變變。從圖圖3.22可以看看出，對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)，目目標(biāo)反射射率同樣樣與激光光回波功功率成正正相關(guān)。因因此，對(duì)對(duì)于任何何目標(biāo)，目目標(biāo)的反反射率與與激光回回波功率率成正比比。目標(biāo)反射率率受到目目標(biāo)顏色色、形狀狀、材質(zhì)質(zhì)、表面面粗糙程程度等性性質(zhì)的影影響。如如：在其其他性質(zhì)質(zhì)相同的的情況下下，淺色色目標(biāo)要要比深色色目標(biāo)的的反射率率高，相相應(yīng)激光光回波功功率也大大；金屬屬材質(zhì)目目標(biāo)比有有機(jī)材質(zhì)質(zhì)目標(biāo)反反射率高高，相應(yīng)應(yīng)激光回回波功率率也大；表面粗粗糙程度度低的目目標(biāo)比表表面粗糙糙程度高高的目標(biāo)標(biāo)的反射射率高，相相應(yīng)的激激光

42、回波波功率也也大225。3.2 目標(biāo)直直徑要找目標(biāo)直直徑與激激光回波波功率的的關(guān)系，即即把目標(biāo)標(biāo)直徑作作為單一一自變量量，其余余各參數(shù)數(shù)均視為為定量。將將目標(biāo)特特性的其其余參數(shù)數(shù)定為：=0.2，rr=300km. 在一一定立體體角內(nèi)均均勻分布布反射體體中，將將輻射立立體角設(shè)設(shè)為。3.2.11 對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)根據(jù)以上推推導(dǎo)，在在r=330kmm處區(qū)分分點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)和擴(kuò)展展目標(biāo)的的臨界值值為155，即點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)為為直徑DD15mm的目標(biāo)標(biāo)。將以以上參數(shù)數(shù)分別代代入各激激光回波波功率的的公式得得：(a) 根根據(jù)公式式(2.20)得Lambberttiann球的激激光回波波功率為為： =9.9455(b)

43、根根據(jù)公式式(2.21)得2均均勻分布布漫反射射體的激激光回波波功率為為： =4.97(c) 根根據(jù)公式式（2.22）得得4均勻勻分布漫漫反射體體的激光光回波功功率為： =22.4668(d) 根根據(jù)公式式（2.23）得得固定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體的激激光回波波功率為為： =2.9925將以上結(jié)果果在MAATLAAB中編編程并仿仿真得到到圖3.4圖3.4 擴(kuò)展目目標(biāo)直徑徑與激光光回波功功率的關(guān)關(guān)系從圖3.44可以看看出，對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)，激激光回波波功率是是一定值值，不隨隨目標(biāo)直直徑的改改變而改改變。這這是因?yàn)闉楫?dāng)目標(biāo)標(biāo)成為擴(kuò)擴(kuò)展目標(biāo)標(biāo)時(shí)，激激光束的的光斑只只能照射射在目標(biāo)標(biāo)上的某某一

44、快區(qū)區(qū)域，超超過激光光束光斑斑面積的的那部分分目標(biāo)無無法反射射出激光光回波，這這樣，對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)其其直徑與與激光回回波功率率的函數(shù)數(shù)曲線就就成為水水平直線線。圖中中回波功功率從大大到小依依次是固固定立體體角均勻勻分布反反射體、LLambberttiann球、22均勻分分布漫反反射體、和和4均勻勻分布漫漫反射體體。比較較圖3.3和圖圖3.44，可以以看出，擴(kuò)擴(kuò)展目標(biāo)標(biāo)的四種種模型的的激光回回波功率率均大于于點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)的四種種模型的的激光回回波功率率，這也也在一定定程度上上反映了了目標(biāo)直直徑和激激光回波波功率正正比的關(guān)關(guān)系。通過圖3.3和圖圖3.44得出：目標(biāo)直直徑對(duì)激激光回波波功率的的影響與與

45、目標(biāo)類類型有關(guān)關(guān)，對(duì)于于點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)，目標(biāo)標(biāo)直徑和和激光回回波功率率成正比比關(guān)系；對(duì)于擴(kuò)擴(kuò)展目標(biāo)標(biāo)，目標(biāo)標(biāo)直徑和和激光回回波功率率無關(guān)，激激光回波波功率為為一定值值。3.3 目標(biāo)距距離要找目標(biāo)距距離與激激光回波波功率的的關(guān)系，即即把目標(biāo)標(biāo)距離作作為單一一自變量量，其余余各參數(shù)數(shù)均視為為定量。將將目標(biāo)特特性的其其余參數(shù)數(shù)定為：=0.2，DD=1mm 。在在一定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體中，將將輻射立立體角設(shè)設(shè)為。根據(jù)點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)和擴(kuò)展展目標(biāo)的的定義，很很容易發(fā)發(fā)現(xiàn)如果果目標(biāo)直直徑已選選定，則則目標(biāo)距距離就是是決定目目標(biāo)是點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)還還是擴(kuò)展展目標(biāo)的的唯一參參數(shù)。由由于以上上各參數(shù)數(shù)的研究究都采用用的目

46、標(biāo)標(biāo)距離是是1000km，而而1000km也也是激光光主動(dòng)探探測(cè)技術(shù)術(shù)中比較較常用的的探測(cè)范范圍，因因此要建建立盡可可能覆蓋蓋0-1100kkm范圍圍內(nèi)的目目標(biāo)距離離和激光光回波功功率的關(guān)關(guān)系，需需分別選選取目標(biāo)標(biāo)直徑使使得目標(biāo)標(biāo)在0-1000km內(nèi)內(nèi)始終是是點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)或始終終是擴(kuò)展展目標(biāo)。3.3.11 對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)設(shè)接收光學(xué)學(xué)口徑，激激光發(fā)散散角，為為保證00-1000kmm內(nèi)目標(biāo)標(biāo)是絕對(duì)對(duì)的點(diǎn)目目標(biāo)，目目標(biāo)直徑徑的設(shè)置置不能超超過光學(xué)學(xué)口徑00.2mm，因此此對(duì)于點(diǎn)點(diǎn)目標(biāo)本本文設(shè)目目標(biāo)直徑徑等于光光學(xué)口徑徑，即。將將這些參參數(shù)分別別代入各各激光回回波公式式得到如如下：(a) 根根據(jù)公式式(

47、2.8)得得Lambberttiann球的激激光回波波功率為為：= =(b) 根根據(jù)公式式(2.11)得2均均勻分布布漫反射射體的激激光回波波功率為為： =(c) 根根據(jù)公式式（2.14）得得4均勻勻分布漫漫反射體體的激光光回波功功率為： =(d) 根根據(jù)公式式（2.17）得得固定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體的激激光回波波功率為為： =將以上結(jié)果果在MAATLAAB中編編程并仿仿真得到到圖3.5：圖3.5 點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)距離與與激光回回波功率率的關(guān)系系從圖3.55可以看看出，對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)，目目標(biāo)的直直徑與激激光回波波功率成成正相關(guān)關(guān)。圖中中回波功功率從大大到小依依次是固固定立體體角均勻勻分布反反

48、射體、LLambberttiann球、22均勻分分布漫反反射體、和和4均勻勻分布漫漫反射體體。3.3.22 對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)根據(jù)以上參參數(shù)，先先計(jì)算出出目標(biāo)在在1000km處處是點(diǎn)目目標(biāo)或擴(kuò)擴(kuò)展目標(biāo)標(biāo)直徑的的臨界值值。在目目標(biāo)處激激光束的的截面面面積為，令令目標(biāo)面面積等于于激光束束截面積積得：=將r=1000kmm，=00.5mmradd代入上上式得：=50m為點(diǎn)目標(biāo)和和擴(kuò)展目目標(biāo)的臨臨界值，即即點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)為：550m。因因此研究究擴(kuò)展目目標(biāo)距離離與激光光回波功功率的關(guān)關(guān)系中，為為保證目目標(biāo)在00-1000kmm內(nèi)為擴(kuò)擴(kuò)展目標(biāo)標(biāo)，需設(shè)設(shè)目標(biāo)直直徑大于于等于550m，這這里設(shè)目目標(biāo)直徑徑=500m

49、。將將以上參參數(shù)分別別代入各各激光回回波功率率的公式式得：(a) 根根據(jù)公式式(2.20)得Lambberttiann球的激激光回波波功率為為： = (b) 根根據(jù)公式式(2.21)得2均均勻分布布漫反射射體的激激光回波波功率為為： = (c) 根根據(jù)公式式（2.22）得得4均勻勻分布漫漫反射體體的激光光回波功功率為： = (d) 根根據(jù)公式式（2.23）得得固定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體的激激光回波波功率為為： = 將以上結(jié)果果在MAATLAAB中編編程并仿仿真得到到圖3.6：圖3.6 擴(kuò)展目目標(biāo)距離離與激光光回波功功率的關(guān)關(guān)系從圖3.66可以看看出，對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)，目目標(biāo)的直直徑與激激

50、光回波波功率成成正相關(guān)關(guān)圖中回回波功率率從大到到小依次次是固定定立體角角均勻分分布反射射體、LLambberttiann球、22均勻分分布漫反反射體、和和4均勻勻分布漫漫反射體體。從點(diǎn)目標(biāo)和和擴(kuò)展目目標(biāo)的公公式中可可以看出出，點(diǎn)目目標(biāo)的激激光回波波功率與與點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)距離的的四次方方成反比比，擴(kuò)展展目標(biāo)的的激光回回波功率率與擴(kuò)展展目標(biāo)的的距離的的二次方方成反比比。因此此，隨目目標(biāo)距離離的增加加，激光光回波功功率變化化的速度度很快，對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)，從從圖3.5看到到目標(biāo)距距離從110kmm到1000kmm其激光光回波功功率的變變化跨度度達(dá)四個(gè)個(gè)數(shù)量級(jí)級(jí)。而對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)，從從圖3.6看出出目標(biāo)距距

51、離從110kmm到1000kmm，其激激光回波波功率變變化的跨跨度達(dá)到到八個(gè)數(shù)數(shù)量級(jí)，明明顯比33.1節(jié)節(jié)中目標(biāo)標(biāo)反射率率對(duì)激光光回波功功率的影影響大。3.4 目標(biāo)到到接收器器的大氣氣傳輸系系數(shù)因?yàn)槟繕?biāo)所所處的位位置不同同，其大大氣的傳傳輸系數(shù)數(shù)也不同同，所以以本文將將目標(biāo)到到接收器器的大氣氣傳輸系系數(shù)也視視為目標(biāo)標(biāo)的特性性。要建建立目標(biāo)標(biāo)距離與與激光回回波功率率的關(guān)系系，需把把目標(biāo)距距離作為為單一自自變量，其其余各參參數(shù)均視視為定量量。將目目標(biāo)特性性的其余余參數(shù)定定為：=0.22，D=1m ，r=30kkm。在在一定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體中，將將輻射立立體角設(shè)設(shè)為。3.4.11 對(duì)對(duì)

52、于點(diǎn)目目標(biāo)將參數(shù)分別別代入各各激光回回波公式式得到如如下：(a) 根根據(jù)公式式(2.8)得得Lambberttiann球的激激光回波波功率為為：= =(b) 根根據(jù)公式式(2.11)得2均均勻分布布漫反射射體的激激光回波波功率為為： =(c) 根根據(jù)公式式（2.14）得得4均勻勻分布漫漫反射體體的激光光回波功功率為： =(d) 根根據(jù)公式式（2.17）得得固定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體的激激光回波波功率為為： =將以上結(jié)果果在MAATLAAB中編編程并仿仿真得到到圖3.7：圖3.7 點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)到接收收機(jī)大氣氣傳輸系系數(shù)與激激光回波波功率的的關(guān)系從圖3.77可以看看出，對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)，目目標(biāo)到

53、接接收機(jī)的的大氣傳傳輸系數(shù)數(shù)與激光光回波功功率成正正相關(guān)，圖圖中在目目標(biāo)到接接收機(jī)大大氣傳輸輸系數(shù)相相同時(shí)，目目標(biāo)的激激光回波波功率從從大到小小依次是是固定立立體角均均勻分布布反射體體、Laambeertiian球球、2均均勻分布布漫反射射體、和和4均勻勻分布漫漫反射體體。3.4.22 對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)將以上參數(shù)數(shù)分別代代入各激激光回波波功率的的公式得得：(a) 根根據(jù)公式式(2.20)得Lambberttiann球的激激光回波波功率為為： = (b) 根根據(jù)公式式(2.21)得2均均勻分布布漫反射射體的激激光回波波功率為為： = (c) 根根據(jù)公式式（2.22）得得4均勻勻分布漫漫反射體體的

54、激光光回波功功率為： = (d) 根根據(jù)公式式（2.23）得得固定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體的激激光回波波功率為為： = 將以上結(jié)果果在MAATLAAB中編編程并仿仿真得到到圖3.8圖3.8 擴(kuò)展目目標(biāo)到接接收機(jī)大大氣傳輸輸系數(shù)與與激光回回波功率率的關(guān)系系從圖3.88可以看看出，對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)，目目標(biāo)到接接收機(jī)的的大氣傳傳輸系數(shù)數(shù)與激光光回波功功率同樣樣成正相相關(guān)，圖圖中在目目標(biāo)到接接收機(jī)大大氣傳輸輸系數(shù)相相同時(shí)，目目標(biāo)的激激光回波波功率從從大到小小依次是是固定立立體角均均勻分布布反射體體、Laambeertiian球球、2均均勻分布布漫反射射體、和和4均勻勻分布漫漫反射體體。因此此可以

55、得得出對(duì)于于任何目目標(biāo)，目目標(biāo)到接接收機(jī)的的大氣傳傳輸系數(shù)數(shù)與激光光回波功功率成正正比。用用圖3.7、圖圖3.88和圖33.1、圖圖3.22做比較較，可以以看出目目標(biāo)到接接收機(jī)大大氣傳輸輸系數(shù)和和目標(biāo)反反射率兩兩個(gè)參數(shù)數(shù)對(duì)激光光回波功功率具有有相同的的影響，即即激光回回波功率率都與它它們的一一次方成成正比。與其它目標(biāo)標(biāo)特性參參數(shù)一樣樣，在以以目標(biāo)到到接收機(jī)機(jī)大氣傳傳輸系數(shù)數(shù)為變量量的激光光作用方方程中LLambberttiann球、22均勻分分布漫反反射體、和和4均勻勻分布漫漫反射體體三種目目標(biāo)模型型的激光光回波功功率同樣樣依次成成二倍的的關(guān)系，而而一定立立體角內(nèi)內(nèi)均勻分分布反射射體的激激光回

56、波波則和選選取的輻輻射發(fā)散散角有關(guān)關(guān)。3.5 目標(biāo)輻輻射夾角角對(duì)目標(biāo)輻射射夾角對(duì)對(duì)激光回回波功率率的影響響的研究究，只適適用于目目標(biāo)可看看作是一一定立體體角內(nèi)均均勻分布布的反射射體的情情況。要要找目標(biāo)標(biāo)輻射夾夾角與激激光回波波功率的的關(guān)系，即即把目標(biāo)標(biāo)輻射夾夾角作為為單一自自變量，其其余各參參數(shù)均視視為定量量。將目目標(biāo)特性性的其余余參數(shù)定定為：=0.22，D=1m，rr=300km ，目標(biāo)標(biāo)輻射夾夾角作為為自變量量的變化化范圍選選取0-。3.5.11 對(duì)對(duì)于點(diǎn)目目標(biāo)將以上參數(shù)數(shù)代入公公式（22.177）得固固定立體體角內(nèi)均均勻分布布反射體體的激光光回波功功率為： 將以上結(jié)果果在MAATLAAB

57、中編編程并仿仿真得到到圖3.9：圖3.9 點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)輻射夾夾角與激激光回波波功率的的關(guān)系從圖3.99看出，激激光回波波功率隨隨目標(biāo)輻輻射夾角角增大而而遞減，從從公式中中可以看看出，激激光回波波功率與與目標(biāo)輻輻射夾角角正弦的的二次方方成反比比。3.5.22 對(duì)對(duì)于擴(kuò)展展目標(biāo)將以上參數(shù)數(shù)代入公公式（22.233）得固固定立體體角內(nèi)均均勻分布布反射體體的激光光回波功功率為：在MATLLAB中中編程并并仿真得得到圖33.100：圖3.100 擴(kuò)展展目標(biāo)輻輻射夾角角與激光光回波功功率的關(guān)關(guān)系圖3.100中的曲曲線和圖圖3.99中的曲曲線相同同，只是是擴(kuò)展目目標(biāo)的激激光回波波功率是是點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)的激光光回波功功

58、率的一一個(gè)整數(shù)數(shù)倍。從從公式中中可以看看出，激激光回波波功率與與目標(biāo)輻輻射夾角角正弦的的二次方方成反比比，而在在角度很很小的情情況下以以弧度制制表示的的角度的的正弦值值可以近近似視為為角度值值，因此此，在輻輻射夾角角比較小小的情況況下，激激光回波波功率與與目標(biāo)輻輻射夾角角的二次次方成反反比，此此時(shí)目標(biāo)標(biāo)輻射夾夾角對(duì)激激光回波波功率的的影響程程度與目目標(biāo)直徑徑大致相相同，只只是后者者是與激激光回波波功率成成正相關(guān)關(guān)，而目目標(biāo)輻射射夾角與與激光回回波成負(fù)負(fù)相關(guān)。隨隨著目標(biāo)標(biāo)輻射角角度的增增大，其其對(duì)激光光回波功功率的影影響程度度逐漸降降低。3.6 本章小小結(jié)本章主要對(duì)對(duì)目標(biāo)特特性參數(shù)數(shù)對(duì)激光光回波

59、功功率的影影響進(jìn)行行了定量量的分析析并在MMATLLAB中中進(jìn)行了了仿真。分分別對(duì)目目標(biāo)直徑徑、目標(biāo)標(biāo)反射率率、目標(biāo)標(biāo)到接收收機(jī)的大大氣傳輸輸系數(shù)、目目標(biāo)到接接收機(jī)距距離、目目標(biāo)輻射射夾角五五個(gè)目標(biāo)標(biāo)特性參參數(shù)進(jìn)行行單一變變量分析析，得出出以下結(jié)結(jié)論：目目標(biāo)直徑徑、目標(biāo)標(biāo)到接收收機(jī)的大大氣傳輸輸系數(shù)、目目標(biāo)反射射率與激激光回波波功率成成正相關(guān)關(guān)；目標(biāo)標(biāo)到探測(cè)測(cè)器的距距離、目目標(biāo)的輻輻射夾角角與激光光回波功功率成負(fù)負(fù)相關(guān)。4 總結(jié)4.1 論文研研究意義義激光主動(dòng)探探式測(cè)技技術(shù)涉及及的一個(gè)個(gè)關(guān)鍵問問題是：準(zhǔn)確掌掌握目標(biāo)標(biāo)特性與與激光回回波信號(hào)號(hào)強(qiáng)度之之間的關(guān)關(guān)系，并并建立激激光探測(cè)測(cè)方程。各各激光

60、探探測(cè)方程程的聯(lián)系系與區(qū)別別，與所所采用的的不同的的目標(biāo)反反射模型型有關(guān)。本文從激光探測(cè)目標(biāo)的基本方程，推導(dǎo)出了激光對(duì)各種目標(biāo)模型的探測(cè)方程，并通過比較各方程，得出目標(biāo)的各種特性參數(shù)對(duì)激光回波功率的影響，并將各探測(cè)方程在MATLAB7.0中仿真，這樣就直觀的看到了單個(gè)目標(biāo)特性參數(shù)對(duì)激光回波功率的影響，這對(duì)激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中參數(shù)的設(shè)置有重要的參考價(jià)值。4.2 論文的的工作內(nèi)內(nèi)容本文研究的的基本問問題是目目標(biāo)特性性與激光光回波功功率的關(guān)關(guān)系，本本文從激激光作用用目標(biāo)的的基本方方程，推推導(dǎo)出了了激光對(duì)對(duì)各種目目標(biāo)的作作用方程程，通過過比較各各方程得得出目標(biāo)標(biāo)的各種種特性參參數(shù)對(duì)激激光回波波功率的的影