目标反射特性与激光回波信号强度关系研究

清华大学2012届毕业论文第1页共37页1绪论1.1本课题研究意义激光主动探式测技术为空间目标监视和探测的重要手段，除了能够克服光电被动探测以及单站探测的缺点，还可同时对目标进行激光对抗。其涉及的首要问题是：对非合作目标来说，如何能可靠、准确地探测到激光经目标散射后产生的微弱激光信号。因为对非合作目标能接受的激光信号为目标对激光的漫反射，其强度很低；此外，探测激光经大气的远程传输到达目标上,再由目标反射后经大气传输返回到接收器。在激光大气传输过程中，激光与大气相互作用将产生各种线性、非线性效应，导致激光强度发生严重衰减、光束发散和飘移，致使接收器的微弱激光信号探测成为远距离激光主动探测的难点问题。更为重要的是，激光主动探测的回波信号受目标的不同特性影响，其主要包括目标的直径、距离、辐射角度、表面反射率等因素，而目标的这些特性又受到目标颜色、大小、材质、表面粗糙程度等性质的影响。除目标本身外，大气的成分以及激光束的发射仰角等也是影响主动探测中激光回波功率的重要因素。因此，准确的找到目标反射特性与主动探测激光的回波信号强度之间的关系，是研究激光主动探测技术的关键，对激光雷达系统参数的设置具有重要的参考意义。1.2国内外发展现状1.2.1激光测距光电测距仪是用光波作为载波的测距仪器。光电测距是研究比较早的一种物理测距方法，但实际应用到大地测量则是在1948年以后。早期的光电测距仪大都采用白炽灯、高压汞灯等作为光源，并且由于受当时电子元件的限制，致使仪器较重，操作和计算都较复杂，且多在夜间观测，因而在工程测量中很少应用[1]。六十年代初期，出现了激光技术，这对光电测距仪的发展起了极大的推动作用。由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等特点，因此特别适合作为光电测距仪的光源。由于激光的亮度高、方向性强，因而可加大仪器测程，并克服了仪器只能在夜间作业的局限性，同时也有利于缩小光学系统的口径，从而减小仪器的体积和清华大学2012届毕业论文第2页共37页重量；由于激光的单色性好，受大气条件变化的影响较小，使得在不同的外界条件下同样可以得到较高的测距精度[2]。现在国内市场上的测距仪主要有两种，一种是采用发光二极管作为光源的测距仪，如江苏常州大地测量厂生产的D3000系列测距仪，其测程最大可达4.5Km；一种是采用半导体激光器作为光源的测距仪，如瑞士Leica公司的Lite5、Classic5等，测程在200m内，测量精度可达±3mm[3]。但市场上还没有一种采用半导体激光器作光源的测距仪，不但测程长，还可对动态目标进行实时测量，本文正是基于这个目的，以激光雷达原理为基础对此进行了研究。1.2.2激光雷达激光作为20世纪最重要的科学技术成果之一，它的出现具有特别的意义。用激光器作为辐射源的雷达叫做激光雷达，激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、半导体激光器及波长可调节谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元他侧器件等[4]。在众多雷达技术参数和性能指标中,雷达的工作频率是与很多参数相关的。激光有着突出优点，其频率特性好，即激光的谱线宽度v很小。例如长10cm的稳频氦氖激光器的中心频率为4.74×1410Hz（=632.8nm）,线宽v1410Hz,而普通的氦辉光管发出红光，其线宽为vF=1.5×910Hz，可见激光的单色性好，因此在短时间内激光在雷达探测领域已有广泛的应用[5]。激光雷达按工作方式可分为直接（非相干）探测方式和相干（外差）探测方式。如图1.1所示，非相干探测系统由连续半导体激光器，发射天线、接收天线，光电探测器，接收放大电路，信号处理与判定5个部分组成。在发射端通过对光载波的强度进行直接调制而获得调制光信号，在接收端利用光探测器直接将光信号转变成电信号，探测器的光电流正比与接收光功率[6]。清华大学2012届毕业论文第3页共37页图1.1非相干检测系统原理图相干检测系统原理图如图1.2所示：图1.2相干检测系统原理图在相干检测系统中，信号可以通过调幅，调频或调相的方式调制到光载波上，当信号光传输到接收端时，首先与一本振光信号进行相干混合，然后由探测器探测，这样光电流与信号光场和本振光场的乘积成正比，从而大大提高接收灵敏度。但其优点的获得是以其系统的复杂性为代价的，它要求严格的空间和时间相干条件，其光学系统和电路系统的要求都比直接检测系统要复杂和严格得多，并且性能也没有直接检测系统稳定[7]。因此激光雷达多采用直接探测系统。在雷达技术领域中常用的波段名称为:UHF波段（0.3.1GHz），L波段(1.2GHz)，S波段(2-4GHz)，C波段(4-8GHz)，X波段(8-12.5GHz),Ku波段(12.18GHz)，K波段(18-26.5GHz)，另外超视距雷达工作频率为2-5MHz。普通雷达采用的的是微波,随着雷达技术电子技术的提高,雷达频率范围已从高频(几MHz)扩展到紫外频段,但在实际应用中，根据雷达的性能要求和实现条件，大多数雷达工作在1～15GHz的微波频率范围内[8]。但是,高于15GHz频率时空气中水分子吸收严重，高于30GHz频率时，在一些区域氧分子和水分子吸收急剧增大。随着频率的提高，天线加工困难，接收机内外噪声增大，增加发射机功率也出现困难。而激光雷达由于以激光器为辐射源，其频率较微波高几个数量级，频率的量变使雷达技术产生了质的革命。清华大学2012届毕业论文第4页共37页与普通雷达相比激光雷达的优点是：1.方向性好，波束窄，测角精度高。2.采取专门的脉冲压缩技术，可把脉冲宽度压缩到几十纳秒（毫微秒）甚至皮秒（微微秒）量级，峰值功率可达几百兆瓦，从而大大提高测距精度，其测量精度可达几米甚至零点几米[9]。3.激光雷达不受地面杂波干扰，没有多路径效应，故能在低仰角下工作。4.极短的波长使得天线和系统尺寸可以做的很小，在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。激光雷达的主要缺点是受大气的光传输效应影响（包括光速、折射率的变化和散射现象）会使其测量精度降低，因而不能全天候工作，遇浓雾、雨、雪天气无法工作；由于波束窄，在大空域中捕获目标困难，须借助引导才能进入自跟踪[10]。激光雷达在测量精度、分辨率、抗干扰性和某些特定参数测量能力方面都是普通雷达所无法比拟的，因而理所当然的引起人们的极大重视，并获得了迅速的发展。激光雷达采用脉冲或连续波两种工作方式，探测方法分直接探测与外差探测[11]。激光雷达的特性、工作原理及其应用，可用于探测空中水中和地面目标、导弹跟踪测量、卫星跟踪测量、制导、火控、大地测量、地震预报、测污气象、遥测化学试剂、检测风速、提高战争中人的安全性等[12]。光电技术的应用,虽然提高了武器系统的测量精度、打击效力和隐蔽性,但其本身存在着弱点。那就是几乎所有的光电系统都是通过一定口径的光学系统,将目标反射回来的光信号汇聚到一个高灵敏度的光电传感器上,或是将目标成像到位于焦点的CCD传感器上,这些传感器又与一高放大倍数的电路连接组成一信息系统。光电传感器在接收光学信号的同时,会将部分入射光信号按原路反射。由于该部分反射能量较为集中,其功率密度远大于漫反射目标,在一定距离上根据二者的能量差异足以区别出目标和背景[13]。1.2.3激光主动成像技术根据有无照明光源，成像系统可以分为主动成像和被动成像系统两种。被动成像最大的特点就是本身不带光源，依赖于环境或目标的发光，并最终成像。主动成像是指采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)和接收器，其接收器用于收集和探测目标景物直接或反射后的部分光辐射，具有成像清晰、对比度高，不受环境光源的影响等优点[14]。被动成像系统敏感的是自然辐射光、反射的日光或月光，容易受清华大学2012届毕业论文第5页共37页到环境光源的影响。监视、搜索、捕获、跟踪等光电成像探测系统，向来以“被动”成像探测为主要特点，依赖于自然辐射光、反射的日光或月光，进行成像，无须施加光源对目标进行照射。正因为以被动方式工作，所以具有极好的隐蔽性，故不易被对方察觉或识别[15]。然而，这类被动成像系统在漆黑的夜晚、空气中含有大量的烟、尘等微粒、雾、雨、雪等能见度低的恶劣天气条件下，即使最灵敏的微光电视系统也不能提供足够的分辨率和对比度，很难探测识别目标[16]。其他被动成像系统(例如热成像系统或FLIR系统)探测中远红外辐射，主要是靠场景温度和辐射率的变化来提供图像。红外辐射受气溶胶散射影响小，因此FLIR系统能够在低能见度条件下提供分辨率相对高的图像。但是这类系统在温差变化很小甚至没有温度变化时，就不能正常工作。再者，随着武器系统的发展，在高技术战争中，战术弹、子母弹或常规兵器中，其目标尺寸越来越小。这些不发光目标反射的太阳能量较小，再加上距离相对较远，光电测量设备接收到反射目标能量就更少，难以成像。在自然光照明被动成像测量条件下，由于各种背景辐射的影响，限制了成像系统对远距离目标成像测量和精确跟踪能力。在强散射介质中成像、水下成像、远程小暗目标探测、深空目标成像等领域，被动成像系统受到严重的挑战，有些问题无法解决。主要原因是返回信号的能量很弱，或者背景干扰非常严重，有用的信号被干扰光、背景光所淹没，很难探测到目标[17]。要想克服以上问题，主要办法是考虑增加返回信号的能量，减小背景干扰。增加辅助照明系统是提高返回信号能量的有效手段。采用一个人造光学辐射源(一般为激光器)对目标进行照射，收集和探测目标景物直接或反射后的部分光辐射，就可以解决被动成像系统的缺点，能够获得目标的高清晰度图像，在能见度低的恶劣天气条件下，实现远距离探测的目的[18]。激光具有高亮度、高方向性、高单色性等特点使其成为一种理想的光源。激光照明就是利用激光的高亮度、高方向性和高单色性等特点，对远距离小暗目标或其局部进行照射，以增加返回信号的能量，采用距离选通技术减小后向散射等背景辐射的影响，就可以克服被动成像系统和红外成像系统的缺点，获得远即离小暗目标的高分辨率图像，从而实现对远距离小暗目标的探测[19]。采用脉冲激光器、选通CICD摄像机和延迟同步控制电路等构成的激光距离选清华大学2012届毕业论文第6页共37页通成像系统能够在黑暗状态下或温度对比度低的条件下获得目标的高分辨率图像。激光主动成像技术不仅可以获得目标的图像信息，而且可以获得目标的距离信息，因而越来越引起人们的重视。激光主动成像探测可直观获取丰富的目标外形或基本结构，抑制背景干扰，识别目标及目标的要害部位，激光主动成像技术越来越引起人们的重视。国外从第一台激光器诞生不久，就开始了激光主动照明技术和主动成像技术的研究。国外己经研制出多种激光主动成像系统，有的已经成为美国、加拿大、瑞典等许多国家的制式装备，有的己经成功地应用于实际的工程当中，并且发挥了巨大的作用，取得了很好的效果。下面主要介绍国外几种有代表性的激光主动成像系统。1.2.4激光在表面微观轮廓测量的应用在表面微观轮廓精度的测量中，传统的方法是接触式测量技术，人们最早评定表面微观轮廓精度是采用标准样件或样块，通过肉眼观察或用手触摸的方法，对表面粗糙度做出定性的综合评定。这种方法现在已发展成为比较法。比较法适合于车间条件下判断较粗糙的表面，其判断准确程度在很大程度上与检验人员的技术熟练程度有关。随着现代加工技术的迅速发展，传统的检测手段已越来越不能胜任现代化的生产要求，而具有众多优点的现代光电检测技术，适应现代生产的要求，以其巨大的生命力而迅速发展。光电技术、激光技术和计算机技术的发展与广泛应用，为表面微观轮廓精度的检测提供了新的手段。目前，国内外己经提出几种非接触光电检测的方法用于表面粗糙度的测量，其测量原理都有所不同，但相互之间交错联系。概括来说，表面微观轮廓精度的非接触测量分为四大类技术:一类基于光学干涉原理的测量技术;一类是基于散射原理的测量技术，还有光触针式轮廓测量技术和能提供表面图像