直接探测激光雷达系统的仿真软件设计
| 直接探测激光雷达系统的仿真软件设计 陈金令1, 2，石川1, 2，徐征峰1, 2，谢德林1，陈洪斌1 （1中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209 2中国科学院研究生院，北京 100039） 摘要: 如何合理而有效地设计激光雷达系统,是进行激光雷达系统研究的关键,设计时必须充分考虑各种参数之间的相互关系,根据所提出的指标,选择激光器和探测器及其它元器件。建立了激光雷达系统的数值仿真模型，模型以激光雷达原理为基础，考虑了激光雷达距离方程、噪声模型、接收信噪比模型，利用LOWTRAN软件分析了各种天气和系统条件下，对激光雷达性能的影响，编制了计算机仿真软件进行雷达系统模拟，结果表明，数值仿真有助于实验系统的方案设计和性能改进。 关键词：激光雷达；激光探测；系统仿真；大气传输；仿真软件 Design of Simulation Software for Lidar System Chen Jinling1, 2, Shi Chuan1, 2, Xu Zhengfeng1, 2, Xie Delin1,Chen Hongbin1 1. Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu,China 2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039,China Abstract: It is crucial to design a rational and effective lidar system for the research of the lidar. The relationship between many parameters must be considered adequately. The laser source and the detector and some other components were chosen on the basis of the required index. In order to analyze the performance of the lidar system, the numerical simulation model for lidar was presented. This model was based on the lidar principles, and it concerned lidar range equation, noise model, etc. The effect on lidar caused by changes of important weather and system variables was analyzed and discussed with the LOWTRAN. With this model, a simulation software was built to operate the simulation of lidar system. Results show that numerical simulation can help scheme designing and performance improving of the lidar system. Keywords: Lidar; Laser detection; System simulation; Atmosphere transformationp; Simulation software 1 引言 激光雷达在航空航天、工业和医学等领域有广泛的应用。它与微波和毫米波雷达相比，具有以下独特优势：(1)工作频率高、波长短；(2)距离、速度和角位置测量精度高；(3)体积小、重量轻、机动灵活，利于机载和航天器载。 激光雷达系统仿真软件，是激光雷达技术同计算机数字仿真技术相结合的产物，是未来激光雷达系统设计的新手段，是今后激光雷达研究领域方向之一。激光雷达系统的设计须给定各个元器件的参数(包括激光器、探测器和光学元件)、大气传输特性、目标特性等。激光在大气中传输具有复杂的统计特性，激光大气传输模型是在大量实验数据分析基础上建立起来的。本文利用VC软件，对激光雷达进行了建模和仿真。 2 激光雷达原理 激光雷达的基本原理是：发射机发射一束一定功率的激光束，经过大气传输辐射到目标面上，目标面反射回来的回波由接收装置接收，再由信号处理提取回波中的有用信息，激光雷达系统性能分析的基本问题是：在一定的发射功率下，受环境因素、系统参数的影响，确定接收端的接收功率、信噪比。 激光器发出高斯型脉冲波形，经扩束后由二维光学扫描系统指向目标，从目标反射回的回波信号由高灵敏度的硅雪崩二极管(Si—APD)探测，APD的输出由高速数据采集卡送入计算机处理。激光的脉冲能量、重复频率及激光的发射、光学扫描仪的扫描波形、扫描的启动与停止、数据采集卡的采集速率等均由计算机控制。 3 激光雷达仿真模型 3.1 激光雷达方程 一般情况下，对激光雷达系统来说，需要考虑的几个最主要的指标是：作用距离、距离分辨率、成像速率和图像分辨率等。然后，根据上述指标来确定激光脉冲重复频率、脉冲能量、脉冲宽度、数据采集速率、扫描波形及扫描频率等参数。直接探测激光雷达系统一般可分为四个部分：发射系统、接收系统、信号处理系统和图像显示系统。激光雷达模拟最简单的方法就是功能模拟，实现这种方法的基础是激光雷达距离方程，即 (1) 式中 为回波信号功率， 为激光器发射功率， 是源到目标的大气传输系数， 为发射光学设备效率， 为束散角， 是发射机到目标的距离， 为目标激光截面， 为目标到接收机的大气传输系数， 是目标到接收机的距离， 为接收孔径， 为接收光学设备效率。 从公式(1)中可以看到，影响激光雷达系统性能的因素很多，除了发射功率外，还有激光的大气传输特性，如大气湍流、云雾和空气中的水、灰尘等的影响；对不同类型的目标(如点目标和延伸目标等)，回波信号的幅度和相位等都会发生较大变化。在激光雷达系统模拟中，最重要的工作是建立描述环境的数学模型。激光雷达模拟中最主要的物理现象是激光雷达信号的散射，它包括目标和杂波两个方面，在某些情况下，还包括多散射效应、衰减、折射和色散等。一般情况下，要根据激光雷达系统的功能来建立模型。对成像激光雷达来说，可能需要测量目标的距离、速度和位置等信息。通过所成的目标的强度像和距离像等信息，对目标再进行鉴别、分类和识别等。根据上面的基本原理，所建立的激光雷达系统模型软件分为六大模块：系统发射模块、系统接收模块、目标反射模块、传输介质模块。本模型采用VC语言建立。 3.2大气传输仿真模型 大气传输环境对激光雷达系统性能影响很大，雨、雾、雪等天气会使得激光雷达性能变差。在设计激光雷达仿真软件时，我们应考虑天气因素及大气环境对激光雷达性能的影响。实际中我们采用了已有的大气软件LOWTRAN来计算激光束在大气传输中的损耗。 LOWTRAN是由美国空军地球物理实验室(AFGL)开发和研制的宽带、窄带和逐线计算的大气辐射传输模型及其相应的应用软件。模型中的大气传输采用美国标准的LOWTRAN模型数据库，根据目标类型和大气环境参数，调用LOWTRAN数据库得到大气衰减系数。 3.3目标截面仿真模型 目标激光截面(Laser Cross Section ，LCS) 定义为： (2) 其中ρ为目标表面反射率； G为目标增益；A 是实际投影面积。增益G由下式给出： &nb |
