直接探测激光雷达系统的仿真软件设计
| sp; (3) 是目标后向散射立体角。假设目标是表面漫反射的大目标( ) ，且激光垂直入射，根据朗伯(Lambert)定理，后向散射立体角取为 ，则 (4) 3.3噪声仿真模型 通用激光雷达仿真模型(GLM) 主要考虑两类噪声：(1) 背景噪声；(2) 探测器噪声。背景噪声，它主要是太阳、大地以及其他辐射源的辐射进入接收视场造成背景“模糊”而引起的噪声。光电探测器固有噪声有：散粒噪声(Shot Noise)、热噪声(Thermal Noise)、产生-复合噪声(Generation-Recombination Noise)及电流噪声(1/ f Noise)等。在激光雷达噪声仿真分析时，我们引入等效噪声功率(NEP) 指标，它反映直接探测系统探测微弱光辐射的能力。根据NEP的定义，直接探测激光雷达系统的NEP为： (5) 式中 为普朗克常量； 是光波频率； 为量子效率； 是电子电荷； 是探测器的电流倍增因子； 为背景噪声电流均方值； 为探测器噪声电流均方值； 为热噪声电流均方值。激光雷达噪声模型的构成框架见图1。 噪 声 探测器噪声 背景噪 声 近红外光谱区噪 声 远红外 光谱区 噪 声 散粒噪声 热噪声 产生-复合噪声 电流噪声 太阳辐射 月亮辐射（夜晚） 星体辐射（夜晚） 云团后向散射 大地热辐射 目标热辐射 云团后向散射 图1 噪声模型框架 Fig.1 The former figure of noise 3.4 激光雷达信噪比分析 激光雷达经探测器后的输出信噪比定义为：信号的峰值功率比噪声功率的均方根值。直接探测激光雷达系统的噪声等效功率可由(5)式计算得到，其输出信噪比为： (5) 4 功能介绍 我们用Visual C++6．0可视化开发工具编制了激光雷达系统仿真软件。激光雷达系统仿真包括五个大的模块：系统发射模块、大气传输模块、目标反射模块、系统接收模块、探测器模块。模块化软件架构易于实现功能的扩展。用户可以利用交互式图形用户界面(Graphical User Interfaces，GUI)，在仿真软件中选择环境变量和配置各种模块参数，来模拟各种环境、系统条件对激光雷达性能的影响，它能方便直观地估计和仿真出激光雷达的关键特征数据(如回波功率、接收信噪比等)。激光雷达通用仿真软件框架分为三大部分， 即计算回波功率、计算信噪比、信号处理仿真。实现各部分的功能有计算、图形显示和保存仿真结果。各个部分分别由多个对话框窗口实现。用户可以通过对话框来选择、设置激光雷达的系统参数、传输介质及环境变量等， 以实现对各种条件下激光雷达系统的仿真。 5 仿真结果 通过在仿真软件的可视化界面中选择和配置各种模块参数， 能够模拟和估计激光雷达在各种天气环境和系统条件下的关键特征数据及性能表现。图2、图3为直接探测激光雷达回波功率信噪比的仿真界面图。 图2 计算回波功率仿真界面 Fig.2 The interface for calculation of echo power 图3 噪声计算仿真界面 Fig.3 The interface for calculation of noise 各个模块设定的参数如下: 5.1 系统发射模块 发射功率：10000000W； 波长：1.06 ； 发射孔径：0.2m； 孔径透光常数0.84； 发射效率：0.950； 5.2 系统接收模块： 接收孔径：0.5m； 接收效率：0.900； 5.3 目标反射模块： 目标类型：扩展目标； 半球反射率：0.100； 5.4 传输介质模块： 单程距离100000m； 天气：晴朗（能见度23.5），经过LOWTRAN计算大气传输效率为：0.5139 5.5 探测器参数： 噪声带宽：50MHz； 探测器暗电流：50nA； 探测器负载电阻：1M ； 绝对温度：293K； 放大器等效输入电阻：16M ； 探测器响应率：1.1A/W； 计算结果： 束散角：0.004452(m rad)； 接收面积：0.19634m2； 光斑面积：0.155664； 散射截面：0.062； 大气衰减：5.7824dB； 传输总衰减：128.50397dB； 暗电流噪声：8.0 10-19； 热噪声：5.1 10-20； 放大器噪声：1.87 10-23； 散弹噪声：1.2 10-15； 背景噪声：8.51 10-22； 结束语 激光雷达系统的研究和设计是一项复杂的工作。计算机仿真技术的发展对于激光雷达系统的研究与设计非常重要，已成为激光雷达系统设计和研究的重要环节。本文研究了激光雷达仿真模型， 对大气传输模型、噪声模型、发射与接收模型进行了仿真， 以此模拟各种环境和系统条件对激光雷达性能的影响。系统的仿真能够直接针对系统提出具体的问题，这些问题的解决能够使激光雷达系统的研究在各个分系统方面都能有一个全面深入的考虑，并把系统研制过程中可能遇到的困难先提出来，从而对实际系统的研制起到理论和技术上的指导作用仿真结果说明。仿真软件能够模拟和估计激光雷达的关键特征数据， 但仿真结果还需要对比实际测试结果来加以验证。进一步的研究工作还应包括根据实际实验数据进一步完善和修改激光雷达仿真模型。 参考文献 1 Kamerman G W. Laser Radar . Chapter 1 of Active Electro-Optical System , Vol. 6, The Infrared and Electro-Optical System Handbook , SPIE Press , 1993. 10～99 2 Cassady P |
