直接探測激光雷達系統(tǒng)的仿真軟件設計
直接探測激光雷達系統(tǒng)的仿真軟件設計 陳金令1, 2,石川1, 2,徐征峰1, 2,謝德林1,陳洪斌1 (1中國科學院光電技術(shù)研究所,四川 成都 610209 2中國科學院研究生院,北京 100039) 摘要: 如何合理而有效地設計激光雷達系統(tǒng),是進行激光雷達系統(tǒng)研究的關鍵,設計時必須充分考慮各種參數(shù)之間的相互關系,根據(jù)所提出的指標,選擇激光器和探測器及其它元器件。建立了激光雷達系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型,模型以激光雷達原理為基礎,考慮了激光雷達距離方程、噪聲模型、接收信噪比模型,利用LOWTRAN軟件分析了各種天氣和系統(tǒng)條件下,對激光雷達性能的影響,編制了計算機仿真軟件進行雷達系統(tǒng)模擬,結(jié)果表明,數(shù)值仿真有助于實驗系統(tǒng)的方案設計和性能改進。 關鍵詞:激光雷達;激光探測;系統(tǒng)仿真;大氣傳輸;仿真軟件 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 激光雷達在航空航天、工業(yè)和醫(yī)學等領域有廣泛的應用。它與微波和毫米波雷達相比,具有以下獨特優(yōu)勢:(1)工作頻率高、波長短;(2)距離、速度和角位置測量精度高;(3)體積小、重量輕、機動靈活,利于機載和航天器載。 激光雷達系統(tǒng)仿真軟件,是激光雷達技術(shù)同計算機數(shù)字仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是未來激光雷達系統(tǒng)設計的新手段,是今后激光雷達研究領域方向之一。激光雷達系統(tǒng)的設計須給定各個元器件的參數(shù)(包括激光器、探測器和光學元件)、大氣傳輸特性、目標特性等。激光在大氣中傳輸具有復雜的統(tǒng)計特性,激光大氣傳輸模型是在大量實驗數(shù)據(jù)分析基礎上建立起來的。本文利用VC軟件,對激光雷達進行了建模和仿真。 2 激光雷達原理 激光雷達的基本原理是:發(fā)射機發(fā)射一束一定功率的激光束,經(jīng)過大氣傳輸輻射到目標面上,目標面反射回來的回波由接收裝置接收,再由信號處理提取回波中的有用信息,激光雷達系統(tǒng)性能分析的基本問題是:在一定的發(fā)射功率下,受環(huán)境因素、系統(tǒng)參數(shù)的影響,確定接收端的接收功率、信噪比。 激光器發(fā)出高斯型脈沖波形,經(jīng)擴束后由二維光學掃描系統(tǒng)指向目標,從目標反射回的回波信號由高靈敏度的硅雪崩二極管(Si—APD)探測,APD的輸出由高速數(shù)據(jù)采集卡送入計算機處理。激光的脈沖能量、重復頻率及激光的發(fā)射、光學掃描儀的掃描波形、掃描的啟動與停止、數(shù)據(jù)采集卡的采集速率等均由計算機控制。 3 激光雷達仿真模型 3.1 激光雷達方程 一般情況下,對激光雷達系統(tǒng)來說,需要考慮的幾個最主要的指標是:作用距離、距離分辨率、成像速率和圖像分辨率等。然后,根據(jù)上述指標來確定激光脈沖重復頻率、脈沖能量、脈沖寬度、數(shù)據(jù)采集速率、掃描波形及掃描頻率等參數(shù)。直接探測激光雷達系統(tǒng)一般可分為四個部分:發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和圖像顯示系統(tǒng)。激光雷達模擬最簡單的方法就是功能模擬,實現(xiàn)這種方法的基礎是激光雷達距離方程,即 (1) 式中 為回波信號功率, 為激光器發(fā)射功率, 是源到目標的大氣傳輸系數(shù), 為發(fā)射光學設備效率, 為束散角, 是發(fā)射機到目標的距離, 為目標激光截面, 為目標到接收機的大氣傳輸系數(shù), 是目標到接收機的距離, 為接收孔徑, 為接收光學設備效率。 從公式(1)中可以看到,影響激光雷達系統(tǒng)性能的因素很多,除了發(fā)射功率外,還有激光的大氣傳輸特性,如大氣湍流、云霧和空氣中的水、灰塵等的影響;對不同類型的目標(如點目標和延伸目標等),回波信號的幅度和相位等都會發(fā)生較大變化。在激光雷達系統(tǒng)模擬中,最重要的工作是建立描述環(huán)境的數(shù)學模型。激光雷達模擬中最主要的物理現(xiàn)象是激光雷達信號的散射,它包括目標和雜波兩個方面,在某些情況下,還包括多散射效應、衰減、折射和色散等。一般情況下,要根據(jù)激光雷達系統(tǒng)的功能來建立模型。對成像激光雷達來說,可能需要測量目標的距離、速度和位置等信息。通過所成的目標的強度像和距離像等信息,對目標再進行鑒別、分類和識別等。根據(jù)上面的基本原理,所建立的激光雷達系統(tǒng)模型軟件分為六大模塊:系統(tǒng)發(fā)射模塊、系統(tǒng)接收模塊、目標反射模塊、傳輸介質(zhì)模塊。本模型采用VC語言建立。 3.2大氣傳輸仿真模型 大氣傳輸環(huán)境對激光雷達系統(tǒng)性能影響很大,雨、霧、雪等天氣會使得激光雷達性能變差。在設計激光雷達仿真軟件時,我們應考慮天氣因素及大氣環(huán)境對激光雷達性能的影響。實際中我們采用了已有的大氣軟件LOWTRAN來計算激光束在大氣傳輸中的損耗。 LOWTRAN是由美國空軍地球物理實驗室(AFGL)開發(fā)和研制的寬帶、窄帶和逐線計算的大氣輻射傳輸模型及其相應的應用軟件。模型中的大氣傳輸采用美國標準的LOWTRAN模型數(shù)據(jù)庫,根據(jù)目標類型和大氣環(huán)境參數(shù),調(diào)用LOWTRAN數(shù)據(jù)庫得到大氣衰減系數(shù)。 3.3目標截面仿真模型 目標激光截面(Laser Cross Section ,LCS) 定義為: (2) 其中ρ為目標表面反射率; G為目標增益;A 是實際投影面積。增益G由下式給出: &nb |