Matlab激光雷达测距过程的建模与仿真+文献综述(2)
4.3阈值电平对激光雷达测距特性的影响 19
4.4 目标反射率对激光雷达测距特性的影响 20
4.5计时抖动对激光雷达测距特性的影响 21
4.6本章小结 22
结 论 23
致 谢 24
参考文献 25
1绪论
1.1研究背景
自从1960年第一台红宝石激光器问世以来，激光技术不断发展与完善，而激光测距更是激光技术中发展最早，最为成熟的。近年来，激光雷达技术悄然崛起，越来越多应用到军事领域与生活的方方面面中。特别是激光雷达技术能够给出目标的高分辨的三文成像图，并且不受气候条件限制，能够全天候，大范围，高精度测量。所以在获取突发性灾难事件和人类难以到达地方信息有着独特的优势。
如今，随着激光雷达的应用越来越广泛，无论在军事上还是民事上都有广阔的前景。在军事方面:激光雷达可用于巡航导弹的制导和导航、测距系统、用于低飞目标跟踪测量、用于目标飞行姿态的测量[1]、侦测化学、生物战剂和水下定位及通讯等。在民用方面:激光雷达可用于大气遥感和大气测量[2]、测量大气臭氧、工业生产中的险情预报、测绘和大地测量[3]、车辆防撞、机器人视觉和医疗诊断等领域。作为激光雷达技术的基础，激光雷达测距也越来越受到人们的重视。对激光雷达测距过程进行建模与仿真正是对激光雷达测距进行研究的一种比较好的方法。对其进行仿真，有助于激光雷达系统的优化设计、后续三文轮廓像重构和目标识别算法设计[4]。甚至对于进一步提升我国激光雷达技术的设计与研发能力，缩短与国际先进水平的差距，有着重要的意义。
1.3本文的主要工作
以激光雷达的优化设计和性能评估为背景，研究了激光雷达测距过程的理论建模与数值仿真问题，具体完成的工作如下：
(1) 经过资料调研，介绍了激光雷达发展历史与典型应用，并讨论了脉冲测距、相位测距和干涉测距等基本测距方法。
(2) 给出了激光雷达测距过程仿真的理论模型，它由高斯脉冲、高斯白噪声、理想回波信号、低通滤波等组成，并在Matlab环境下编写了仿真程序。
(3) 通过大量的仿真数值计算，分析了激光发射功率、大气衰减、大气传播抖动、阈值电平、目标反射率和计时抖动等因素对激光雷达测距特性的影响。
2 激光雷达测距的原理与方法
2.1 测距原理与系统组成
激光雷达用激光器作为发射光源，发出的光的波长与普通的无线电波或者毫米波相比要短很多。激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式，由发射系统、接收系统 、信息处理等部分组成。图1给出了激光雷达系统原理图：
图1 激光雷达系统原理图[8]
其工作原理：激光雷达先向目标方向发射激光探测信号,光标碰到信号后被反射回来形成回波。由于回波经历的时间等参数恰好反映了接近目标的情况和运动状态的变化,所以通过测量回波信号的到达时间、频率变化和波束所指方向等,就可以确定目标的距离、方位和速度等[9]。
2.2激光雷达测距的基本方法
随着激光技术的不断发展与广泛应用，激光雷达测距系统也变的更加多样化。按照激光雷达测距原理，大体可分为如下几类：
2.2.1脉冲测距法
激光脉冲测距原理如下：对脉冲激光器发出的激光进行分束，其中一束激光很弱，进入APD探测器作为计时参考信号；另一束经过一定距离传输到达目标，由于目标的漫反射返回并进入到另一个APD探测器，即回波信号。参考信号和回波信号经过放大和整形以后进入时间测量模块，通过测量回波信号和参考信号间的时间延迟并计及两个APD探测器之间的固有时间延迟，得到激光在测距系统与目标之间往返传输的准确时间延迟，进而得到目标与测距系统之间的距离[10]。激光脉冲测距具有测量距离远、数据率很高的特点。假设光脉冲在发射点与光脉冲在发射点与目标间来回一次所经历的时间为 ，那么与被测目标的距离 为： ，式中 为光速，测量精度 。