脉冲激光测距回波特性及测距误差研究

对于飞行目标轨迹测量中常用的脉冲激光测距系统,回光波形的变化对其测距精度的影响尤为显著。为了研究回光波形变化造成的测距误差,深入分析了复杂三维飞行目标的回波特性。以典型的调Q脉冲激光测距为基础,探讨了调Q脉冲激光发射脉冲的数学描述,建立了一种通过飞行目标的反射特性、表面形状及姿态信息计算回波功率分布的理论模型。在此基础上,以典型目标为例建立了目标模型,通过仿真模拟研究了脉冲激光回波特性,分析了目标姿态变化对回波特性及回波畸变测距误差的影响。搭建了脉冲激光测距实验系统,加工制作了模拟目标并进行了验证实验。实验结果表明,飞行目标姿态变化引起的回波脉冲展宽及回波畸变测距误差变化规律与理论分析基本一致,验证了所建理论模型的有效性。     

单次大气散射效应对星载激光测高仪接收脉冲回波的影响

大气散射效应是影响星载激光测高仪接收脉冲回波的重要因素。根据星载激光测高仪接收脉冲回波信号与大气响应函数之间的关系式,在忽略大气多次散射效应的条件下,通过分析散射激光束的几何轨迹和散射概率,推导出单次大气散射激光脉冲和接收脉冲回波的特征参数的数学解析式。以地球科学激光测高仪系统参数为输入,采用数值仿真分析的方法,模拟了大气散射介质分布、激光指向角和目标倾斜角对接收脉冲回波信号特征参数的影响。结果表明,若散射介质的高度和粒子半径范围分别为0.2~6 km和0~120 m,则其对接收脉冲回波的能量、重心和均方根脉宽的影响最大值分别超过15%、250 cm和800 cm。随着激光指向角或目标倾斜角的增加,接收脉冲回波的能量基本不产生影响,但是其重心和均方根脉宽近似呈线性增加趋势。同时,采用高斯拟合方法可以减小大气散射效应对接收脉冲回波的影响。所得结论对于接收脉冲回波的数据处理与分析以及激光测距精度的评估具有一定的指导意义。     

国外简讯

西德激光遥测装置跟踪卫星精度达±1厘米西德Institute of Applied Geodesy采用100兆瓦的脉冲激光器,对地球轨道上的卫星飞行轨迹进行精密测量。通过测量激光脉冲(脉宽为20～50毫微秒)到达卫星和返回的时间,借助于国际标准时间,便可瞬时测定巴伐利亚林区卫星观测台与卫星之间的距离。卫星上装着角反射器便于使激光     

机载平台6-D运动误差对LiDAR点云质量的影响比较

直升机载荷平台6-D（Six-Dimensional）运动误差（即飞行轨迹和姿态角运动误差）对机载LiDAR点云质量影响显著,进而影响三维重建模型精度。分析各运动误差对点云质量的影响特点,对于有针对性地消除各运动误差影响、有效提高机载LiDAR三维成像产品精度具有重要意义。建立了机载激光扫描脚点三维空间位置偏差与机载平台六方位运动误差之间的传递关系;采用数值仿真,定量比较了六方位运动误差对激光点云密度分布和的影响,获得了六方位运动误差的影响特点及规律。仿真结果表明,直升机载荷平台的三个姿态角运动误差对点云密度的影响更显著,且随飞行高度的增大而增大,而三个飞行轨迹运动误差的影响相对较小。     

线性增益调制激光雷达系统参数对测距精度的影响

测距精度是激光雷达系统的重要参数,测距精度影响因素的研究对于提高激光雷达系统性能具有重要价值。增益调制无扫描激光雷达是一种新体制的激光雷达,其测距精度的影响因素不同于传统飞行时间测量的激光雷达系统。从增益调制激光雷达距离表达式出发,推导了增益调制激光雷达各系统参数对于距离精度的影响,综合考虑了ICCD的调制误差、回波强度较低时的光子噪声、探测器噪声、微通道板的增益饱和等因素,给出了测距精度与回波功率的关系曲线。得出增益调制无扫描激光雷达系统存在一个回波强度区间,在该强度区间内,无扫描激光雷达的测距精度是区间外的2倍以上。     

基于回波信号插值重建的峰值判别技术

在脉冲式激光测距技术中,测量距离和目标反射特性变化等因素会引起微弱回波信号的峰值判别误差,造成激光飞行时间的测量误差,峰值判别误差是影响激光测距精度的主要因素之一.针对激光测距中微弱回波信号不规则引起的峰值判断精度低的难题,采用FPGA控制采样电路对回波信号进行高频采样,通过软件对采样数据进行插值重建,根据重建图形判断出回波信号的峰值点位置作为计数停止点,有效提高了回波信号峰值判别精度.实验证明:采用该项技术的激光测距机能够达到0.1 m测距精度.     

新型机载激光测深系统及其飞行实验结果

新研制的机载激光测深系统与第一代机载激光测深系统相比,在探测信号采集率、浅水测量能力、测点定位精度和系统的自动化方面都有较大的提高。新系统采用1000 Hz激光器以提高测量密度,分设深水浅水双通道接收回波信号以提高浅水探测能力,装配高精度的惯性导航系统(IMU)和全球定位系统(GPS)提高了测点的定位精度和深度精度,数据后处理进行了潮汐改正和波浪改正提高深度测量的精度。系统在某海域进行了多次飞行实验,实验数据经过分析和处理,得到了比较满意的结果,表明该激光测深系统在测深精度和测量效率等方面,已经接近实用化。     

"猫眼"目标回波功率的影响因素分析

光电系统广泛存在着所谓的"猫眼效应",针对"猫眼"目标的反射特性,建立了正负离焦时"猫眼"目标回波发散角数学模型,采用几何光学方法对正入射条件下具有"猫眼效应"光学系统的回波发散角进行了推导,总结出离焦条件下"猫眼"目标的回波功率计算公式,分析了各因素对"猫眼"目标回波功率的影响,并对理论分析的结果进行了验证.结果表明:"猫眼"目标的回波功率受发射激光参数、大气透过率、"猫眼"目标光学系统参数等诸多因素影响,其中压缩激光发散角、提高发射功率能够显著增强回波功率,增加大气能见度和"猫眼"目标反射面反射率同样增加回波功率,而离焦量的增大则会引起回波功率的衰减.     

光束发散角对星载激光测高仪森林回波的影响

植被树高是生物量评估和森林生态监测的重要参数,但是大区域的植被树高数据获取困难.由大光斑星载激光测高系统森林回波可反演大区域植被树高,然而大坡度山区的植被和地面回波混叠严重,难以准确提取波形参数反演植被树高.为此建立森林目标回波的解析模型,推导出从混叠回波中分离植被和地面回波的必要条件,指出导致回波混叠的因素除了目标粗糙度和坡度,还有发射脉冲的发散角.分析了地表粗糙度和地形坡度对植被冠层回波的展宽效应及其对波形分解的影响,通过比较实测GLAS波形和仿真回波波形,验证了压缩光束发散角可降低森林回波对大坡度地形的敏感性.对于卫星轨道高度在500~600 km之间时,激光测高仪光束发散角一般在40~60μrad,更有利于森林植被树高的反演.所得结论为提高大坡度山地森林树高反演精度,从星载激光测高仪的系统设计角度提供了有意义的参考.     

激光卫星测距的信号处理与测距精度

一般的激光测距系统包括:激光发射器,激光接收装置及信息处理装置。后者将接收的主、回波信号进行处理,记下其间隔时间,就可算出被测距离。R_x=(1/2)CT_x (1)其中C为光速,T_x为被测时间。实则,距离测量就是时间测量。测时精度也即测距精度。影响精度的因素有,发射的稳定性,大气延时,光电转换元件电子渡越时间的不稳定性,角反射器分布对回波形状的影响,时间测量装置的测时分辨率以及回波幅度起伏对定时精度的影响。本文将通过时间测量来讨论信     

卫星精密跟踪技术

与具有多种测量手段的靶场测量仪器不同,卫星跟踪首先要根据预测的卫星位置和速度捕获目标,然后进入连续跟踪,跟瞄误差不能大于发射激光束的发散角.卫星跟踪也分为开环和闭环二种跟踪方式.前者没有激光反馈信息,以计算值代替卫星真实位置由计算机控制跟踪,因此要求初始捕获数据和卫星轨迹计算方法非常精确.美国NASAGoddard空间飞行中心用48in天文望远镜改造的卫星跟踪系统属于此类.后者是根据捕获后的回波信息,计算机控制自动跟踪.不论哪种跟踪方式,由于激光束发散角很小,都要有高精度的光机系统和瞄准控制技术.     

基于流体驱动的水下激光自主扫描近程方位探测方法

针对水下近程来袭目标的探测问题,提出一种利用流体动力驱动的随机定位方法;利用航行水动力驱动单光束脉冲激光进行动态扫描,利用磁传感器记录扫描周期;基于重尾函数推导目标回波方程,建立磁探测系统磁偶极子等效模型,采用峰值和阈值检测法分别解算光磁信号;建立水下近程目标捕获模型和方位探测精度等效模型,研究激光发射功率、脉宽、阈值和噪声对测量精度的影响机理。结果表明:方位角测量精度和目标捕获率随着激光发射功率的增大而提高,随着脉宽和接收电路噪声电压的增大而降低;方位角测量精度在检测阈值为300 mV时达到最大,目标捕获率随着阈值的增大有轻微变化,当阈值接近回波脉冲峰值时,目标捕获率迅速降低。     

机载LiDAR中工作参数的控制误差和测量误差对点云产品精度的影响机理及其比较

机载Li DAR中的一些工作参数既有控制误差,又有测量误差,如机载平台的飞行轨迹、姿态角和激光扫描仪的扫描角等,两种误差均会造成点云产品质量降低。为分析两种误差对点云产品精度的影响机理,从理论上分析了两种误差对点云和数字表面模型(DSM)精度的影响,通过数值仿真,模拟了机载Li DAR的测量过程,以机载平台姿态角参数为例,定量评价及比较了姿态角的控制误差和测量误差对点云分布及DSM精度的影响大小。结果表明,机载Li DAR的测量精度取决于这两种误差的影响,其中控制误差主要造成点云分布区域及密度改变,继而导致DSM失真增大,而测量误差造成点云定位精度和重建DSM精度降低。因此,需采取措施分别对两种误差进行抑制补偿。     

微镜阵列激光成像技术及其性能分析

提出了一种激光三维成像技术,该方法以推扫方式工作,采用数字微镜器件(Digital Mirror Device,DMD)来进行激光回波脉冲飞行时间(Time of Flight,TOF)的空间转换。由于目标上不同距离点回波脉冲的飞行时间不同,当脉冲到达时微透镜阵列将从一个状态转换到另一个状态,在接收端传感器焦平面上显示不同相对位置的条纹,利用条纹相对距离可以重建目标的剖面轮廓距离像。相比于其他三维成像技术,该技术具有成像速率高、探测视场角大、结构简单、体积小易于集成化等优点。     

基于“猫眼效应”的激光主动探测技术应用研究

基于“猫眼效应”的激光主动探测技术,是对无人机光电系统实施强激光干扰较为有效的探测和效果评估方法。基于对光学探测系统参数理论分析,建立了因离焦量而引起的回波发散角及回波功率计算模型。从激光发散角、入射角、反射角等方面研究了激光主动探测技术所受影响因素,为判别干扰是否有效,对激光回波探测功率的影响因素进行细化分析,在仿真条件下计算出激光干扰有效的入射角度范围。     

红外激光雷达用十字型红外跟踪系统

红外激光雷达要求红外系统:(1)能实现高精度跟踪,用以提高激光的回波率;(2)能实时给出精确的红外角度脱靶量信息,实现实时高精度测角;(3)有较高的系统灵敏度和较强的抗背景、抗干扰能力,以达到较远的作用距离。方案选取目前国内外的红外跟踪器大多采器用带有调制盘的红外跟踪器。这样的红外跟踪器的测角精度一般不高,因此不适于用在靶场做高精度红外测角仪使用。     

激光高度计探测视场角的测试研究

激光高度计的探测视场角是影响系统性能的一个重要参数,论述了视场角对系统探测性能的影响.受到回波杂散光和探测器响应不均匀性的影响,激光高度计的探测视场会随回波能量的改变而发生变化,而回波能量随探测距离发生变化.本文提出了测试激光高度计整机探测视场角的方法,并且模拟了系统在实际工作状态时的情况;对于有近程延时保护的系统,给出了测试的解决方案.对设计视场角为1.5m rad的激光高度计进行了测试,调节模拟回波信号能量至5×10-8W,模拟其工作距离为200km时的工作状态,得出系统的探测视场角为1.46m rad.     

基于自适应滤波机理的脉冲激光近程探测云雾干扰滤波方法

针对云雾环境对激光近程探测系统测距精度的影响,提出了一种变步长自适应滤波方法。首先结合脉冲激光近程传输理论和Mie散射理论,建立脉冲激光云雾传输后向散射模型,在此基础上甄别、分离出云雾环境下脉冲激光回波的干扰信号;然后根据干扰信号的特征,采用自适应滤波方法滤除云雾干扰回波信号,研究了云雾干扰下激光回波的脉宽、峰值和回波时刻这三种随机干扰因素对滤波性能的影响;最后在实验室云雾环境下验证了所提滤波方法的效果。结果表明:在不同的激光回波脉宽、功率以及回波时刻下,所提自适应滤波方法具有良好的滤波效果和抗干扰性能,能有效提高脉冲激光近程探测系统在云雾环境下的测距精度。     

光学系统的球差对激光主动侦察的影响

利用光学窗口“猫眼效应”进行的激光主动侦察易受光学镜头的像差的影响。通过建立球差光学系统“猫眼效应”的理论模型,并运用数值仿真计算的方法,分析了目标光学系统的球差与侦察激光的回波发散角、接收功率以及最大侦察距离等参数的关系。结果表明目标光学系统的球差会明显增大回波发散角、降低回波接收功率和减小最大侦察距离,对激光主动侦察造成不良的影响。     

激光遥感成像多回波合成算法

根据提高激光遥感成像分辨率的需要,分析了该成像分辨率的影响因素.说明了仅利用回波时延和强度信息的传统处理方法,难以得到光斑内部地表信息,在某些情况下.甚至会造成较大的成像误差.通过对激光遥感成像回波信号模型研究和沿飞行路径的多回波信号关系分析,得到了多次回波关系方程组.利用激光光斑子区域划分和多回波方程组求解.从合成回波信号中提取出子区域回波信息.对子区域回波通过波形分解拟合算法得到子区域地表高度分布信息.通过与传统分析方法得到的成像结果相比,证实该分析方法可以有效提高成像分辨率和成像精度.