基于IDL的激光测高雷达回波时域仿真算法研究

从激光测高雷达回波能量分布模型和地表模型入手,详细介绍了基于IDL的激光测高雷达回波的仿真过程及仿真程序各个模块的功能,用Pearson相关性方法将仿真所得波形与实测回波波形进行了分析比对,二者的相关性系数达到90%以上,并分析了回波脉冲波形随测高系统参数和地表参数的变化情况.该方法可以直观有效地对不同地表的回波进行仿真,为激光测高雷达的回波分析提供了重要的技术手段.     

利用自适应滤波星载激光测高仪回波噪声抑制方法

具有波形记录功能的星载激光测高仪,通过回波信息解算地表与卫星平台距离和反演地物特性。目前广泛采用的固定宽度高斯滤波方法在抑制回波噪声过程中造成有效信号变形,对提取信号有效参量造成严重干扰。根据分块信号统计特性不同的规律,提出了激光测高仪回波噪声均值和方差的估计方法;根据回波信号的统计特性,设计了一种宽度自适应的高斯滤波器。通过GLAS系统实测回波信号的噪声估计与自适应高斯滤波、高斯拟合,得到的波形处理结果与GLAS官方数据有很好的吻合度,噪声均值估计误差小于0.4个数字化仪单位,有效高斯参数计算误差小于1%。该方法能准确地提取波形参量,为地表高程解算和目标表面信息反演提供有效数据。     

整形为平顶洛伦兹光束的非球面透镜组研究

高斯光束整形为均匀平顶光束在激光加工、激光驱动核聚变等方面有着重要应用。以平顶洛伦兹函数作为输出光束强度分布,采用非球面透镜组整形方案,通过分析平顶洛伦兹函数阶数和半高宽对整形效果的影响,使用最小二乘法拟合非球面面型,最后透镜组由ZEMAX软件进行光学仿真,结果表明,选用阶数为25,半高宽增大时,整形效果越好,在中心一定区域能达到理想的平顶光束输出。     

星载激光测高仪海洋表面回波计算的理论模型

不同地表目标的模拟回波波形对测高仪系统参数设计具有重要意义,而海洋回波参数在Tsai之后很少被研究。根据菲涅耳衍射理论、海洋表面镜面反射性质以及海洋表面波高和斜率的统计规律,推导出与Tsai结果不同的近天顶方向入射时星载海洋测高仪探测器输出的回波解析表达式和回波总光子数;并用该推导结果建立了适用于激光测高仪亚毫弧度量级发散角的回波解析式。将模拟波形与地球科学激光测高系统(GLAS)真实海洋回波做对比,其能量、脉宽、振幅和形状都非常接近,误差均小于6%;分析得出海洋测高仪回波与测高系统参数和海平面上方平均风速有关,以GLAS参数为例,在风速大于12m/s的条件下将很难收到有效海洋回波。该结论对海洋激光测高仪的系统设计参数及海平面上方风速的反演提供了重要的理论依据。     

对地观测星载激光测高系统高程误差分析

星载激光测高系统通过接收卫星平台激光器发出的激光脉冲经地表反射的微弱回波,计算卫星与地表的距离;结合卫星轨道和姿态数据,生成激光脚点精确地理位置和高程结果.其高程误差主要受器件、环境和目标参数影响,目前还没有完整描述对地观测星载激光测高系统平面和高程误差的数学模型.简化并完善了针对固体地表的激光测距误差模型,建立了完整的激光脚点平面和高程误差模型.利用高程精度和空间分辨率更高的机载Lidar数据评估了星载激光测高系统GLAS实测数据的高程偏差,评估结果符合所建误差模型.在较平坦的冰盖表面,GLAS系统高程精度可以达到设计值约15 cm.研究内容对测高系统高程误差评估和系统参数设计具有参考意义.     

圆形平顶高斯光束阵列在湍流大气传输中的M2因子

应用Wigner分布函数的二阶矩定义和拓展Huygens–Fresnel原理研究了圆形平顶高斯光束阵列在湍流大气传输中的光束性质,得到其传输质量因子（ 因子）的解析表达式,进行了相应的数值计算和模拟。结果表明：在湍流大气中传输时,圆形平顶高斯光束阵列的传输质量因子随传播距离、湍流大气结构常数的增大和束腰宽度的减小而增大;当光束阵列阶数一定,阵列个数不断增加时,其传输质量因子先保持不变,然后开始减小,最后不再减小,而保持这个定值不变;当光束阵列的个数一定,阶数不断增加时,其传输质量因子减小,最后不再减小而保持不变。在自由空间中传输时,圆形平顶高斯光束阵列的传输质量因子保持不变。     

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.     

高阶平顶高斯光束阵列在自由空间中的相干合成

高阶平顶高斯光束在自由空间传输过程中,光强分布经历了三种状态:平顶高斯分布,平顶高斯中心凹陷分布,高斯型分布.通过对前两种状态相干合成光强分布特点进行模拟,研究了光束阵列结构、种子光束阶数、传输距离等因素对相干合成的影响,并用桶中功率对相干合成的光束质量进行了评价.结果表明:两种状态下相干合成都可以变为高斯光束,不过中心光强和光束半径的变化趋势不同.在一定条件下,阵列环上光束数量越多,相干合成光束的效果越好.     

激光高度计接收脉冲回波信号分析器

激光高度计接收脉冲回波是叠加有噪声的多重非高斯波形,有效提取非高斯波形的统计参量对于反演目标高度和种类信息是十分关键的。基于接收脉冲回波信号的特点,利用广义高斯函数模型完成接收脉冲回波信号的数学建模。通过对接收脉冲回波的平滑滤波和初始参数获取,并采用非线性最小二乘算法,开发了一种提取接收脉冲回波统计参量的波形分析器。利用波形分析器对仿真的回波波形进行了处理,结果表明,对于15 dB的单个广义高斯波形,其统计参量的最大提取误差不超过1%。随着广义高斯分量个数的增加以及回波信噪比的降低,统计参量的提取误差有所增加。利用波形分析器能够有效地提取回波波形的统计参量,为反演目标信息提供数据依据。     

部分相干平顶光束序列在湍流大气中传输特性

为了研究部分相干平顶光束序列在湍流中的传输特性,采用扩展Huygens-Fresnel原理,得到了相应的解析表达式,并运用MATHEMATICA进行了相应的数值模拟。结果表明,湍流一定时,相干长度越小,变成高斯光束的趋势越快;光束阶数越大、相干长度越小,部分相干平顶光束序列的相对束腰宽度扩散较快;相干长度越小、光束阶数越大,部分相干平顶光束序列的斯特列尔比受湍流影响越小;在远场中,当阶数改变,桶半宽度小于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的光束阶数相对高,桶中功率相对大,桶半宽度大于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的光束阶数相对高,桶中功率相对小;当光束的相干长度改变时,桶半宽度小于4倍光束的束腰宽度时,平顶光束序列的相干长度σ越小,桶中功率越大,桶半宽度大于4倍光束的束腰宽度时,相干长度σ越大,桶中功率越大。这些结果对激光在通信方面具有一定的实际应用。     

CsLiB6O10晶体用于平顶高斯光束和高斯光束二次谐波转换效率的特性比较

本文讨论了CsLiB6O10晶体用于平顶高斯光束和高斯光束二次谐波转换效率的机理，对影响平顶高斯光束的二次谐波转换效率的泵浦光强度、偏振分量比、晶体长度和平顶高斯光束的阶数进行了分析和数值模拟，获得了在Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配下，通过CsLiB6O10晶体时平顶高斯光束的二次谐波转换效率理论值逼近于1和78．5％。得出在相同条件下，平顶高斯光束的二次谐波转换效率大于高斯型69．1％的结果。     

部分相干平顶光束在非Kolmogorov大气湍流中湍流距离的变化

为了说明部分相干平顶(PCFT)光束在非Kolmogorov(非K)大气湍流中湍流距离的变化,基于广义惠更斯-菲涅耳原理和利用相对M2因子定义的湍流距离,推导出部分相干平顶光束在非K大气湍流中传输的湍流距离的解析表达式。部分相干平顶光束在非K大气湍流中的湍流距离由非K大气湍流参数即广义指数参数、湍流内外尺度和部分相干平顶光束在z=0处的初始二阶矩即光束参数(包含光束阶数、波长、相干度以及束腰宽度)决定。研究结果表明,PCFT光束在非K大气湍流中的湍流距离随广义指数参数的增加先减小达到最小值后再增大,随部分相干平顶光束的阶数和波长的增加而增大,随光束相干性的减弱而增大,随光束束腰宽度的增加做先减小后增大的非单调变化。     

平顶高斯光束通过光阑-透镜分离系统的焦移

为了对平顶高斯光束通过光阑-透镜分离光学系统轴上光强分布和焦移进行详细研究,采用Collins公式,通过数值计算,对各个参量对光强分布和焦移的影响进行了分析,得到了精确直观的解析式。结果表明,其光强分布和焦移不仅由平顶高斯光束的阶数N、光束的菲涅耳数Fw决定,还与光阑菲涅耳数Fa、光阑与透镜距离s有关。     

激光测高仪高斯回波分解算法

地球表面地形的复杂多样可对激光测高仪回波波形产生显著影响,造成多峰叠加形状,该波形通过经典的阈值比较或重心点等算法很难精确得到激光足印内每个反射面的海拔高度。通过高斯分解法把测高回波波形分解成一系列连续的高斯波形,通过拟合得到每个高斯波形的宽度、中心点、幅度等基本参数来估计激光足印内起伏地形的不同反射面的海拔高度。将该算法应用于激光测高仪原理样机,并通过采集不同地形的多模回波数据对该算法进行了验证。     

平顶多高斯光束通过ABCD光学系统的传输特性

利用广义惠更斯一菲涅耳衍射积分公式,研究了平顶多高斯光束通过ABCD光学系统的传输特性,推导出光强分布的解析式.以透镜系统为例,给出了平顶多高斯光束聚焦场轴上的和焦面处的光强分布表达式,并对其光强分布进行数值计算及分析.研究结果表明,平顶多高斯光束的聚焦特性与阶数N以及透镜系统的菲涅耳数Nw等有关,随着平顶多高斯光束的阶数N的增大或透镜系统的菲涅耳数Nw增大,轴上和焦面上的光强迅速增大、聚焦光斑减小、焦移量迅速减小.     

周视激光引信超低空探测地面回波特性研究

周视激光引信在超低空探测中采用距离波门压缩技术实现抗地杂波能力。针对波门压缩技术需利用地面回波精确、稳定测高的需求,研究了周视激光引信超低空地面回波特性。建立了周视激光引信超低空对地探测模型,利用双向反射分布函数,推导了周视激光引信在时域上接收的地面回波功率方程。计算和分析了在导弹飞行高度、导弹俯仰姿态、地表反射特征等不同条件下的地面激光回波参数。结果表明,周视激光引信对地测高固有绝对误差随着探测距离的增加而逐渐变大,而测高固有相对误差逐渐变小。随着俯仰角的增大,激光回波脉冲的脉宽展宽率增大。地表双向反射分布函数镜面反射分量越大,地面回波功率对导弹俯仰角的变化越敏感。可为超低空条件下周视激光引信抗地杂波的研究提供理论支撑。     

泵浦光为平顶光束时对DPL泵浦效果的影响

采用平顶高斯光束模型来表示平顶光束，并定义平顶高斯光束的阶数N为平顶度。利用从激光器的四能级速率方程出发得到的交叠积分理论，通过计算，发现平顶的光束半径以及平顶度会严重影响到激光器的阈值泵浦功率和斜效率等参数，绘制了相应的变化曲线。在此基础上结合实际，讨论了单根光纤和多根光纤耦合LD的输出光束的光场分布，并利用已建立的平顶光束模型分析了它们的泵浦特性。     

空心傍轴高斯光束的传输特性

推导了空心高斯光束经过傍轴光学系统的传输模型;利用导出的公式计算分析了卒心高斯光束在自由空间的传输特性;最后利用Matlab对传输方程进行模拟仿真.结果表明:高斯光束的阶数n和沿傍轴的传输距离z是控制空心光束的主要参数.随着阶数n的增大,高斯光束逐渐变为空心高斯光束,且中心暗斑和亮环的半径也相应增加;当传输距离z增大时...     

机载平台动态杂波背景下多脉冲激光距离扩展目标回波滤波算法研究

现代飞机装备机载光电探测系统,采用红外热像仪搜索空域飞机目标的方位,利用脉冲激光测距机测量目标的径向距离。机载脉冲激光目标检测是一个动态过程,当光斑在目标上移动或大气湍流折射导致回波光束偏离接收天线时,目标时有时无,导致无法稳定跟踪目标。仅利用目标回波脉冲的幅度信息进行检测,限制了激光目标的有效作用距离。在机载平台的动态杂波背景下,将脉冲激光目标视为距离扩展目标,回波信号看作目标波形像,结合时间宽度上的波形特征开展检测,可较好解决动态目标检测问题。鉴于此,文中提出了一种基于小波变换的多脉冲激光距离扩展目标回波滤波算法。实验结果表明,所提算法能够较好地保持波形特征。     

基于激光动态探测机理的目标回波特性

针对激光近程全向动态探测问题,基于激光动态扫描探测机理,在激光近场探测理论基础上,推导出基于激光动态探测机理的目标回波轮廓波形方程,分别从理论推导和实验分析两方面入手,研究了目标回波特性影响机理。结果表明:随着发射功率的增加,回波信号幅值提升幅度较大,脉宽压缩；随着激光发射脉宽的增加,回波信号幅值呈现快速下降,且脉宽展宽；随着光束发散角的提高,回波幅值缓慢降低且脉宽展宽；随着目标距离的增加,回波信号幅值迅速降低且脉宽展宽。