浑浊水体激光后向散射特性仿真与实验研究

由于水体的吸收和散射作用,光束能量在传播的过程中会产生衰减,激光脉冲会被展宽,制约着水下激光雷达的探测范围和探测精度。文中以浑浊水体环境下水下弱小目标探测为应用背景,建立了水下光子传播的蒙特卡洛仿真模型,模拟了不同衰减系数和散射率的水体后向散射回波信号,并对相应的水体后向散射回波信号变化趋势进行了分析。仿真结果表明：随水体衰减系数的增加,近场水体激光回波信号接收光子数逐渐增多;随水体散射率的增加,回波信号光子消亡速度逐渐降低。开展了不同浊度下的激光雷达回波信号的测试实验,实验结果表明：随水体衰减系数的增加,水体激光后向散射回波幅度逐渐增高,脉冲宽度逐渐展宽。在进行浑浊水体水下弱小目标探测时,随水体衰减系数的增加,应通过逐渐减小激光器能量或接收系统增益来增强水体回波与目标回波之间的差异,以此提高浑浊水体水下弱小目标探测的信噪比。实验验证了理论与仿真结果,为浑浊水体环境下水下弱小目标激光探测系统在不同水质下的激光能量选取、接收系统增益设计等提供理论支撑。     

频域滤波抑制海水后向散射的带宽研究

在激光雷达探测海水水下目标的应用中,基于频域滤波的信号处理技术可以抑制海水后向散射噪声.其中接收系统中滤波器带宽的大小不仅对后向散射起到抑制作用,而且对目标信号产生抑制作用.为了确定带宽取值范围,分析了调制脉冲激光雷达探测信号水下传输模型,研究了海水后向散射信号以及目标反射信号的频域特性.通过对接收信号在频域上进行仿真,归纳出接收系统滤波器带宽的最优设计方法.该研究结果为系统达到最佳信噪比奠定理论基础.     

机载激光多脉冲展宽识别运动目标和地面背景

结合多脉冲累积探测可以提高接收信号信噪比的特点与回波延时会造成脉冲展宽的特点,介绍了一种利用激光多脉冲展宽特性识别运动目标和地面背景的方法。由于目标速度的存在改变了光轴与目标表面夹角而造成回波延时,通过判别与基准脉冲不同的相关度,将其从地面背景区分出来。仿真结果表明,累积平均脉冲个数及次数越多噪声越小,信噪比越大,且多脉冲展宽可有效识别目标与背景,可应用于实际探测中测量目标运动速度及方位。     

低信噪比下脉冲激光雷达回波信号小波域滤波算法

通过分析脉冲激光雷达回波中目标信号与噪声在频域不同的分布特性及在小波域不同的传播特性,提出了小波域脉冲激光雷达回波信号滤波的新算法.在低信噪比下,利用小波分解和模极大值降噪技术相结合的方法,不仅能够很好地滤除激光回波中的高频噪声,并且也可大大降低回波中低频噪声对弱小目标的影响.仿真结果表明了该滤波算法的有效性.     

混沌脉冲激光雷达水下目标探测

海水对光波的吸收和散射,严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析,说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力,提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测,设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究,使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明,当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时,仍能提取出目标信号。     

机载远程激光测距机最大允许噪声仿真研究

为了提高机载远程激光测距机接收系统设计的可行性,从激光测距方程出发,分析了最小探测灵敏度与测程的关系。对回波频谱特性、探测模块带宽和放大器带宽进行了仿真,计算了回波信号的放大倍数,推算出主放大器输出信号的大小。依据高斯白噪声模型和主放大器输出信号值,推算了激光测距接收电路的最大允许输入噪声值。设计了电路并进行了试验测试。结果表明,激光接收灵敏度与理论值的偏差为5.7%,消光比法对应空中小目标最大测程与理论值的偏差仅为1.5%。该噪声分析方法对机载远程激光测距机的接收系统设计具有一定的指导意义。     

机载激光雷达的背景辐射抑制技术研究

机栽激光成像雷达在执行非合作目标识别/分类、精确成像制导、战场侦察和打击效果评估等方面有潜在的应用前景.在系统分析非相干探测激光雷达噪声特性的基础上,采用LOWTRAN7软件对激光雷达接收到的背景光功率进行了数值仿真.仿真结果表明,采用视场法、光谱分辨法和视频带宽法可以有效地抑制背景噪声,大幅度地提高激光雷达的探测距离,以满足机载火控系统对小目标远距离精确识别的作战使用要求.     

增益调制非扫描激光雷达测距精度的理论分析

非扫描成像激光雷达是激光雷达重要发展方向之一.介绍了增益调制型非扫描激光雷达系统的成像原理.根据该激光雷达的成像原理可以得出,脉冲宽度和背景光积累将会对激光雷达的测距精度产生较大影响.分析了脉冲宽度、回波展宽以及背景光会对距离精度产生的影响.在考虑脉冲宽度和背景光积累,忽略其他噪声和目标表面粗糙度的情况下,对大气传输和目标对回波脉冲展宽的影响进行了分析,对增益调制型非扫描激光雷达在不同的系统及目标参数情况下的回波波形和测距精度进行了仿真计算,为系统性能参数的选择和距离图像的后续处理提供了理论依据.     

时域展宽特性对相关检测性能的影响分析

时域展宽是激光回波脉冲的重要特性,也是影响激光雷达相关检测性能的重要因素。建立了考虑时域展宽特性的激光回波脉冲数学模型,以此模型和相关检测原理为基础分析了时域展宽特性对相关检测测距误差、信噪比的影响,从激光发射脉冲的近高斯能量时间分布模型出发,推导了时域展宽系数的计算公式,并对理论分析和计算结果进行了仿真论证。仿真结果表明:回波脉冲时域展宽系数与其衰减系数成反比,与发射脉冲上升时间成正比,随着时域展宽系数的增大,激光雷达相关检测系统测距误差增大,信噪比降低。     

激光遥感目标回波脉宽展宽特性实验

随着激光遥感探测技术的发展,目标回波脉冲特性对遥感探测的影响成为新的研究热点.脉冲展宽特性是激光回波的重要特性,其影响到回波接收信噪比和测距精度.为此,通过实验研究了目标回波脉冲展宽特性.描述了激光遥感回波波形采集实验系统主要构成以及关键技术参数.介绍了直射和倾斜入射情况下激光遥感目标回波脉宽展宽模型,并根据模型描述了回波脉宽展宽特性.对垂直探测楼房墙壁和倾斜探测草地的实验数据进行了分析,并将实验结果和理论分析数据进行了比较,取得了较好的一致性.最后提出了利用激光遥感回波脉宽展宽特性反演目标倾斜角的方法.     

基于目标波形模型的多脉冲激光雷达目标信号模拟

多脉冲激光雷达发射数个至数百个高重频激光照射目标,利用多脉冲回波累加实现信号积累。多脉冲激光目标检测性能的验证需要基于目标回波波形模型的动态目标信号模拟。脉冲激光目标回波波形可以由激光发射、信道传播、目标反射等环节之间的卷积传递关系加以建模。文中首先通过建立各环节的数学描述得到了回波波形的连续卷积模型。接着,针对积分解析模型不利于工程实现的问题,基于发射脉冲距离分辨单元提出了离散算法实现特定外形目标激光回波波形序列的直接计算。结合远程飞机目标的回波信号仿真,指出了回波波形与目标特性的内在联系,并通过实验进行了可信性验证。最后,应用文中模型及方法给出了多脉冲激光雷达动态目标模拟器的研制实现,为开展多脉冲激光目标检测研究提供必要的验证测试条件。     

脉冲压缩及相参积累在激光雷达中的应用

将现代微波雷达中的脉冲压缩及相参积累技术应用到激光雷达中,通过搭建激光雷达实验系统,对目标回波数据进行采集分析,数据处理结果表明,激光雷达应用脉冲压缩及相参积累技术后,可以显著提升激光雷达系统的性能。     

全尺寸目标激光脉冲后向散射回波功率测定和建模

运用粗糙面散射、激光脉冲散射理论,结合复杂目标粗糙表面相关建模参数,建立用于计算全尺寸复杂目标激光脉冲后向散射功率的理论模型.实验测量一种空中缩比目标模型后向散射激光脉冲回波功率,获取该缩比目标激光脉冲后向散射功率随接受天顶角的变化曲线.比较理论建模与实验测量数据,分析实验误差,证明了该理论模型的正确性.将建立的理论模型进一步应用于计算非合作空间全尺寸目标的激光脉冲回波功率.计算结果能够预估空间目标的激光散射特征,解决一些关于空间目标激光脉冲光学特征工程的应用问题.     

激光近程探测中目标表面的散射特性

在激光引信中,脉冲激光对目标的探测与识别是激光引信近程探测技术中的一个关键技术点,而目标的表面反射特性对探测的影响是激光近程探测高效毁伤与精确打击目标的主要研究关键。目标的表面粗糙度以及附着物对激光回波信号的强弱影响较大,因此,需对激光近程探测过程中不同粗糙度目标表面所表现的反射特性进行研究。首先通过仿真得到回波信号模型,再进行不同粗糙度表面回波功率实验对仿真结果进行验证。实验选用不同表面粗糙度的靶板,并采用了改变角度、改变距离并同时改变角度和距离的模式来观测得到的电压曲线,获得最终结果。     

激光目标回波模拟器时域特性研究

激光目标回波模拟器是激光制导武器系统半实物仿真中的关键设备。激光目标模拟器的关键技术之一是建立激光脉冲时域特性模型。因此,建立了大气湍流对激光脉冲展宽的模型,将大气等效成多层折射率变化的介质,分析了多层介质对激光脉冲的展宽机理,同时根据目标反射特性建立目标反射特性模型, 并对模型做了仿真验证。计算了距离在10 km时,激光发散角1 mrad、激光波长1 064 nm条件下的脉冲展宽最大值为10 ns。最后给出了一个平面目标的模拟数据。研究结果可以应用于激光雷达回波目标模拟器中。     

激光脉冲弱小回波信号提取方法研究

在激光红外复合制导中,主动激光雷达可以提供探测目标的距离信息,并与红外探测方式实现光电互补,有助于提高复杂战场环境下精确制导的准确率。激光测距时,准确的回波位置检测是确保测距精度的关键。而信噪化是决定精度和作用距离的关键。为了提升脉冲回波信号的信噪比,本文提出了一种结合自相关滤波算法与改进的奇异值分解方法的微弱脉冲提取方法,并分别采用仿真数据和实际采集的脉冲激光回波信号进行去噪实验,实验结果表明,本文所提出的方法能够有效地提升回波信号的信噪比,有助于提高激光测距的精度。     

紫外激光探测灰霾的后向散射回波特性

为了研究紫外激光探测灰霾的后向散射特性,基于Mie散射理论和蒙特卡洛方法,建立紫外激光后向散射探测灰霾模型,仿真灰霾条件下紫外激光的后向散射过程,并分析了不同宽度紫外激光脉冲后向散射回波的峰值功率、波峰时延和半高全宽等特征。研究结果表明,在一定灰霾浓度范围内,灰霾浓度越低,发射脉冲越窄时,激光回波畸变越明显,当发射脉冲宽度大于10 ns,激光回波近似呈高斯分布;在发射脉冲宽度相同的条件下,激光回波峰值功率和回波波峰时延随着灰霾浓度的增大而增大,回波半高全宽随着灰霾浓度的增大而减小,当发射脉冲宽度大于32 ns,回波峰值功率趋于平缓。文中研究成果可为紫外激光探测灰霾浓度及分析灰霾后向散射激光回波特性提供依据。     

目标散射特性对激光雷达回波特性的影响分析

研究目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响是进行目标激光雷达主动成像、跟踪以及目标识别的基础。首先推导了考虑探测激光时空分布的目标激光雷达回波公式,通过3DS MAX软件建立了三种典型目标的三维模型,采用单站激光雷达BRDF模型仿真得到了理想漫反射、近似镜面反射以及粗糙表面三种情况下不同目标多角度回波峰值序列,基于此分析了目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响,可为目标激光雷达主动探测及成像提供理论参考。     

光子雷达探测性能与测距精度的理论研究

为了研究基于盖革模式雪崩光电二极管探测器的光子雷达的探测性能与测距精度,采用数学建模的方法,从系统原理与探测时序出发,分析了长死时间、回波脉宽大于时间数字转换器分辨时间情况下目标探测概率的分布;由统计原理与质心法,建立了测距精度的理论模型。利用系统设计参量,分析了回波强度、回波脉宽、噪声和回波位置等参量对探测性能和测距精度的影响。结果表明,回波越强,噪声越低,回波位置越靠前,目标探测概率越高,虚警率越低,探测性能越好;回波强度和脉宽是影响测距精度的主要因素,回波强度越强,脉宽越窄,测距精度越高。