不同能见度下激光测距仪最大测程的数值算法
不同能见度下激光测距仪最大测程的数值算法
作者:郭豪;邱琪;马娜;刘艳芳
脉冲激光测距仪的原理和结构比较简单,测程 远,功耗小,已在地形测量、工程测量、云层和飞机高 度测量、战术前沿测距、对月观测m、卫星测距⑶等方 面得到广泛的应用。激光测距仪最重要的性能指标之一是最大测 程,它受天气条件尤其是大气能见度的影响较大,同 一台测距仪在不同能见度条件下的最大测程往往会 发生较大的变化。如何准确得到不同能见度下的最 大测程,是激光测距仪性能评测中的一个难点。文中 旨在提岀一种合适的计算方法,来解决当前最大测 程检测中难以量化的问题,并能够将某一能见度下 的最大测程很方便地换算到所需能见度下的最大测 程,从而为全面掌握和定量准确评估激光测距仪的 主要性能提供有力支持。
1常见最大测程检测方法
激光测距仪最大测程常用的检测方法主要有实 际测距法和消光比测试法两大类。
1.1实际测距法
实际测距法是最直观的检测方法,选择合适天 气,在指标规定的距离上放置待测的真实目标或替 代目标,然后对该目标进行测距,若能达到规定的准 测率就认为其测程检验合格。
实际测距法的优点是直接客观,在测距机的验 收与鉴定中最常用;不足主要有以下几点:一是对实 验条件要求较高,如天气、场地、目标等均需满足规 定要求;二是受能见度影响大,同一台测距仪在不同 能见度下测得的最大测程可能相差较大,实验重复 性差,结果可比性差;三是实验成本高,需要花费大 量的时间、人力和物力。
1.2消光比测试法
消光比测试法是通过在激光测距仪的发射或接 收光路中加入激光衰减器,来模拟大气传输及目标 距离对激光的消光效果,进而模拟检测激光测距仪 最大测程的一种方法。该方法首先为美军所采用, 1970年后开始为各国所采用。消光比测试法又分为 室外消光法、光纤消光法"3F和消光比与增益系数比 检测结合法if等。
(1)室外消光法
室外消光法检测原理如图1所示,在距激光测距 仪乙(通常取500m)处立一标准漫反射测试靶,靶面反 射系数为p且靶面积大于发射激光光斑面积,在激 光测距机发射光路中加入衰减器,瞄准靶板进行测 距,改变衰减器的衰减量,直至测距机达到临界稳定 测距状态,此时的衰减量可反映测距机的最大测程。室外消光法优点是受外界因素影响小,标准公认,设备简单,操作方便,成本很低。最大的不足在于 无法得到定量的最大测程值,因此只适合于批量产 品的比对检测,具有一定局限性。
(2)光纤消光法
光纤角光法原理与室外消光法类似(如图2所示), 不同的是以激光在光纤中的传输损耗来模拟激光在 室外500 m大气中的传输损耗。自测距机发射出的 激光经衰激光经衰减片衰减后进入光纤,激光经过光纤传输 后,由激光测距机的接收物镜接收。改变衰减片的衰 减量,直至测距机接收到的回波次数达到临界稳定 测距状态。
光纤消光法可以消除外界气候条件的影响,但 仍无法得到定量的最大测程值,且光纤易折断,不 便移动,因此在实用中也受到限制。
(3)消光比与增益系数比检测结合法
其原理为通过实测室外消光比和增益系数比,代入消光比关系式求解最大测程。结合法最大的优点是能够求出定量的最大测程 值,但测试工作量较大,需要专门的检测设备,成本 较高,操作较复杂。
2数值算法原理
根据辐射度学基本知识,不难推导出漫反射目 射引起,工程应用通常以能见度表示气溶胶消光系。T,为接收光路上的大气透过率;P为反射率;4为目 标面积;&为接收光学系统面积;a为目标表面法线 方向与测距光束的夹角;发射窗口至目标的距离为 乙;接收窗口至目标的距离为日为发散角。假设在 发散角内辐射强度是均匀的,且目标表面近似为朗 伯平面,遵守朗伯余弦定律。
对于近红外激光来说,其衰减主要由气溶胶散根据应用情况的不同,不同能见度下的最大测 程数值算法又可分为两种:直接计算法、比例计算 法。下面以小目标为例进行讨论。
2.1直接计算法
当最大测程计算公式中各项参数已知或可测, 可将获得的全部参数输入计算公式和得到如下形式 的方程:
RgMxexpIbxRg) (10) 式中;a、b为常数;7?呻为待求的最大测程,该方程为 一超越方程,可用迭代法、牛顿切线法等算法进行求 解。这种方法的优点是当所需参数已知或易测得时, 可直接定量计算出最大测程,无需复杂的实验,制约 因素少。通过改变能见度参数,可计算得到不同能见 度下的最大测程。
2.2比例计算法
适用于在低能见度条件下实测得到了此时的最 大测程或回波功率,需要推算出高能见度条件下最 大测程的情形。该方法不需要直接计算法中的很多 参数,仅需要某一能见度下的最大测程或回波功率 即可求出其他能见度下的最大测程,便于使用。
具体分为两种情形:
(1)已实测得到某一能见度条件下的最大测程,需要推算出其他指定能见度下的最大测程。假设能见度峪时,实测的最大测程过率为需要推算出能见度为%时的最大测程 Rs由最大测程计算。
(2)已实测得到某一能见度条件下某距离的目 标回波功率,需要推算出其他指定能见度下的最大 测程。
适用于未能(或不易)测到任何能见度条件下最 大测程的情况,此时仅需要测出一定距离处的回波 功率。假设能见度匕时,实测的测距仪接收到的回 波功率为R,透过率为“,需要推算出能见度为V2 时的最大测程艮应。
3数值模拟
下面以小目标为例,利用上述数值算法进行数 值模拟计算。
3.1直接计算法
假设某激光测距仪波长入测得的初始发 射功率R=X2MW,光学系统透过率r)r=Ve=x3,发散角 0=X4inrad,接收光学系统直径D=&m,F血=%W,目 标反射率为为,目标表面积为Km?,目标表面法线与 测距光路夹角为0°,能见度V=25km,g=1.3。各项参 数输入公式(8),得到方程为:
Rg=34 179xexp(-0.000 02x7?,^)(13)
易知该方程有且只有1个正根。用迭代法进行 求解。可计算出方程的根在22 005.6-22 005.8之间, 所以取其根为22006已可以达到所需精度,即能见 度V=25km时,该测距仪的最大测程为22 006m。
3.2比例推算法
(1)情形一
假设当能见度峪=10km时,实测的最大测程为 覓牌=15 635111,透过率为7>0.209 4,要求推算出V2= 25km时的最大测程R、。将参数代入公式(11),则 超越方程为:/?max=34 167xexp(-0.000 02x7?^)(14)利用迭代法解之得Rg=22 000m。
(2)情形二
假设 Vi=10km,7?gi=10km,Ti=0.367 7,实测的 回波功率为R=5.54xlOTW。要求推算出V2=25km 时的最大测程7?乖。将参数代入公式(12),同样是求 解超越方程Rmax=34 179xexp(-0.000 02xR,^)(15)利用牛顿切线法解之得死祝=22 000m。
3.3激光测距仪的R^-V曲线
利用文中提出的最大测程数值算法,可以方便 地研究计算不同波长、峰值功率和灵敏度的激光测 距仪对不同表面积、反射率的目标在不同能见度条 件下的最大测程,可以定量地分析各个相关参数对 最大测程的影响。
1.06 jim、1.54 |im、1.57 |jim 三种 波长的测距仪在不同能见度下的最大测程曲线。图4 给出的是波长为峰值功率分别是lO^W、 io6wao7w的测距仪在不同能见度下的最大测程 曲线。每相邻两点的最大测程相差1km。
在相同条件下:
(1)随着能见度的增加,同一测距仪的最大测程 逐渐呈现一种“饱和效应”,能见度小于20km时对 最大测程的影响较大;
(2)高峰值功率的测距仪在能见度越高时,最大 测程的提升越显著;
(3)波长为1.57 |xm和1.54 |xm的测距仪最大 测程指标明显优于1.06 rim的测距仪。
在斜程测距情况下,利用斜程透过率计算公式, 结合文中提出的计算思路,同样可完成斜程测距时 不同能见度下最大测程的数值计算,限于篇幅,这里 不再列出。
4结论
文中提出的激光测距仪最大测程数值算法能够 直接定量计算出激光测距仪的最大测程,快速方便地 完成不同能见度下最大测程的换算,无需检测消光比 和增益系数比,并可对影响最大测程的相关参数如测 距仪自身参数、大气参数、目标参数等进行逐一分析, 具有结果直观,计算精度高,应用广泛灵活,重复性 好,工作量小,成本低等优点,能够为激光测距仪的设 计生产、性能检测及实际使用提供重要的技术支持。
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