H标形状对激光测距机测距能力影响的数值橾拟研究
H标形状对激光测距机测距能力影响的数值橾拟研究
作者:王秀生;牛燕雄;张鹏;段晓峰
1引言
激光测距仪是激光应用领域中最早、最成熟的技术之一,在军事、航天、大地测绘、工程建筑等方面都有着广泛的应用和深人的研究归。目前美国等发达国家已经发展出了第四代激光测距机, 在测距性能和人 眼安全等方面有了很大的改进风激光测距理论已经得到了较系统和全面地研究,并在实际应用中得到了检验。但是,过去的研究 主要集中在激光大气传输、激光器 的改进以及探测器本身的性能等 方面口,而有关目标形状对测距性 能的影响却少见有研究。
本文重点讨论被测目标的形状特性对激光测距性能的影响。在建立点目标、扩展目标和线形目标 的理论模型过程中,引人了等效散射面积的概念,推导出三种目标形 状对于探测功率和信噪比影响的 表达式,并在此基础上进行了数值 模拟。结果表明,目标形状在较近 距离情况下对测距机的接收功率 和信噪比有显著影响,而在较远距离情况下其影响可以忽略。
2基本概念和公式
2.1测距方程
脉冲式激光测距机测距时,向被 测目标发射一束激光,用光电探测器 件接收被目标反射的回波信号,通过 计算脉冲的往返飞行时间得出目标 的距离。对于各向同性的理想漫反射目标,光电探测器接收到的目标反向 散射功率。
衡量激光测距机性能指标中最重要的是最大测程,而最大测程 是由既定虚警率下探测器的最小 可探测功率决定的,在其他参数不变的前提下, 二者为函数关系,可 通过讨论最小可探测功率而得到最大测程的情况。
2.2等效散射面积
标定激光测距机时往往选用理想的散射体作为被测目标,其大 小散射系数、外形尺寸散射面与入射光的角度、背景条件等是测试者选定的符合测试条件的理想目 标。但在实际应用中,上述因素是 复杂多变的。为方便讨论,我们引人等效散射面积a,因为实际被测 目标的散射效果与目标散射面积、 散射系数、散射面与人射光的夹角 等因素有关。对于标准朗伯散射 面,6可用下式 表示叽
a==4p诏co翡,(2) 其中P2it为方向-半球反射系数;A为目标的面积;0为反射光线与反 射面的夹角。a是由被测目标散射 面积的大小、反射性质和探测器与 散射面的相对位置决定的一个物 理量,具有面积的量纲,它的大小 表征截取发射机发射功率的多少。 与目标本身的面积相比,等效散射 面积更能反映目标对入射激光的 散射能力,在理论上更接近实际。
当研究激光测距时,一般假设 被测目标的反射面为郎伯 (Lambert)反射面。在探测距离上按照目标相对千衍射光斑的大小可分 为三类叽第一类目标是扩展目标, 其径向尺度比衍射光斑大很多;第 二类目标是点目标,点目标是能被 光斑覆盖的目标;第三类目标是线 形目标,线形目标是指目标在某一 方向上小于光斑尺度,而在另一方 向上大于光斑尺度。
对千点目标来说,可以用目标 的散射截面来表征其目标特性;而 对千扩展目标来讲,由于光斑不能 充满整个目标,只能讨论光斑的散 射截面。而对于线状目标来说,必须考虑目标在光斑的位置。
(1)对千郎伯散射点目标,假设 被均匀照射的面积为A,则其等效散射面积。
(2)对于一个扩展的朗伯散射目标,目标的面积比激光光斑的衍 射面积大,散射面的大小由激光的 衍射面积来决定。设激光的衍射极限 角01,在距激光测距机R处,光斑面 积为咄守/4,它的等效散射面积。
(3)对于线形目标,它的长度大于一个被照亮区域的长度,而宽 度却小于被照区域的宽度,现考虑 一个漫射的线形目标,其直径为d, 长度为R01从为发射激光的衍射 极限角,它的散射等效面积。
由以上表达式可以看出:对于点H 标、扩展目标和线形目标,探测豁 接收功率分别与目标距离的四次 方、两次方和三次方成反比。
2.3合作目标的情况
理想的合作目标将入射的激 光束无损失的反射回来,同时也不 会改变激光束的性质。在测距方杆表示发射的光束右 目标处扩散面积上的光能量的斗 均值;A/(陌吩表示探测器接收入 线与目标散射光面积的比;冗T,表 示在传输路径上的衰减系数;o表 示目标截取发射机发射功率的本 领。对于是理想朗伯体的目标,散 射空间是半球空间。即w,==2'1T。对] 理想合作目标,由于反射后不改癹 光束的性质,即W,,:=W1。反射后能护集中并按入射方向返回。从中可以 看出,起决定作用的是合作目标能 够向人射方向反射光束而不是散 射,保证了光束能量的集中。目杠 大小和形状可以不予考虑。
3数值模拟
3.1对探测功率影响的数值模拟
假设大气对激光的衰减系数为O.ldB/km, 做这样的假设是出千把 目标的性质作为研究重点的考虑目标的大小是与激光光斑的大小扣 比较而言。设激光束发散角矶为 lmrad, 目标直径R为2m,那么1-1 标距离R在2km以外时,即可作为 点目标来处理。同样线形目标的白径设d为0.4m,在R>2km处,与激 光光斑直径相差5倍以上,可以作 为线形目标来处理。探测功率还与激光束散角81 有关,把它作为一个参数讨论。 方便起见, 把探测器接收功率归一 化。设激光束散角81 在l~ 1.8mrad之间变化,做出探测功率 随目标距离和激光束散角的变化曲 线。
3.2对信噪比影响的数值模拟
信噪比(SNR)信号电流的均方值;i尽是 散弹噪声电流的均方值;林是热噪 声电流的均方值;i品是背景噪声电 流的均方值;乱是暗电流的均方值。从背景收集到的光子或辐射的 能量引起探测器载流子激发的数量 起伏和浓度的随机变化,引发了散弹 噪声。略背景和环境温度等对信噪比的影响,单纯考虑目标性质对 信噪比的影响,中信噪比和目标距离、激光束散角 的关系,做出信噪比随目标距离和 激光束散角的变化曲线。
4结束语
通过引人等效散射面积,对点 目标、扩展目标、线形目标的探测 功率和信噪比进行数值模拟。从图 2可以看出目标在近距离范围内 (R<2.5dl01), 对于线形目标探测系 统接收到的功率最小,而对于扩展 目标探测系统接收的功率最大。在 目标达到较远距离时(R>4dl0,),对 于三种目标探测系统接收的功率都趋千相等。激光束散角对扩展目标探测 功率的影响比线形目标大。从图5 种可以看出,目标距离R=I.Id/01 时,点目标对应的信噪比最大。当 目标距离R>2dl0i时,三种目标对 应的信噪比趋于相等。比较图6和 图7可以看出,激光束散角的变化对 扩展目标信噪比影响比线形目标的 大。
综上所述,目标的形状及大小 在激光测距机的设计、定标和应用中是重要的影响因素,应加以考虑。尤其在测程较小时,适当增加激光束散角,能提高信噪比,同时对探测器接收功率不会产生太大影响。
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