激光成像雷达技术及发展趋势

简要介绍了激光成像雷达的技术特点和现状,基于成像器件基础上阐述了用于成像雷达的几种激光成像探测技术。简单论述了激光成像雷达未来的发展趋势。     

激光高度表与干涉雷达数据融合在高度测量中的应用

雷达干涉仪和激光高度表广泛应用于地面高度测量。本文首先利用雷达干涉仪确定地面高度，然后再融合激光高度表数据改进雷达测量结果。数据测量结果表明，与仅使用雷达干涉仪测得的数据相比，数据融合获得的高度测量数据更为精确。     

基于大气分层的激光测风雷达回波模型

从相干激光测风雷达原理入手,论述了激光雷达回波特性和多普勒效应在测风雷达中的应用。基于大气分层模型,考虑到激光束的传播及其与大气之间的相互作用,建立了激光测风雷达回波模型,模拟回波信号在大气中的传输过程,为激光测风雷达回波信号的模拟提供了理论基础。     

雷达启发的强激光啁啾脉冲技术——军事需求催生基础研究的一个典型案例

基础研究前沿领域大多来自人们对自然规律的自由探索,然而国家需求、特别是战时的特殊需求往往也会导致基础研究特色新生的领域,其中的科学思想和技术方法更容易催生颠覆性科技创新。2018年诺贝尔物理学奖颁发给了雷达启发的"啁啾脉冲技术"正是这方面的典型案例。雷达是"二战"时期最重要的军事需求之一。一方面,雷达发射源的新技术探索,导致从微波激射器到激光一系列的原创性的基础研究和技术突破,如原子的激光冷却技术;基于激光的光纤通信技术更是改变了现代人类的生活方式。另一方面,雷达系统的啁啾脉冲技术被应用于光学领域,突破了产生强激光的技术瓶颈;而强激光的出现又催生了一些全新的基础研究领域,如惯性约束核聚变。文章将通过从雷达到激光及啁啾脉冲技术历史发展中的关键技术介绍,展示战略需求对基础研究诞生的牵引性作用。     

0.86μm激光扫描二维成像的实验研究

本文给出作者设计的0.86μm激光二维成像系统的原理框图、成像雷达距离方程和部分物体对0.86μm激光的反射对比度的测试数据,并展示了各类物体激光成像的照片.     

一种改进的视觉传感器与激光测距雷达特征匹配点提取算法

激光测距雷达与视觉传感器的配准是视觉图像与激光距离信息融合的前提。激光测距雷达与视觉传感器的配准可分为点匹配与平面匹配。由于混合像素和非结构空间特征激光点丢失现象,使得基于点匹配的视觉传感器与激光测距雷达配准算法精度难以提高。通过对混合像素和非结构空间特征激光点丢失问题的分析,提出了一种结合平面建模思想,利用假想激光光束与平面模型相交提取匹配特征点的方法。验证了实验结果并进行了算法精度比较。实验结果表明,这种改进的特征匹配点提取算法解决了特征点缺失,并且提高了点匹配的精度,使匹配性能大大地改善。     

近距离雾的激光多次散射模拟

为了满足精确快速获取雾的多次散射仿真需求,在近程雷达距离较近情况下,将雷达方程和Mie散射理论相结合,提出一种快速有效的激光多次散射计算方法.首先通过雾滴谱模型建立雾颗粒的几何模型,然后根据Mie散射理论获得的单个粒子的散射函数计算激光在雾模型中单个颗粒的一次散射和二次散射功率密度,结合雷达方程推导出雾的多次等效散射截面和散射系数计算函数.模拟计算表明:雾的激光二次等效散射截面与雾浓度的2/3次方成正比,二次散射系数随能见度增加的衰减比一次散射系数快.     

激光多普勒振动信号的时频分析

激光多普勒雷达实际测得的振动信号绝大多数都是时变信号,而基于傅立叶变换的时频分析方法是处理时变信号的有利工具。本文针对激光多普勒雷达测得的实际振动信号,比较了魏格纳-维利分布、平滑伪魏格纳-维利分布、频谱图、波恩-约旦分布和扩展修正B分布5种形式的时频分析性能。利用激光多普勒雷达测量实际单音响产生的啁啾信号振动、双音响产生的二分量啁啾信号振动、以及成年男性心跳振动3种振动,分析了时频图的分辨率和交叉项抑制情况,并通过计算时频聚集度指数,比较了5种分布情况下振动的分析性能。实验证明,扩展修正B分布的性能优于其他4种时频分布,扩展修正B分布更适合应用于激光多普勒雷达材料共振频率探测和心跳检测领域。     

应用于地形匹配导航的激光高度计设计

为解决基于雷达高度表探测的地形匹配导航系统探测精度不高、易受电子干扰影响而失效、且在跨海飞行时无法导航的难题,设计了一种激光高度计来代替雷达高度表进行地形探测。采用二极管泵浦固体激光器技术设计激光发射装置,输出近红外/蓝绿双波长激光,既可以测量陆地地形高度,又可以穿透海水探测海底地形;并根据激光高度计拟达到的性能指标选择合适的光电探测器,优化设计了光学系统、扫描系统和信号处理系统。所设计的激光高度计具有体积小、重量轻、高重频、探测灵敏度高、抗电磁干扰能力强等特点。     

基于统计特性的激光雷达距离像噪声抑制算法

激光成像雷达在工作时会受到噪声干扰,因此需要滤除距离像中无法反映真实信息的异常点。根据激光成像雷达距离像噪声的分布,推导出距离像中非异常值的分布特性,并提出了一种距离像异常值的判定条件。将判定条件表示为小范围内抽样分布的函数,利用稳健统计中的中位值法可估算出判定条件的取值,从而可以移除异常点得到噪声抑制后的距离像。利用该算法分别对激光雷达距离像进行仿真和实际获得的激光雷达距离像进行处理并进行数学分析,并与中值滤波进行了比较,结果表明基于统计特性的噪声抑制算法同时具有很强的噪声抑制能力和保护目标细节信息能力,可以满足激光成像雷达距离像噪声抑制的要求。算法充分利用了激光成像雷达较高的测距精度,可以应对多种场景下的需求,具有很强的实用性。     

连续波对激光雷达的电磁干扰效应

为检验连续波电磁环境下激光雷达的安全可靠性,以单线离轴激光雷达作为试验对象,进行了连续波作用下激光雷达电磁干扰效应试验。通过试验得到,当干扰天线极化方向不同时,同一激光雷达的敏感频率和频段也是不同的,而且干扰信号的敏感频率和敏感频段不同时,激光雷达受干扰的场强的大小不同,在同一敏感频率场强越大,激光雷达受干扰情况越严重;最后分析得到了该激光雷达受到干扰的原因, 为改进激光雷达,提高其电磁环境适应性提供了依据。     

成像激光雷达系统性能的研究

如何合理而有效地设计成像激光雷达系统 ,是进行成像激光雷达系统研究的关键 ,设计时必须充分考虑各种参数之间的相互关系 ,根据所提出的指标 ,选择激光器和探测器及其它元器件。以二极管泵浦固体Nd∶YAG激光器为光源 ,以探测的统计学为基础 ,从作用距离、探测概率、虚警概率、信噪比等方面研究了成像激光雷达系统的性能 ,探讨了成像中实际影响成像像素数的因素 ,为成像激光雷达系统的研究提供必要的理论依据。     

微分吸收激光雷达在遥感大气密度过程中的探测误差、最优化发射功率和测量精度等问题的探讨

详细地讨论了微分吸收激光雷达测量气体密度时中心频率的漂移所引起的测量误差。计算结果表明,中心频率的漂移是微分吸收激光雷达主要的误差来源。还探讨了微分吸收激光雷达的发射功率的优化和探测精度的优化等问题。计算结果表明,优化前的中心频率的发射功率大于优化后的发射功率,随着探测距离的增大,两者的比值越来越大。而且优化后的精度高于优化前的精度,随着距离分辨率的减小,两者的比值也越来越大。因此,在探测距离比较大和距离分辨率比较小的情况下,微分吸收激光雷达的优化显得特别重要。     

Correlation recognition for range image of laser radar

The target recognition of laser radar becomes hot research in recent years, because laser radar can produce high space resolution and collect rich target information, such as range image, intensity image and Doppler image. In the vertical detection of laser radar, the problem of in-plane target rotation invariance is firstly solved. In the paper, a new support vector machine (SVM) correlation filter is presented, which simultaneously has the attractive attributes of SVM and common correlation filter. Exploiting the idea of margin of separation maximization, the design criterion is produced. The filter is synthetic by the multiple training images which are generated by rotating one image. The real range images of laser radar are used to finish the correlation experiments. The results show that the filter is not sensitive to the noise, the correlation peak is changed slightly for the different testing images, and the precision of location is high.This design way can be used in other recognition fields.     

主被动光学图像融合技术研究

本文应用扫描式激光成像雷达获取试验数据并实现对激光数据的三维成像处理,给出了基于目标特征的激光雷达图像与被动光学图像的数据融合方法,实现了激光图像和光学图像间的三维融合。试验结果表明,本文所提出的基于目标特征的两种不同质图像间的融合方法是可行的,融合后的图像具有丰富的光谱信息和三维立体信息。     

激光散斑效应对激光雷达探测性能的影响

分析了激光散斑效应对激光雷达探测性能的影响. 给出了远场情况下接收物镜所采集激光散斑数的表达式. 在物镜所采集的散斑和光电子数均较大情况下，提出了光电子所遵守的分布. 分别导出了机载和星载激光雷达的探测概率. 分析表明激光雷达探测性能与所采集的散斑数密切相关，接收的散斑数仅与激光束腰和物镜的口径有关，随着接收散斑数的增加，散斑噪声的影响将减弱. 关键词： 激光雷达 激光散斑 探测概率     

信号延时叠加提高激光雷达探测信噪比

以激光雷达回波信号的频谱特征为基础,提出了用信号延时叠加来提高激光雷达探测信噪比的方法.通过实验测量获取了大量激光雷达回波信号,并以此为基础,讨论了信号延时叠加提高激光雷达探测信噪比的可行性.结果表明:在系统带宽50 MHz、回波脉宽30 ns的条件下,通过信号延时叠加可提高激光雷达的探测信噪比在40%以上,且存在最佳的延时时间.     

基于啁啾光纤光栅时分延时的相控阵波束形成

利用脉冲调制雷达信号的间歇性工作特点,不同波长的激光与雷达信号进行时分调制。啁啾光纤光栅将已调制射频信号的一串光脉冲序列进行反射延时,不同波长的激光序列在不同位置反射后产生不同时延。对载波频率等于4GHz的脉冲雷达信号进行实验测量,结果表明4个阵元的延时值与波束指向的理论延迟值一致,满足系统设计要求。