脉冲激光探测平面目标特性对测距分布的影响

针对脉冲激光近程探测系统平面目标特性影响测距分布的问题,推导了平面目标脉冲响应方程和脉冲激光回波方程,分析了不同平面目标倾斜角、激光发射发散角和激光发射脉宽对激光回波展宽的影响.基于脉冲激光回波方程和恒阈值时刻鉴别方法,推导了平面目标的测距概率密度函数解析式,并理论仿真分析了不同平面目标倾斜角、激光发射功率、激光发射发散角及阈噪比对测距统计特性分布的影响.运用蒙特卡罗算法进行全波形模拟测距实验;搭建脉冲激光测距实验环境,进行20 m测距实验.实验结果表明:理论仿真、蒙特卡罗模拟实验与实际实验的测距概率密度分布基本一致,随着平面目标倾斜角的增大,测距均值和测距方差增大;当倾斜角度为0°,20°,40°,60°时,回波信噪比高于阈噪比,测距分布呈现高斯分布;当倾斜角度为70°时,回波信噪比低于阈噪比,分布不再呈现高斯分布,呈现上升沿缓下降沿陡的分布特性.研究结果为研究目标平面特性对脉冲激光探测测距分布的影响提供了理论依据.     

全光纤激光雷达发射和接收光学系统设计与优化

根据全光纤激光雷达特性设计与优化发射和接收光学系统。针对全光纤激光雷达光学系统中的激光高斯传输特性、扩展目标特性和光纤收发特性,修正激光雷达方程中的发射天线增益和目标反射截面,引入光纤接收效率参数。修正后的发射天线增益与目标处光斑大小的平方成反比,漫反射目标的雷达反射截面取决于目标反射率和激光入射角。实验探究了回波功率与接收光纤芯径的关系,得到了最佳光纤芯径。修正后的激光雷达方程可准确计算光纤收发条件下激光的回波功率,为后续的信号处理提供精确的理论支持。     

目标激光脉冲一维距离成像研究

根据激光雷达方程及粗糙面脉冲波束散射理论,提出了目标激光脉冲后向散射回波功率即激光一维距离像的计算表达式,并获得斜板、球和圆锥一维距离像的具体形式.数值计算结果与粗糙平板和圆锥激光脉冲回波强度实验数据比较,两者符合良好.数据分析表明,激光一维距离像曲线能够较好反映目标的纵向几何外形信息.我们着重讨论了入射激光脉冲宽度与目标径向尺寸对距离像的影响.上述研究可为激光波段的目标特征提取和识别提供理论依据.     

单光束扩束扫描激光周视探测系统参数对探测能力的影响

针对现有单光束激光同步扫描周视探测对脉冲重复频率要求较高,难以实际应用的问题,提出单光束扩束扫描激光周视探测方法.基于单光束扩束扫描激光周视探测工作原理,推导了最低扫描频率和脉冲频率解析式;分析了圆柱目标回波特性及关键参数截面衰减系数,建立了脉冲扩束激光圆柱目标回波功率数学模型,讨论了系统参数对截面衰减系数的影响,得到最大相邻脉冲光束夹角表达式;重点分析了脉冲频率、光束角和光束入射角对不同直径目标的探测能力的影响;得到了探测系统对典型条件下最大光束角、最低脉冲频率的计算方法.结果表明,对扫描光束稍加扩束可有效降低脉冲重复频率要求.研究结果可为单光束脉冲激光周视探测系统设计、优化提供理论依据.     

激光目标探测装置的回波特性及目标识别技术研究

提出了一种基于目标面元三维坐标和脉冲飞行时间的激光目标探测装置的回波脉冲功率描述方法,理论推导了激光目标探测装置的探测目标和气旋粒子的面元散射光功率和回波总功率的计算公式,并给出了回波信号的仿真计算脉冲波形.同时根据目标和气旋粒子回波脉冲的幅度 脉宽信息,提出了识别目标与干扰脉冲波形的新方法.     

大电流纳秒级脉宽激光二极管驱动电路的设计

脉冲激光雷达探测的性能直接与激光束的质量和能量有关,而激光驱动电路则直接决定了脉冲激光的功率和脉冲宽度。基于半导体激光雷达探测系统的要求,设计出应用于激光雷达发射系统的大电流纳秒级脉冲半导体激光二极管的驱动电路。介绍了电路的系统结构和驱动级电路的模型及其理论分析,推导其电流数学模型计算公式,并对关键器件的选择进行了总结;运用SPICE仿真程序对驱动电路进行了仿真。制作了印刷电路板,得到峰值电流25A,脉宽15ns的脉冲电流,满足设计要求。     

脉冲激光探测水下目标回波特性分析研究

海洋表层是水下生物以及水下目标的主要活动区域,对海洋表层中的目标进行高精度的探测是一个十分重要的课题。本文建立了半解析蒙特卡洛激光辐射传输仿真模型,能够对机载海洋雷达回波信号过程进行全链路仿真,并且讨论了不同形状(包括：平面形、圆锥形、球形和类球形)目标的最大回波辐射强度随着水下深度分布。基于此,本文分析了脉冲激光雷达回波过程中不同目标在相同场景下考虑的截止散射阶次对回波信号的能量占比贡献。最后,分别从脉冲激光回波半峰全宽(FHWM)以及海水后向散射信噪比(SNR)两个方面分析了不同形状的水下目标识别过程中海水的后向散射对脉冲激光回波的回波半宽增宽效应以及不同深度下的海水后向散射信噪比。     

载波调制高斯脉冲激光水下传输特性的仿真分析

光在水中传输时的吸收和散射效应使得激光的水下传输特性变得复杂,尤其是后向散射会造成目标对比度降低,导致利用激光进行水下探测时面临挑战,而载波调制技术可以用来抑制水下激光雷达的后向散射。利用基于蒙特卡罗方法的计算机仿真技术建立余弦调制高斯脉冲激光水下传输模型,并讨论光载微波脉冲宽度、调制频率和调制深度等参数对探测结果的影响。结果表明:相比于传统脉冲激光雷达的仿真结果,载波调制相关检测技术可以有效提高水下目标对比度;脉冲宽度存在最佳值,调制频率对目标回波信号的信噪比和测距精度有影响,调制深度越大,目标回波信号的信噪比越高。     

条纹管激光雷达回波噪声特性研究

波形采样机载激光雷达具备多层目标探测及高精度三维测绘能力,是今后激光雷达技术的发展趋势。基于条纹原理的阵列探测体制激光成像雷达由于具备全波形回波数据采样能力及高集成度等特点,在激光测绘及探测中具有广阔的应用前景。介绍了一种基于条纹原理的全波形采样面阵探测体制的新型激光雷达系统,提取了新型激光雷达机载飞行实验回波信号中的噪声,获得了新型激光雷达回波噪声统计规律,通过与目标总体回波信号统计特性的对比,提出了新型波形采样激光雷达回波信号去噪方法。     

高散射抑制比激光雷达水下探测技术探析

浅海海水严重的后向散射是阻碍激光近海水下探测应用的关键问题,回波信号中的后向散射制约了水下目标探测深度、分辨率和对比度.针对该问题,研究了两种高散射抑制比海洋激光雷达——混沌脉冲激光雷达和相干双频脉冲激光雷达,这两种激光雷达信号具有内在的高频强度调制特性,而后向散射具有低频特性.因此,在目标信号光和后向散射光同量级条件下,可通过带通或高通滤波将海水后向散射滤除,从而提高系统信噪比.     

激光周向探测小型化发射技术

针对小口径弹药用脉冲激光周向探测系统的小体积和轻质量的设计难点,在全面分析脉冲激光周向探测系统的基础上,提出了采用激光发射系统解体分离技术和光学系统扁平化技术实现脉冲激光周向探测系统小型化的解决方案.将传统、较大尺寸、一体化结构的激光发射系统的激光器与激光器驱动电源进行结构分离,达到轴向尺寸压缩的目的,并利用灌封技术进行抗过载处理;选择平凸球面单透镜光学元件代替非球面透镜,经过理论计算和光学系统仿真,设计出扁平化激光准直系统,有效压缩轴向尺寸.针对结构小型化带来的空间电磁干扰问题,基于磁场屏蔽机理,采用特殊结构屏蔽体,有效抑制了电磁干扰.加工制作了原理样机并进行了目标探测试验.实验结果表明:样机能有效探测近程目标,且脉冲激光周向探测系统的有效尺寸显著减小,验证了小型化技术的可行性和实用性.     

周视脉冲激光引信海杂波回波功率建模与仿真

针对周视脉冲激光引信在超低空条件下照射到海面时产生的海杂波干扰信号易使激光引信虚警率高的问题,以激光散射特性和海面运动特性为基础,提出了一种基于面元积分法的宽波束激光照射面积自适应解算方法,建立了周视脉冲激光引信海杂波回波功率模型。仿真结果表明:海面风速越大、激光入射角越大,海杂波回波功率越强;相同条件下,入射角为90°时的回波功率约为60°时的2倍,约为45°时的3倍。该方法可以作为周视脉冲激光引信海面试验的有效补充,可为超低空条件下抗海杂波干扰设计提供技术支撑。     

机载多脉冲激光雷达目标信号模拟器的研究

研究多脉冲激光雷达目标信号模拟器,用以评估回波数字信号处理算法及其实现平台的性能。结合信号能量与波形关系指出由激光雷达方程建立回波信号波形模型是不充分的。对空中目标回波脉冲展宽进行建模及数值仿真,得到不同倾角、目标距离及目标尺寸下的波形展宽时间数据。根据展宽前后能量保持不变的性质,利用高斯脉冲函数特征参数求解建立回波波形数学模型。基于目标距离误差及目标回波噪声统计特性建立回波仿真模型,提出了依信噪比发生回波观测信号的方法。对比两种模拟器的信噪比误差、最小模拟信噪比、连续工作时间等性能指标,总结了新型模拟器的优势。     

相干式CO2激光成像雷达光学系统

根据目标粗糙表面散射回波统计理论和随机相位匹配规则分析了相干激光雷达光学天线参数确定和本振光设计方法,研制了一套扫描激光雷达光学天线系统,并应用于单管线性调频脉冲压缩激光雷达接收到了７．８ｋｍ房屋的散射回波信号,信噪比较好,激光功率约为５Ｗ。     

基于双向反射函数的水下激光引信回波仿真方法

针对鱼雷激光近炸引信探测水下近场目标的需求,开展了水下激光引信回波蒙特卡洛仿真方法研究.结合水下激光引信探测特点建立水下目标回波的蒙特卡洛仿真模型.为了提高水中非朗伯目标表面回波仿真的准确度,推导了基于双向反射函数的光子反射方向概率分布,根据概率分布随机抽样光子反射方向.仿真了不同距离和入射角度条件下的水中目标回波信号.仿真结果表明:目标回波幅度随目标距离和入射角度的增大迅速下降,目标距离在6~12m内变化时,信号峰值动态范围为11.5dB;目标距离为8m,激光入射角在0~45°内变化时,信号峰值动态范围为9.2dB.为验证仿真方法的正确性,在水池中进行水中目标蓝绿激光探测实验,实验结果和仿真结果一致.研究成果可为解决传统蒙特卡洛方法在水中非朗伯面目标回波仿真中的适用性问题及水下激光引信优化设计提供参考.     

脉冲串互相关方法在远程激光测距中的应用

基于单脉冲激光测距在远程激光测距中的局限性,提出了一种基于发射脉冲串与回波脉冲串互相关的信号处理方法。该方法将多个激光发射脉冲和回波脉冲作为一次连续信号同时数字化,然后进行互相关处理。采用激光强度与发射间隔可调的激光系统来模拟不同反射强度、不同距离的测距回波信号;通过处理不同信噪比的回波信号,来探究本方法对于回波信号信噪比的提升能力以及对于尖峰噪声的抑制能力。实验结果表明,该方法能够有效提高回波信号的信噪比,信噪比为0.11的弱回波信号经过处理后信噪比被提升到5.92,从而扩展了激光测距系统的测程,有效降低了探测系统的探测虚警率,提高了远程激光测距系统的弱回波探测能力。     

激光引信可调高频窄脉冲驱动电源设计

针对激光近炸引信周向探测系统中高发射频率和高精度的难点问题,设计了激光引信可调高频窄脉冲驱动电源.通过对激光引信周向探测系统的介绍以及激光驱动电源放电回路建模与理论分析,应用FPGA中PLL锁相环及相移倍频法提高计时时钟频率,实现可调高频脉冲触发信号,并经过高速整形电路与衰减电路控制信号幅值.运用场效应晶体管驱动器加速MOSFET管的导通,在电路中产生瞬时大电流.加工制作PCB板进行实验验证,实验结果表明:脉冲激光发射频率在0~30kHz可调,脉冲上升沿时间为10ns,脉宽20~40ns可调,激光峰值功率达到69.8 W.本设计可为激光近炸引信脉冲驱动电源设计提供参考.     

功率合成全固态脉冲源外场目标探测试验

 为给冲击雷达提供理想的发射源,利用功率合成技术,将多个数kV,ns级的固态脉冲源合成为MW量级的高功率脉冲源;为研究冲击雷达目标特性,设计了一套由功率合成的全固态脉冲发射机、超宽带平面TEM喇叭发射天线阵、超宽带开槽接收天线阵、正交解调采样接收机、主控计算机组成的冲击体制雷达目标探测系统;采用增大收发天线、目标与地面的距离以及在目标回波中加时间窗的方法,成功探测到2 km处在光学区RCS为0.01 m²的目标;采用16个发射单元的目标回波信号比采用8个发射单元时明显,这表明功率合成在采用较多发射单元时效果更为明显。     

一种远距离水下光电成像的方法

为了增大水下光电成像探测系统的探测距离,降低系统造价成本,对距离选通技术中存在问题进行分析研究,提出降低激光单脉冲能量,提升系统运行频率,增加CCD曝光时间的方法。利用噪声随机特性及目标回波的相关特性进行多脉冲累计提高探测距离。对距离选通系统进行适应性改进,并在室内水池进行实验。实验结果表明:此方法可有效增大系统探测距离,且目标图像质量与激光脉冲数量存在一定最优匹配关系,实验中10次脉冲累计获取到29 m距离处的目标图像质量最佳。     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号.基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大,且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化;脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回波信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.