目标反射特性与激光回波信号强度关系研究

1 绪论

1.1 本课题研究意义

激光主动探式测技术为空间目标监视和探测的重要手段，除了能够克服光电被动探测以及单站探测的缺点，还可同时对目标进行激光对抗。其涉及的首要问题是：对非合作目标来说，如何能可靠、准确地探测到激光经目标散射后产生的微弱激光信号。因为对非合作目标能接受的激光信号为目标对激光的漫反射，其强度很低；此外，探测激光经大气的远程传输到达目标上,再由目标反射后经大气传输返回到接收器。在激光大气传输过程中，激光与大气相互作用将产生各种线性、非线性效应，导致激光强度发生严重衰减、光束发散和飘移，致使接收器的微弱激光信号探测成为远距离激光主动探测的难点问题。更为重要的是，激光主动探测的回波信号受目标的不同特性影响，其主要包括目标的直径、距离、辐射角度、表面反射率等因素，而目标的这些特性又受到目标颜色、大小、材质、表面粗糙程度等性质的影响。除目标本身外，大气的成分以及激光束的发射仰角等也是影响主动探测中激光回波功率的重要因素。因此，准确的找到目标反射特性与主动探测激光的回波信号强度之间的关系，是研究激光主动探测技术的关键，对激光雷达系统参数的设置具有重要的参考意义。

1.2 国内外发展现状

1.2.1 激光测距

光电测距仪是用光波作为载波的测距仪器。光电测距是研究比较早的一种物理测距方法，但实际应用到大地测量则是在1948年以后。早期的光电测距仪大都采用白炽灯、高压汞灯等作为光源，并且由于受当时电子元件的限制，致使仪器较重，操作和计算都较复杂，且多在夜间观测，因而在工程测量中很少应用[1]。

六十年代初期，出现了激光技术，这对光电测距仪的发展起了极大的推动作用。由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等特点，因此特别适合作为光电测距仪的光源。由于激光的亮度高、方向性强，因而可加大仪器测程，并克服了仪器只能在夜间作业的局限性，同时也有利于缩小光学系统的口径，从而减小仪器的体积和重量；由于激光的单色性好，受大气条件变化的影响较小，使得在不同的外界条件下同样可以得到较高的测距精度[2]。

现在国内市场上的测距仪主要有两种，一种是采用发光二极管作为光源的测距仪，

如江苏常州大地测量厂生产的D3000系列测距仪，其测程最大可达4.5Km ；一种是采用半导体激光器作为光源的测距仪，如瑞士Leica 公司的Lite5、Classic5等，测程在200m 内，测量精度可达±3mm [3]。但市场上还没有一种采用半导体激光器作光源的测距仪，不但测程长，还可对动态目标进行实时测量，本文正是基于这个目的，以激光雷达原理为基础对此进行了研究。

1.2.2 激光雷达

激光作为20世纪最重要的科学技术成果之一，它的出现具有特别的意义。用激光器作为辐射源的雷达叫做激光雷达，激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、半导体激光器及波长可调节谐的固体激光器等；天线是光学望远镜；接收机采用各种形式的光电探测器，如电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元他侧器件等[4]。在众多雷达技术参数和性能指标中,雷达的工作频率是与很多参数相关的。激光有着突出优点，其频率特性好，即激光的谱线宽度v ∆很小。例如长10cm 的稳频氦氖激光器的中心频率为 4.74×14

10Hz （λ=632.8nm ）,线宽v ∆<1410Hz,而普通的氦辉光管发出红光，其线宽为v ∆F=1.5×910Hz ，可见激光的单色性好，因此在短时间内激光在雷达探测领域已有广泛的应用[5]。

激光雷达按工作方式可分为直接（非相干）探测方式和相干（外差）探测方式。如图1.1所示，非相干探测系统由连续半导体激光器，发射天线、接收天线，光电探测器，接收放大电路，信号处理与判定5个部分组成。在发射端通过对光载波的强度进行直接调制而获得调制光信号，在接收端利用光探测器直接将光信号转变成电信号，探测器的光电流正比与接收光功率[6]。

图1.1 非相干检测系统原理图

相干检测系统原理图如图1.2所示：

图1.2 相干检测系统原理图

在相干检测系统中，信号可以通过调幅，调频或调相的方式调制到光载波上，当信号光传输到接收端时，首先与一本振光信号进行相干混合，然后由探测器探测，这样光电流与信号光场和本振光场的乘积成正比，从而大大提高接收灵敏度。但其优点的获得是以其系统的复杂性为代价的，它要求严格的空间和时间相干条件，其光学系统和电路系统的要求都比直接检测系统要复杂和严格得多，并且性能也没有直接检测系统稳定[7]。因此激光雷达多采用直接探测系统。

在雷达技术领域中常用的波段名称为:UHF波段（0.3.1GHz），L波段(1.2GHz)，S 波段(2-4GHz)，C波段(4-8GHz)，X波段(8-12.5GHz),Ku波段(12.18GHz)，K波段(18-26.5GHz)，另外超视距雷达工作频率为2-5MHz。普通雷达采用的的是微波,随着雷达技术电子技术的提高,雷达频率范围已从高频(几MHz)扩展到紫外频段,但在实际应用中，根据雷达的性能要求和实现条件，大多数雷达工作在1～15GHz的微波频率范围内[8]。但是,高于15GHz频率时空气中水分子吸收严重，高于30GHz频率时，在一些区域氧分子和水分子吸收急剧增大。随着频率的提高，天线加工困难，接收机内外噪声增大，增加发射机功率也出现困难。而激光雷达由于以激光器为辐射源，其频率较微波高几个数量级，频率的量变使雷达技术产生了质的革命。与普通雷达相比激光雷达的优点是：1.方向性好，波束窄，测角精度高。2.采取专门的脉冲压缩技术，可把脉冲宽度压缩到几十纳秒（毫微秒）甚至皮秒（微微秒）量级，峰值功率可达几百兆瓦，从而大大提高测距精度，其测量精度可达几米甚至零点几米[9]。3.激光雷达不受地面杂波干扰，没有多路径效应，故能在低仰角下工作。4.极短的波长使得天线和系统尺寸可以做的很小，在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻。激光雷达的主要缺点是受大气的光传输效应影响（包括光速、折射率的变化和散射现象）会使其测量精度降低，因而不能全天候工作，遇浓雾、雨、雪天气无法工作；由于波束窄，在大