脉冲相干激光雷达对运动目标成像模拟

第３２卷第３期　激光与红外　ＬＡＳＥＢ＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤ　Ｖｏ１．３２．Ｎｏ．３　２００２年６月　Ｊｕｎｅ．２００２　激光技术　文章编号：１００１－５０７８（２００２）０３－０１６３－０２　脉冲相干激光雷达对运动目标成像模拟　田兆硕，王骐，辛　自勤，成向阳，尚铁梁　喑尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室．黑龙江暗尔滨１５０Ｇ０１）　摘要：针对运动日标，在考虑激光雷达方程、信噪比和自动增益、成像指标、噪声、图像处理等　模块的基础上，对脉冲相干成像激光雷达进行了运动目标的成像模拟。　关键词：脉冲相干激光雷达；运动目标；计算机模拟　中图分类号：ＴＮ９５８．９８　文献标识码：Ａ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｕｌｓｅｄ　Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ　Ｒａｄａｒ　ｆｏｒ　Ｍｏｖｉｎｇ　Ｔａｒｇｅｔ　ａｎｇ—ｙａｎｇ，ＳＨＡＮＧ　Ｔｉｅ—ｌｉａｎｇ　ＴＩＡＮ　Ｚｈａｏ—ｓｈｕｎ，ＷＡＮＧ　Ｑｉ，ＬＩ　Ｚｉ—ｑｉｎ　ＣＨＥＮＧ　Ｘｉ（Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｔｕｎａｂｌｅ　Ｌａｓｅｒ　Ｔｅｃｈｎｄａｇｙ，　Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ　ｅｑｕａｔｉｏｎ．ＳＮＲ　ａｎｄ　ＡＧＣ，ｉｎｍｇｉｇ　ｄｅｎｒａｏａｄ，ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｔ　ｗｅ　ｍａｋｅ　ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐＨｌｓｏｄ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ｉｍ　昏ｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ　ｆｏｒ　ｍｏｔ，ｉｎｇ　ｔｒｇｅ！．ａ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｐｕｌｓｅｄ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｒａｄａｒ，ｍｏｖｉｎｇ　ｔｒｇｅｔ．ｃｏｍｐｕｔａｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　１引言　激光雷达的系统模拟是激光雷达在分析激光雷　达物理模型的基础上，建立数学模型，然后在计算机　上复现激光雷达系统的动态工作过程。对激光雷达　进行系统模拟的主要优点是经济、灵活，可以为激光　雷达的设计和研究奠定基础，预测设计中可能发生　由于成像激光雷达很多情况下都是对相对运动　目标成像，因此激光雷达对于运动目标的成像模拟　具有实际意义。本文针对运动目标，在考虑激光雷　达方程、信噪比和自动增益、成像指标、噪声、图像处　理等模块的基础上，对脉冲相干成像激光雷达进行　了运动目标的成像模拟。　２对运动目标成像的数学模型　２．１激光雷达方程　激光雷达方程是用来确定激光雷达在特定条件　下对某个目标的接收功率，是激光雷达设计的基本方　程　。对于脉冲相干激光雷达，各物理量间应遵从　ＳＮＲ：ｎ　ｔ．￣ｇ　　ｎ￡　ｄ　的问题，降低研制成本　脉冲相干成像激光雷达具有可三维成像、探测　灵敏度高等优点，已在目标识别、跟踪、障碍物回避、　制导等多方面应用。由于脉冲相干成像激光雷达成　本高、技术难度大，因此非常有必要对其进行计算机　模拟，以提高设计性能、降低成本。　目前，国外对于激光雷达系统模拟已经进行多　年研究，如美国空军地球物理实验室从１９８８年开始　对激光雷达系统模拟软件进行研究，并进行了多次　升级　。美国哥达得航天中心研制了激光雷达模　拟软件３．０版本　。但是这些模拟软件都是针对非　成像激光雷达。国内对激光雷达系统模拟开展的较　晚，文献［３］中报道了对二极管泵浦固体成像激光　雷达的系统模拟，文中主要考虑了发射机模块、大气　模块、接收机模块等六大模块，对静止的玮型目标进　行了成像模拟。　ｆ１）　Ｐｓ＝Ｐ　ｅ（０，（ｂ）景？　儿　（２）　式中，ｓＮＲ一相干探测中频信号信噪比（ＭＣＴ前放　输出）：　一回返信号光功率；　一ＭｃＴ探测器量子　效率；ｇ一外差效率；＾一普朗克常数；—一信号光频　率；Ｂ一探测系统带宽；Ｐ　一激光器发射功率；ｃ（０，　作者筒介：田兆硕（１９７０一）．男，博士．副教授，目前从事激光技　术和激光雷达等方面的研究工作．在国内外发表论文３０亲篇　收稿日期：２００ｌ－ｌ１—１９　维普资讯 http://www.cqvip.com

１６４　激光与红外　第３２卷　）一双向目标散射分布函数；０，　分别为光束对目　标的入射角和散射角；Ａ一接收光学天线有效截面；　Ｒ一目标距离；　。　一光雷达系统光学透过率；　一　大气透过率。　２　２成像指标　４模拟结果　成像指标包括：成像帧频、每帧行数、每行像元　数、成像空域等技术指标　２　３不同距离的信嚎比　假设此相干激光雷达的探测距离为３ｋｉｎ，雷达　接收此处信号的信噪比ＳＮＲ＝３：１，当目标距离不断　在分析以上物理模型和数学模型的基础上．实　现了相干激光雷达对运动目标的实时显示和实时图　像处理。我们假定目标为直径１０ｍ的圆型均匀漫　反射的物体，在３０００ｍ时信噪比为３：１，目标的运动　速度为２８０ｍ／ｓ，则随着目标的接近，我们从激光雷　达接收的图像，可以观察到图像显示的噪声逐渐减　小，目标图像逐渐变大。图２中三组图分别表示目　标距离为３０００ｍ、１４７０ｍ、４５０ｍ时接收的目标图像，　当目标运动到１４７０ｍ时，信噪比为９：１，当目标运动　减小时，信噪比不断增加。对于大目标，根据激光雷　达方程，信噪比与距离的关系为　：　ＳＮＲ１　Ｒ：鲁　：　（３）式中ＳＮＲ１为距离为Ｒ．处的信噪比，ＳＮＲ２为距离　为Ｒ：处的信噪比。　由于雷达接收系统的自动增益，接收光信号越　强接收系统的增益越小，因此激光雷达接收的远处　图像噪声大，近处图像噪声小。　２．４接收噪声　在激光雷达、合成孔径雷达等相干成像装置中　都是通过接收散射回波信号的相干获得图像的，因　此其图像对散斑噪声高度敏感。而散斑噪声的存在　使图像像素强度（灰度）剧烈变化，即在一片均匀的　目标表面上，有的分辨率单元呈亮点，有的呈暗点，　降低了图像的灰阶和空间分辨率，隐藏图像的精细　结构，使其图像的解释性变差，降低了图像质量和雷　达的探测能力。　激光雷达接收的电路系统还存在随机的白噪　声，其噪声分布符合泊松分布，另外激光雷达还存在　电磁干扰产生的噪声、机械震动产生的噪声等等，这　里主要分析散斑噪声。　２．５图像处理　为了减小噪声对激光雷达图像质量的影响，因　此有必要对图像进行实时图像处理。在模型中采用　了比较成熟的图像处理方法，如：中值滤波法、均值　滤波法、自适应方法等　３计算模型　在分析数学模型的基础上，分别对激光雷达方　程、信噪比和自动增益、成像指标、噪声、图像处理建　立计算机模型，用Ｍａｔｌａｂ语言编程，其过程如图１　所示。　ｌ雷达方程Ｌ］信噪比Ｈ成像指标Ｈ噪声　图像处理ｌ　图ｌ　脉冲相干激光雷达对运动目标成像模拟　到４５０ｍ时，信噪比为７２９：１。每一组图中的（ａ）图　表示未经图像处理的显示图形，（ｂ）图表示经过图　像处理后的显示图形。可以看出经过实时图像处理　后，图像质量得到提高　目前的系统模拟只考虑了激光雷达方程、信噪　比和自动增益、成像指标、噪声、图像处理等模块．还　不完善。如果要比较全面地进行模拟还需要进一步　考虑大气传输、光学系统、目标特性等多方面因素，　我们将在以后的工作中进一步完善　ｂ）图像处理后　＿＿　（ｂ）图像处理后　【］口　（ａ）Ｒ＝４５１）ｍ　ＳＮＲ＝７２９：１　（ｂ１图像处理后　圈２不同距离的微光雷达模拟目标图像　参考文献：　【１］Ｄａｖｉｄ　Ｒ　Ｌｏｎｇｔｌｎ　Ｂａｃｋｓｃａｔ　Ｌｉｄａｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｌｏｎ　Ｖｅｒｓｉ０ｎ　４．０：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｕｓｅｒｓ　Ｇｕｉｄｅ　ｆ　Ｒ’．　１９９４　ＡＤ一．４２５８　８５１　２］ＪａＨＩｅＳ　Ｂ　Ａｂｓｈｉｒｅ．Ｌａｓｅｒ　ｔｉｍｅｔｒｖ　Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ　Ｒ］．ｖｅ卜　ｓ１０ｎ　３　Ｏ、Ｕｓｅｒ　Ｇｕｉｄｅ　１９９４　ＮＡＳＡ—ＴＭ一１０４５８８．　［３ｊ　蔡喜平，赵远　陈锺贤　等成像激光雷达系统模拟　［Ｊ］．激光与红外　２ＯＯ０，３７（５１　２７４．　４］　熊辉丰．激光雷达：Ｍ］宇航出版社，１９９４．