直接探测激光雷达系统的仿真软件设计

摘要: 如何合理而有效地设计激光雷达系统,是进行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。建立了激光雷达系统的数值仿真模型，模型以激光雷达原理为基础，考虑了激光雷达距离方程、噪声模型、接收信噪比模型，利用LOWTRAN软件分析了各种天气和系统条件下，对激光雷达性能的影响，编制了计算机仿真软件进行雷达系统模拟，结果表明，数值仿真有助于实验系统的方案设计和性能改进。

关键词：激光雷达；激光探测；系统仿真；大气传输；仿真软件

1 引言

    激光雷达在航空航天、工业和医学等领域有广泛的应用。它与微波和毫米波雷达相比，具有以下独特优势：(1)工作频率高、波长短；(2)距离、速度和角位置测量精度高；(3)体积小、重量轻、机动灵活，利于机载和航天器载。

    激光雷达系统仿真软件，是激光雷达技术同计算机数字仿真技术相结合的产物，是未来激光雷达系统设计的新手段，是今后激光雷达研究领域方向之一。激光雷达系统的设计须给定各个元器件的参数(包括激光器、探测器和光学元件)、大气传输特性、目标特性等。激光在大气中传输具有复杂的统计特性，激光大气传输模型是在大量实验数据分析基础上建立起来的。本文利用VC软件，对激光雷达进行了建模和仿真。

2 激光雷达原理

    激光雷达的基本原理是：发射机发射一束一定功率的激光束，经过大气传输辐射到目标面上，目标面反射回来的回波由接收装置接收，再由信号处理提取回波中的有用信息，激光雷达系统性能分析的基本问题是：在一定的发射功率下，受环境因素、系统参数的影响，确定接收端的接收功率、信噪比。

    激光器发出高斯型脉冲波形，经扩束后由二维光学扫描系统指向目标，从目标反射回的回波信号由高灵敏度的硅雪崩二极管(Si—APD)探测，APD的输出由高速数据采集卡送入计算机处理。激光的脉冲能量、重复频率及激光的发射、光学扫描仪的扫描波形、扫描的启动与停止、数据采集卡的采集速率等均由计算机控制。

3 激光雷达仿真模型

3.1 激光雷达方程

    一般情况下，对激光雷达系统来说，需要考虑的几个最主要的指标是：作用距离、距离分辨率、成像速率和图像分辨率等。然后，根据上述指标来确定激光脉冲重复频率、脉冲能量、脉冲宽度、数据采集速率、扫描波形及扫描频率等参数。直接探测激光雷达系统一般可分为四个部分：发射系统、接收系统、信号处理系统和图像显示系统。激光雷达模拟最简单的方法就是功能模拟，实现这种方法的基础是激光雷达距离方程，即：

    从公式(1)中可以看到，影响激光雷达系统性能的因素很多，除了发射功率外，还有激光的大气传输特性，如大气湍流、云雾和空气中的水、灰尘等的影响；对不同类型的目标(如点目标和延伸目标等)，回波信号的幅度和相位等都会发生较大变化。在激光雷达系统模拟中，最重要的工作是建立描述环境的数学模型。激光雷达模拟中最主要的物理现象是激光雷达信号的散射，它包括目标和杂波两个方面，在某些情况下，还包括多散射效应、衰减、折射和色散等。一般情况下，要根据激光雷达系统的功能来建立模型。对成像激光雷达来说，可能需要测量目标的距离、速度和位置等信息。通过所成的目标的强度像和距离像等信息，对目标再进行鉴别、分类和识别等。根据上面的基本原理，所建立的激光雷达系统模型软件分为六大模块：系统发射模块、系统接收模块、目标反射模块、传输介质模块。本模型采用VC语言建立。

3.2大气传输仿真模型

大气传输环境对激光雷达系统性能影响很大，雨、雾、雪等天气会使得激光雷达性能变差。在设计激光雷达仿真软件时，我们应考虑天气因素及大气环境对激光雷达性能的影响。实际中我们采用了已有的大气软件LOWTRAN来计算激光束在大气传输中的损耗。

LOWTRAN是由美国空军地球物理实验室(AFGL)开发和研制的宽带、窄带和逐线计算的大气辐射传输模型及其相应的应用软件。模型中的大气传输采用美国标准的LOWTRAN模型数据库，根据目标类型和大气环境参数，调用LOWTRAN数据库得到大气衰减系数。

3.3目标截面仿真模型

目标激光截面(Laser Cross Section ，LCS)  定义为：