38620字硕士毕业论文高重复脉冲激光雷达的测量统计和图像质量评估
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：38620字
论点：激光,测距,探测
论文概述：
本论文以高重频低信噪比条件下脉冲测距激光雷达的优化设计为背景，从理论和实验两个方面着手研究激光雷达测距的统计特征，并以此为基础，讨论激光雷达距离成像质量的评价问题。
论文正文：
介绍
1.1研究背景和意义
激光雷达是在光电幸运探测和传统雷达的基础上发展起来的主动成像技术。在扩展电磁雷达测距原理的基础上，采用探测波长较短的光波作为探测光源，比微波雷达和毫米波具有更高的空分辨率，可以实现目标轮廓高达毫米量级的高分辨率空成像。光波可以穿透伪装网、树叶等遮蔽物，在“簇状树叶”下实现目标探测。因此，激光雷达在末制导、激光主动寻的、伪装下的装甲车探测、行星探测器自动着陆和飞机避碰[1.5]等地方有着广泛的应用。激光雷达探测光束的发散角通常为几十毫弧度，只能在激光探测光路中受到干扰和监控。与传统雷达相比，激光雷达具有更强的抗干扰能力和空之间的保密性，显示出良好的军事应用前景。因此，激光雷达系统的发展引起了世界大国[的注意。美国在激光雷达成像系统的研究方面处于领先地位。美国国防高级研究项目局(DARPA)和美国陆军夜视和电子传感器局(NVESD)先后启动了几个
2.2激光雷达光电探测的统计过程资助项目，包括“战略防御”(SDI)和“拼图”(JIGSA)资助激光雷达系统的开发，并将激光雷达列为限制扩散的军事技术。后来，瑞典、俄罗斯等国家也投入了大量的人力、物力和财力开展这方面的研究。中国也非常重视成像激光雷达探测技术的发展。“机载小面积阵列3D成像激光雷达技术”被明确列为“十一五”863计划地球观测与导航技术领域专题应用指南的重点项目。激光雷达是中国的主要发展方向之一。此外，激光雷达还在数字城市、建筑测绘、文物修复、车辆避碰、机器视觉、灾害预警、森林探测等方面表现突出，
2.2.1光子探测泊松计数过程
激光雷达探测过程是将光子转换成电子流并进行增益放大的过程。因此，即使光子流本身的随机性被忽略，光电探测器将光场转换成电子流的过程和电子流的增益放大过程也会引入随机性。事实上，光电探测的统计特性是这些随机过程的组合结果，我们称之为“光子探测过程”，通常用光电探测的半经典模型来分析。。例如，2011年，中国南方遭受了有史以来最大的冻雨灾害，几条供电线路受损。机载激光雷达在我国首次用于供电线路的扫描成像，并首先掌握灾害信息，为灾害应急处理方案的制定和供电线路的应急修复提供了有价值的信息，节省了巨大的经济损失。
总之，激光雷达是一种极具发展潜力的主动探测技术。随着武器系统智能化、实时化和小型化的要求，高重复率脉冲激光雷达受到武器研制人员的青睐。通过高分辨率距离成像实现目标的高精度自动识别和定位，满足激光雷达武器系统应用的智能化和准确性要求。它采用高重复率、低功耗、小型化的半导体激光器作为探测光源，满足了武器系统应用的小型化要求，具有良好的应用前景。同时，我们遗憾地发现，高重复频率脉冲激光雷达的低回波信噪比与目标检测的高可靠性和实时性之间存在矛盾。低回波信噪比直接表现为测量距离值随机分布特征的变化，目标识别和定位基于这些离散的测量数据点。为了优化激光雷达系统的设计，提高激光雷达的目标识别和探测概率，开发适合激光雷达测距统计特性的目标识别算法，有必要深入了解高重复频率脉冲激光雷达的测距统计特性。此外，我的导师和他的团队成员已经从事激光雷达的研究和开发十多年，在系统设计、信号处理和目标识别方面积累了良好的经验。在长期实践中，激光雷达测距统计特性的重要性也已被发现。它直接影响到后续的目标重建和识别信号处理。然而，以往对高重复率脉冲激光雷达测距统计特性的研究很少。虽然调Q激光测距技术非常成熟，但它工作在极高的信噪比状态下，单次测量具有很高的精度，因此检测后不需要大量的统计分析。此外，对于调Q激光器的低重复频率，很难实现大量的统计分析。与半导体脉冲激光测距相比，它虽然工作在高重复率、低信噪比的状态，但更注重测量精度，对实时测量要求较低。通过多脉冲积累可以提高回波信噪比，实现高精度测量。因此，对高重复率脉冲测距的统计特性也缺乏关注。此外，文献研究数据表明，激光雷达领域的研究主要集中在技术开发和应用上，对这些基本问题涉及较少。约90%的文献涉及典型系统的介绍和实验结果的解释，而不到10%的文献涉及激光雷达测距理论。事实上，激光雷达测距的统计特性是一个相对复杂的问题。激光雷达脉冲回波的识别方式、系统参数、目标表面结构和反射特性、激光大气传输和背景光都会对其产生影响。激光雷达测距的研究不仅对激光雷达的优化设计和目标识别算法的设计具有直接的应用价值，而且对激光雷达测距理论体系的完善也具有科学价值。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外激光雷达的最新技术进展
激光雷达是传统雷达技术和现代激光技术相结合的产物。激光雷达的概念自1961年提出以来，已经经历了50多年的发展。从最简单的激光测距技术开始，激光雷达技术逐渐发展出用于各种目的的激光雷达系统，如激光跟踪、激光测速、激光成像等[9，m]。测距激光雷达是本文的重点。根据获取目标信息的通道数量和不同的实现方法，激光雷达可以分为单点测距激光雷达、单通道扫描成像激光雷达、多通道扫描成像激光雷达和面阵成像激光雷达。
2激光雷达光电探测过程及信号模型
2.1激光雷达测距原理
脉冲飞行时间测距是激光雷达常用的测距方法。它通过测量光脉冲在目标和雷达之间的传播时间来计算目标距离。如图2.1所示，基于飞行时间测距原理的激光雷达由激光器及其驱动器、光发射天线、光接收天线、光电探测器及其前置放大器电路、距离判别和定时电路、数据通信模块等组成。测距过程如下:在定时电路的控制下，脉冲激光二极管发射高峰值功率的激光脉冲，激光脉冲经光发射天线准直，被大气衰减后发射到待测目标；目标散射照射其上的激光脉冲以形成反向散射回波，该回波被激光雷达的光接收天线接收，聚焦在光电二极管的光敏表面上，并将光信号转换成电信号以形成激光回波的电脉冲信号。电信号经前置放大器电路放大后，进行恒定阈值或峰值回波识别；当识别出回波信号时，脉冲定时电路立即停止，并且根据定时结果乘以光速的一半来计算目标距离。最后，测距数据通过计算机接口传输到计算机，对数据进行统计和分析。
[7]
[8]
3激光雷达测距数据统计分布模型........25
3.1恒定阈值检测下测距数据的统计分布........25
3.1.1恒定阈值检测下测距数据的分布模型........25
3.1.2激光脉冲回波对测距统计分布的影响........27 [/比尔/]3.1.3阈值辨别水平对测距数据分布的影响........31
3.1.4噪声分布对测距数据分布的影响........32
3.2峰值检测下测距数据的统计分布........33
3.3本章摘要........40
4激光雷达测距的数字模拟........41
4.1激光雷达测距数字仿真模型........41
4.2激光雷达回波波形分析........48
4.3恒定阈值检测下测距特性仿真实验........60
4.4峰值检测下测距特性仿真实验........64
4.5本章摘要........68
5激光雷达测距统计特性的实验研究........69
5.1二极管激光雷达实验系统........69
5.2恒定阈值检测下测距统计特性的实验研究........72[/比尔/] 5.3峰值检测下测距统计特性的实验研究........77[/比尔/] 5.3.1激光脉冲回波测距的统计分布研究........77[/比尔/] 5.3.2噪声特性对测距分布的影响........80[/溴/] 5.4典型目标激光雷达回波信号的实验研究........81[/比尔/] 5.4.1实验设备........81[/溴/] 5.4.2典型目标激光雷达回波信号........82 [/BR/] 5.5本章概述........83
结论
主动成像激光雷达技术的发展进一步推动了激光雷达在三维测量、目标重建与识别、自主导航等地方的应用。这些应用都是基于高精度距离测量和轮廓重建，而激光雷达具有良好的测距统计特性和角分辨率，这是获得高精度三维轮廓图像的前提。为此，本文从理论和实验两个方面研究了恒定阈值分辨和峰值探测激光雷达的测距统计特性。在此基础上，讨论了激光雷达距离像的图像质量评价。
参考
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