一種大尺寸目標(biāo)激光雷達(dá)成像技術(shù)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種大尺寸目標(biāo)激光雷達(dá)成像技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 大尺寸目標(biāo)激光散射成像是民用工業(yè)、國(guó)防和航天等領(lǐng)域中一項(xiàng)重要成像技術(shù)。 激光成像即包括目標(biāo)在探測(cè)方向上強(qiáng)度像和在目標(biāo)沿視線投影的距離像。激光散射=維相 干成像技術(shù)是具有重要軍事和民用應(yīng)用前景的技術(shù)。激光散射距離成像技術(shù)是利用窄脈 沖激光束照射復(fù)雜目標(biāo)，產(chǎn)生目標(biāo)二維強(qiáng)度分布、一維距離像的=維信息，根據(jù)目標(biāo)（如彈 頭、目標(biāo)等）的不同自身結(jié)構(gòu)，通過(guò)目標(biāo)上各單元到探測(cè)器距離不同的散射回波的相干探 巧。，獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上相應(yīng)各點(diǎn)的回波強(qiáng)度、距離像W及相對(duì)徑向距離，從而獲得目標(biāo)形狀特 征信息的技術(shù)。
[0003] 在常用的激光波長(zhǎng)下，目標(biāo)應(yīng)視為粗趟體。當(dāng)粗趟物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，散射信號(hào) 包含目標(biāo)的距離-強(qiáng)度圖像信息，目標(biāo)為復(fù)雜粗趟散射體，目標(biāo)上個(gè)面元法向矢量并不相 同，各面元的激光散射回波特征也必不相同。根據(jù)目標(biāo)距離-強(qiáng)度等相關(guān)物理因數(shù)建立起 來(lái)的目標(biāo)激光=維圖像稱(chēng)為目標(biāo)激光散射距離像。
[0004] 激光雷達(dá)成像（LaserRadarImaging)是一種新的激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，它可W進(jìn) 行目標(biāo)探測(cè)，目標(biāo)鑒別和目標(biāo)狀態(tài)分析。該對(duì)任何民用、工業(yè)及國(guó)防復(fù)雜環(huán)境中的目標(biāo)光學(xué) 特性的理論預(yù)估、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取建模建庫(kù)、特征提取與識(shí)別具有重要的意義。
[0005] 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
[0006] 目標(biāo)一維距離成像最早是在雷達(dá)微波波段開(kāi)展研究工作，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的出 現(xiàn)，目標(biāo)一維距離像仿真也從微波段向光學(xué)波段拓展。在微波波段，雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別（radar targetidentification,簡(jiǎn)稱(chēng)RTID)技術(shù)就是其中一個(gè)非常有潛力和發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng) 域。五、六十年代W來(lái)，國(guó)內(nèi)外也在RTID方面投入了大量的精力并在其理論探索和實(shí)驗(yàn)研 究方面都獲得了許多卓有成效的成果。按雷達(dá)工作頻段劃分，RTID可粗略地分為低頻區(qū) (或目標(biāo)諧振區(qū)）的RTID和高頻區(qū)（或目標(biāo)光學(xué)區(qū)）的RTID。低頻區(qū)或諧振區(qū)的RTID大 多數(shù)方法是建立在基于目標(biāo)極點(diǎn)（自然頻率）的電磁理論基礎(chǔ)上的，其基本假設(shè)是目標(biāo)極 點(diǎn)不變性。
[0007] 現(xiàn)代雷達(dá)的發(fā)展趨勢(shì)是高帶寬、短脈沖，對(duì)應(yīng)的識(shí)別技術(shù)是光學(xué)區(qū)的RTID。在高頻 區(qū)進(jìn)行RTID，優(yōu)點(diǎn)之一是可使用寬帶波形信號(hào)，從而得到高距離分辨率。光學(xué)區(qū)RTID研究 的前提是獲得目標(biāo)的散射中屯、分布，其途徑主要有兩種；一是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，二是由電磁理 論計(jì)算得到。不管是采用哪一種方法，其散射中屯、模型只適用于一定波段，一定目標(biāo)材料， 并且與目標(biāo)姿態(tài)和觀測(cè)角度密切相關(guān)。目前光學(xué)區(qū)RTID研究主要使用預(yù)先得到的散射中 屯、模型，因此無(wú)法對(duì)不同姿態(tài)、不同材料目標(biāo)的距離像進(jìn)行仿真研究。部分學(xué)者從電磁散射 理論出發(fā)，采用高頻近似方法直接計(jì)算出目標(biāo)的一維距離像，并與散射中屯、模型計(jì)算結(jié)果 進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)相當(dāng)吻合，該方法顯然具有更大的靈活性。
[000引激光成像雷達(dá)依據(jù)目標(biāo)激光一維距離像和多普勒散射信號(hào)建立起來(lái)一種用于回 波測(cè)距、定向，并通過(guò)位置、徑向速度及物體反射特性識(shí)別目標(biāo)，體現(xiàn)了特殊的發(fā)射、掃描、 接收和信號(hào)處理技術(shù)的目標(biāo)識(shí)別探測(cè)系統(tǒng)，具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)；（1)分辨率高，能夠辨別真 偽目標(biāo)；似圖像穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，不受晝夜、季節(jié)、氣候、溫度、照度變化的影響；做提 供目標(biāo)的精確距離、方位和速度數(shù)據(jù)。鑒于W上該些特點(diǎn)，它在雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域中是一個(gè) 全新的概念，也是近年來(lái)迅速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)，特別是在航天領(lǐng)域具有廣泛的用途，受 到了各國(guó)空間探測(cè)及航天部口的極大關(guān)注。
[0009] 目前有關(guān)激光一維距離成像及其多普勒散射特征試驗(yàn)和理論計(jì)算仿真，公開(kāi)發(fā)表 的論文很少。為了獲取和傳感更多的信息，美國(guó)等先進(jìn)國(guó)家十分重視目標(biāo)的激光散射及距 離多普勒成像的特征提取、?；夹g(shù)。美國(guó)空軍部隊(duì)和導(dǎo)彈防御司令部正在通過(guò)實(shí)施具有 識(shí)別能力的先進(jìn)激光雷達(dá)技術(shù)（ADLT)計(jì)劃來(lái)發(fā)展該項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，采用距離分辨多普勒成 像（RRDI)激光雷達(dá)導(dǎo)引頭來(lái)發(fā)展激光捜索技術(shù)W增強(qiáng)外空間目標(biāo)的識(shí)別能力。由Textron 公司制造的激光雷達(dá)發(fā)射幾種波長(zhǎng)接近11ym、ll. 15ym的激光脈沖，根據(jù)激光往返時(shí)間 確定目標(biāo)距離，用多普勒頻移確定目標(biāo)速度，并可W利用獲得的信息確定目標(biāo)的尺寸和形 狀，獲得目標(biāo)的多普勒?qǐng)D像。在毛伊島空間監(jiān)視站的試驗(yàn)期間，該激光雷達(dá)不僅探測(cè)到距離 達(dá)24km的直升機(jī)，而且確定了直升機(jī)旋翼獎(jiǎng)葉的個(gè)數(shù)和長(zhǎng)度、旋翼的間距和轉(zhuǎn)速。由加利 福巧亞化曲es研究試驗(yàn)室建立起來(lái)的（RD-TRIM巧激光雷達(dá)多普勒成像系統(tǒng)能夠檢測(cè)和識(shí) 別出圓盤(pán)和圓球等簡(jiǎn)單目標(biāo)的多普勒成像。MIT的Lincoln實(shí)驗(yàn)室依據(jù)多普勒原理，1975 他們開(kāi)始建立的FirepondI地基相干激光多普勒成像雷達(dá)，1990年利用該設(shè)備Firepond II對(duì)Wallops島發(fā)射火箭發(fā)射出來(lái)得真假?gòu)楊^進(jìn)行識(shí)別，1991年MIT的Lincoln實(shí)驗(yàn)室和 美國(guó)FordAerospaceandcommunication公司A.L.Kachelmyer和DavidP.Nordquist. 利用檢測(cè)中屯、獲取目標(biāo)的激光多普勒像，從理論上給出了簡(jiǎn)單目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的檢測(cè)口限， 1999年該項(xiàng)成像系統(tǒng)能夠檢測(cè)空間飛行平臺(tái)的運(yùn)行姿態(tài)。1993年美國(guó)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈防御組織 和海軍研究機(jī)構(gòu)化ilipGart等人開(kāi)展了單一孔徑激光雷達(dá)試驗(yàn)研究，旋轉(zhuǎn)圓柱粗趟表面 激光雷達(dá)多普勒光譜。MonicaL.Mindend等人對(duì)輸出波長(zhǎng)為1.5ym鎖模激光器采用偽隨 機(jī)編碼輸出，并利用光纖對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，獲取了目標(biāo)激光距離多普勒像（RRDI)。2000年 英國(guó)的DefenceEvaluationandresearchAgencyR.M.Jenkins等人和美國(guó)Technology DevelopmentColorationT.Papetti等人合作用波導(dǎo)諧振腔等光學(xué)集成系統(tǒng)用10. 6ym 激光對(duì)旋轉(zhuǎn)圓錐體成距離多普勒像實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)微運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。2001年2004年利用相干激光 雷達(dá)通過(guò)多普勒頻率展寬檢測(cè)振動(dòng)目標(biāo)的速度。2004年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局值A(chǔ)RPA) 和美國(guó)國(guó)防部中小企業(yè)創(chuàng)新計(jì)資助課題采用高靈敏度的相干激光傳感系統(tǒng)對(duì)中段目標(biāo)進(jìn) 行實(shí)時(shí)模擬，包括了距離和多普勒信號(hào)的測(cè)量（R畑I，即距離高分辨多普勒?qǐng)D像），激光傳 感器的波長(zhǎng)相應(yīng)范圍1064皿~1550皿，脈沖的返回精度為lOps，調(diào)制帶寬為2GHz，入射脈 沖的編碼為100ms，中段探測(cè)目標(biāo)的距離450km。英國(guó)的Searchwater雷達(dá)利用高分辨率目 標(biāo)距離像反映的目標(biāo)長(zhǎng)度信息和結(jié)構(gòu)信息，完成了對(duì)艦船目標(biāo)的識(shí)別。國(guó)內(nèi)有關(guān)激光散射 成像及其距離多普勒成像等方面研究和國(guó)外已經(jīng)報(bào)道的文獻(xiàn)比較還有很大的差距，大部分 工作都在激光雷達(dá)一維或者=維成像該一方面，或者在基于激光多普勒效應(yīng)的進(jìn)行氣象、 流體流速測(cè)量等等。
[0010] 國(guó)內(nèi)有關(guān)激光散射一維成像及其距離多普勒散射特征等方面研究和國(guó)外已經(jīng)報(bào) 道的文獻(xiàn)比較還有很大的差距。哈工大等幾個(gè)院校和研究所在試驗(yàn)上完成了激光雷達(dá)掃描 成像。而基于目標(biāo)激光多普勒散射特征研究方面，除了中國(guó)兵器工業(yè)第210研究所利用外 差探測(cè)激光雷達(dá)的多普勒測(cè)距成像可對(duì)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行高分辨率成像外，大多集中在進(jìn)行 氣象方面如風(fēng)速、大氣污染度鑒定，或者流體流速測(cè)量方面的研究。目前，國(guó)家973課題就 空間目標(biāo)光學(xué)特性展開(kāi)研究設(shè)計(jì)到了激光散射成像一些問(wèn)題。有關(guān)該一方面公開(kāi)發(fā)表的文 獻(xiàn)國(guó)內(nèi)外理論研究還比較少，該無(wú)疑開(kāi)展此項(xiàng)目研究工作，在技術(shù)創(chuàng)新上具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于提供大尺寸目標(biāo)激光雷達(dá)成像技術(shù)仿真，解決了目前國(guó)內(nèi)還沒(méi) 有關(guān)于激光散射一維成像及其距離多普勒散射特征等方面研究的問(wèn)題。
[0012] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是按照W下步驟進(jìn)行：
[0013] 步驟1 ;首先構(gòu)建激光雷達(dá)總的散射功率方程：
[0014] Ps(t) =Pc(t)+Pf(t) (1)
[0015] P,(t)是總的散射功率，Pt(t)為相干散射功率，Pf(t)為非相干散射功率；
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種大尺寸目標(biāo)激光雷達(dá)成像技術(shù)，其特征在于按照以下步驟進(jìn)行： 步驟1 :首先構(gòu)建激光雷達(dá)總的散射功率方程： Ps (t) = Pc(t)+Pf(t) (1) Ps (t)是總的散射功率，Pe(t)為相干散射功率，Pf (t)為非相干散射功率；
其中PiS入射激光脈沖功率，P ^目標(biāo)和入射光之間的距離；W ^波束半徑；Ictl波矢量； S'被探測(cè)目標(biāo)的表面；Tai是發(fā)射源到目標(biāo)的大氣傳輸率；Tl t是發(fā)射系統(tǒng)光學(xué)效率；Φ = 是波束寬度；Ta2是目標(biāo)到接收機(jī)的大氣傳輸率；η ^是接收系統(tǒng)光學(xué)效率；D是接收 口徑。為標(biāo)上的點(diǎn)到Gauss波束軸距離的平方。c^(?')單位面積上非相干散射截面， σ g單位面積上相干散射截面，R菲涅反射系數(shù)，X (-21^)粗糙面起伏特征函數(shù)； 步驟2 :以本發(fā)明公式（1)對(duì)球形目標(biāo)或者錐形目標(biāo)進(jìn)行激光一維距離像仿真。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了大尺寸目標(biāo)激光雷達(dá)成像技術(shù)仿真，首先構(gòu)建激光雷達(dá)總的散射功率方程：Ps(t)＝Pc(t)+Pf(t)，Ps(t)是總的散射功率，Pc(t)為相干散射功率，Pf(t)為非相干散射功率；對(duì)球形目標(biāo)或者錐形目標(biāo)進(jìn)行激光一維距離像仿真。本發(fā)明的有益效果是：通過(guò)對(duì)大尺寸目標(biāo)激光雷達(dá)成像技術(shù)仿真為開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試或者激光雷達(dá)工程應(yīng)用提供有益的技術(shù)補(bǔ)充，有效的技術(shù)支持。
【IPC分類(lèi)】G01S17-89, G01S7-497
【公開(kāi)號(hào)】CN104865564
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510251165
【發(fā)明人】王明軍, 弓樹(shù)宏, 吳振森, 曹運(yùn)華
【申請(qǐng)人】王明軍, 弓樹(shù)宏
【公開(kāi)日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月19日