直接探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的仿真軟件設(shè)計(jì)
| sp; (3) 是目標(biāo)后向散射立體角。假設(shè)目標(biāo)是表面漫反射的大目標(biāo)( ) ，且激光垂直入射，根據(jù)朗伯(Lambert)定理，后向散射立體角取為 ，則 (4) 3.3噪聲仿真模型 通用激光雷達(dá)仿真模型(GLM) 主要考慮兩類噪聲：(1) 背景噪聲；(2) 探測(cè)器噪聲。背景噪聲，它主要是太陽、大地以及其他輻射源的輻射進(jìn)入接收視場(chǎng)造成背景“模糊”而引起的噪聲。光電探測(cè)器固有噪聲有：散粒噪聲(Shot Noise)、熱噪聲(Thermal Noise)、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲(Generation-Recombination Noise)及電流噪聲(1/ f Noise)等。在激光雷達(dá)噪聲仿真分析時(shí)，我們引入等效噪聲功率(NEP) 指標(biāo)，它反映直接探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)微弱光輻射的能力。根據(jù)NEP的定義，直接探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的NEP為： (5) 式中 為普朗克常量； 是光波頻率； 為量子效率； 是電子電荷； 是探測(cè)器的電流倍增因子； 為背景噪聲電流均方值； 為探測(cè)器噪聲電流均方值； 為熱噪聲電流均方值。激光雷達(dá)噪聲模型的構(gòu)成框架見圖1。 噪 聲 探測(cè)器噪聲 背景噪 聲 近紅外光譜區(qū)噪 聲 遠(yuǎn)紅外 光譜區(qū) 噪 聲 散粒噪聲 熱噪聲 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲 電流噪聲 太陽輻射 月亮輻射（夜晚） 星體輻射（夜晚） 云團(tuán)后向散射 大地?zé)彷椛? 目標(biāo)熱輻射 云團(tuán)后向散射 圖1 噪聲模型框架 Fig.1 The former figure of noise 3.4 激光雷達(dá)信噪比分析 激光雷達(dá)經(jīng)探測(cè)器后的輸出信噪比定義為：信號(hào)的峰值功率比噪聲功率的均方根值。直接探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的噪聲等效功率可由(5)式計(jì)算得到，其輸出信噪比為： (5) 4 功能介紹 我們用Visual C++6．0可視化開發(fā)工具編制了激光雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件。激光雷達(dá)系統(tǒng)仿真包括五個(gè)大的模塊：系統(tǒng)發(fā)射模塊、大氣傳輸模塊、目標(biāo)反射模塊、系統(tǒng)接收模塊、探測(cè)器模塊。模塊化軟件架構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。用戶可以利用交互式圖形用戶界面(Graphical User Interfaces，GUI)，在仿真軟件中選擇環(huán)境變量和配置各種模塊參數(shù)，來模擬各種環(huán)境、系統(tǒng)條件對(duì)激光雷達(dá)性能的影響，它能方便直觀地估計(jì)和仿真出激光雷達(dá)的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)(如回波功率、接收信噪比等)。激光雷達(dá)通用仿真軟件框架分為三大部分， 即計(jì)算回波功率、計(jì)算信噪比、信號(hào)處理仿真。實(shí)現(xiàn)各部分的功能有計(jì)算、圖形顯示和保存仿真結(jié)果。各個(gè)部分分別由多個(gè)對(duì)話框窗口實(shí)現(xiàn)。用戶可以通過對(duì)話框來選擇、設(shè)置激光雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)、傳輸介質(zhì)及環(huán)境變量等， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種條件下激光雷達(dá)系統(tǒng)的仿真。 5 仿真結(jié)果 通過在仿真軟件的可視化界面中選擇和配置各種模塊參數(shù)， 能夠模擬和估計(jì)激光雷達(dá)在各種天氣環(huán)境和系統(tǒng)條件下的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)及性能表現(xiàn)。圖2、圖3為直接探測(cè)激光雷達(dá)回波功率信噪比的仿真界面圖。 圖2 計(jì)算回波功率仿真界面 Fig.2 The interface for calculation of echo power 圖3 噪聲計(jì)算仿真界面 Fig.3 The interface for calculation of noise 各個(gè)模塊設(shè)定的參數(shù)如下: 5.1 系統(tǒng)發(fā)射模塊 發(fā)射功率：10000000W； 波長(zhǎng)：1.06 ； 發(fā)射孔徑：0.2m； 孔徑透光常數(shù)0.84； 發(fā)射效率：0.950； 5.2 系統(tǒng)接收模塊： 接收孔徑：0.5m； 接收效率：0.900； 5.3 目標(biāo)反射模塊： 目標(biāo)類型：擴(kuò)展目標(biāo)； 半球反射率：0.100； 5.4 傳輸介質(zhì)模塊： 單程距離100000m； 天氣：晴朗（能見度23.5），經(jīng)過LOWTRAN計(jì)算大氣傳輸效率為：0.5139 5.5 探測(cè)器參數(shù)： 噪聲帶寬：50MHz； 探測(cè)器暗電流：50nA； 探測(cè)器負(fù)載電阻：1M ； 絕對(duì)溫度：293K； 放大器等效輸入電阻：16M ； 探測(cè)器響應(yīng)率：1.1A/W； 計(jì)算結(jié)果： 束散角：0.004452(m rad)； 接收面積：0.19634m2； 光斑面積：0.155664； 散射截面：0.062； 大氣衰減：5.7824dB； 傳輸總衰減：128.50397dB； 暗電流噪聲：8.0 10-19； 熱噪聲：5.1 10-20； 放大器噪聲：1.87 10-23； 散彈噪聲：1.2 10-15； 背景噪聲：8.51 10-22； 結(jié)束語 激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)非常重要，已成為激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的重要環(huán)節(jié)。本文研究了激光雷達(dá)仿真模型， 對(duì)大氣傳輸模型、噪聲模型、發(fā)射與接收模型進(jìn)行了仿真， 以此模擬各種環(huán)境和系統(tǒng)條件對(duì)激光雷達(dá)性能的影響。系統(tǒng)的仿真能夠直接針對(duì)系統(tǒng)提出具體的問題，這些問題的解決能夠使激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究在各個(gè)分系統(tǒng)方面都能有一個(gè)全面深入的考慮，并把系統(tǒng)研制過程中可能遇到的困難先提出來，從而對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的研制起到理論和技術(shù)上的指導(dǎo)作用仿真結(jié)果說明。仿真軟件能夠模擬和估計(jì)激光雷達(dá)的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)， 但仿真結(jié)果還需要對(duì)比實(shí)際測(cè)試結(jié)果來加以驗(yàn)證。進(jìn)一步的研究工作還應(yīng)包括根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善和修改激光雷達(dá)仿真模型。 參考文獻(xiàn) 1 Kamerman G W. Laser Radar . Chapter 1 of Active Electro-Optical System , Vol. 6, The Infrared and Electro-Optical System Handbook , SPIE Press , 1993. 10～99 2 Cassady P |
