激光雷达典型目标回波信号强度分布实验研究
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
目录
摘要 ............................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................. I I 第1章绪论 .. (1)
1.1 课题研究背景及意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (2)
1.2.1 目标LRCS与BRDF的研究现状 (2)
1.2.2 激光大气传输效应的研究现状 (5)
1.3 研究现状分析 (7)
1.4 本文主要研究内容 (8)
第2章LRCS、BRDF及大气传输效应的基本理论 (9)
2.1 LRCS与BRDF的介绍 (9)
2.1.1 BRDF与LRCS的基本理论 (9)
2.1.2 BRDF及LRCS与激光成像雷达方程的关系 (10)
2.2 BRDF模型 (11)
2.3 激光大气传输效应 (14)
2.3.1 激光大气衰减效应 (14)
2.3.2 激光大气湍流效应 (16)
2.3.3 激光大气湍流的数值模拟 (20)
2.4 本章小结 (23)
第3章目标单位面积LRCS实验及LRCS理论分析 (24)
3.1 单位面积LRCS测量及分析 (24)
3.1.1 BRDF测量原理 (24)
3.1.2单位面积LRCS测量结果及分析 (24)
3.2 单位面积LRCS测量结果拟合 (27)
3.3基于Ward拟合模型的目标激光散射立体角分析 (32)
3.4典型形状目标的LRCS分析 (38)
3.4.1典型形状目标的LRCS计算方法研究 (38)
3.4.2 典型形状目标LRCS分析 (42)
3.5 本章小结 (46)
第4章基于湍流理论的Lidar方程扩展及平面目标回波的数值模拟 (47)
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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
4.1 基于湍流理论的激光雷达方程扩展 (47)
4.1.1激光大气湍流各效应的概率分布 (47)
4.1.2基于激光大气湍流概率分布的光束分析 (49)
4.1.3 考虑湍流效应的激光雷达方程 (51)
4.2 无湍流情况下，平面目标的激光成像雷达回波研究 (52)
4.2.1激光成像雷达回波像素数与目标距离的关系研究 (52)
4.2.2平面目标激光成像雷达回波模拟 (53)
4.3不同强度湍流情况下，平面目标激光成像雷达回波数值模拟 (60)
4.4 基于激光成像雷达图像计算大气折射率结构常数及回波模拟 (63)
4.4.1 激光成像实验 (63)
4.4.2 基于实际大气湍流强度的目标回波模拟 (64)
4.5 本章小结 (66)
结论 (67)
参考文献 (68)
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (76)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (77)
致谢 (78)
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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
第1章绪论
1.1 课题研究背景及意义
激光雷达（Lidar）是以激光为发射源的一个重要雷达技术。激光雷达的一个主要应用是目标的成像探测识别，通过接收目标对主动激光的回波实现对目标的探测识别，由于其相对微波雷达具有很高的分辨率、很强的抗干扰能力、良好的隐蔽能力、具有好的低空探测能力、可全天候工作以及体积小、重量轻的特点[1-2]，势必成为激光技术工程应用的热点。美国率先开始进行激光雷达的研究并处于国际的前沿[3-4]，各军事强国也紧随其后，在激光成像雷达领域做出突出贡献，已将其广泛地运用到了军事和民用领域，例如空中侦察，精确制导，飞行器避障等[5-10]。在激光成像雷达这些应用领域，目标识别技术是必须具备的支撑技术。
激光成像雷达目标识别技术是指将感兴趣的目标从获取的图像中与其它目标区分出来，其基本原理就是利用激光回波中能够表征目标特征信息的振幅、频谱、相位、偏振、尺寸等信息，通过数学计算，推演出目标的形态、方位、表面物理参数等，最后通过决策函数在分类器中识别判断[11]。对于直接探测激光雷达，目标识别技术的一个重要方面是基于目标回波强度的研究，然而，由于激光雷达发射光束的单色性以及探测器响应波段的限制，激光雷达不能像人眼一样，通过获得目标的颜色信息来实现目标识别，因此，基于回波强度的目标识别，只能通过目标回波的单色灰度值进行目标识别。
激光雷达目标识别技术的发展促进了目标回波强度特性研究的发展，基于回波强度目标识别的出发点以及重点在于特定目标回波强度及分布。目标回波强度及分布与目标激光散射特性、激光的大气传输效应、以及发射光的参数等密切相关，因此本文重点研究典型目标的回波强度分布，在研究目标激光散射特性、激光大气传输特性的基础上对典型目标激光回波强度进行研究。
激光成像雷达目标回波强度特性的研究首先有助于对激光与目标之间相互作用有进一步的认识；其次，在工程上指导人们针对不同需求，对激光成像雷达给出更加完善的设计方案；最后，在应用上有助于实现更加有效的目标探测以及快速准确的目标识别。
本文在对多种建筑物材质激光散射特性实验研究、激光在大气中的衰减及湍流扰动理论研究的基础上，结合激光雷达方程对典型形状目标的回波信号强度进行研究，对基于回波强度的目标识别工作具有一定的指导意义，本文将为激光成
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