激光雷达典型目标回波信号强度分布实验研究

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1、硕士学位论文激光雷达典型目标回波信号强度分布实验研究EXPERIMENTALRESEARCHONINTENSITYDISTRIBUTIONOFTYPICALTARGETECHOSIGNALOFLIDAR周鑫哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TN958.98学校代码：10213国际图书分类号：621.38密级：公开工程硕士学位论文激光雷达典型目标回波信号强度分布实验研究硕士研究生：周鑫导师：孙剑峰副教授申请学位：工程硕士学科：光学工程所在单位：光电子信息科学与技术系答辩日期：2016年6月授予学位

2、单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN958.98U.D.C:621.38DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringEXPERIMENTALRESEARCHONINTENSITYDISTRIBUTIONOFTYPICALTARGETECHOSIGNALOFLIDARCandidate：ZhouXinSupervisor：AssociateProfessor.SunJianfengAcademicDegreeAppliedfor：Masterof

3、EngineeringSpeciality：OpticalEngineeringAffiliation：Dept.ofOpto-electronicsinformationScienceandTechnologyDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要基于目标回波强度的目标识别是激光雷达目标探测的重要方面，因此研究目标回波强度及其分布是十分有必要的。本文

4、在描述目标激光散射特性的双向反射分布函数（BRDF）和激光雷达散射截面（LRCS）两个函数的基础上，对目标回波强度分布进行研究。首先，介绍了BRDF、LRCS及激光大气传输效应的理论，研究了BRDF与LRCS之间的积分关系以及两者与激光雷达方程的关系，同时研究了基于FFT谱反演法的激光大气湍流传输的数值模拟方法，采用次谐波补偿方式的FFT谱反演法可有效提高相位屏模拟的准确度；其次，采用单站激光雷达对十种建筑物材料进行单位面积LRCS测量，基于BRDF模型对测量结果进行拟合，获得最优拟合结果，进而得到目标在

5、整个空间的散射分布情况，并在拟合结果的基础上对基于反射率的激光雷达方程进行修改，以及对四种典型形状目标（平面、圆锥体、圆柱体、球体）进行LRCS分析；结果表明，金属材料相对非金属材料对激光的反射方向性更好，且材质粗糙度越大，散射能力越强；提出的改进基于反射率的激光雷达方程可将回波能量的平均误差从50.87%降低到5.06%；目标的LRCS与目标上各点的入射角有很大关系，入射角越小，给定尺寸目标的LRCS越大；最后，基于湍流理论对激光雷达方程进行扩展，并基于拟合的单位面积LRCS对平面目标进行有湍流和无湍流

6、情况下的激光成像雷达的回波模拟实验，同时根据激光成像雷达获得的回波图像得到实际的大气折射率结构常数，在此基础上研究不同距离处给定面积平面目标的回波情况。研究结果表明，对于给定目标，无湍流情况下，目标距离越远回波分布越均匀，且对于相同发射功率的平面均匀光和高斯光束，在其他条件相同情况下，发射波形为高斯光束的回波功率较高；目标在给定距离情况下，湍流强度越大，回波强度闪烁越严重，回波功率分布畸变越严重；在温度为10.7℃，距地面60m的条件下，通过实验数据计算大气湍流折2163射率结构常数为3.3210m

7、，基于实验的大气湍流强度条件下，距离越远，回波相对强度归一化均方差越大，光强闪烁越严重，回波功率分布畸变越严重。关键词：LRCS;BRDF;激光成像雷达;激光雷达方程;回波强度分布;大气湍流-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractTargetrecognitionbasedonechointensityisanimportantaspectoflidartargetdetection,soitisverynecessarytoinvestigatetheechointensityanditsd

8、istributionofthetarget.Inthispaper,basedonthetwofunctionsofthebidirectionalreflectancedistributionfunction(BRDF)andthelaserradarcrosssection(LRCS),whichdescribethetarget’slaserscatteringcharacteristics,thetargetecho