激光雷达回波信号仿真模拟.docx
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激光雷达回波信号仿真模拟
激光雷达回波信号仿真模拟研究
摘要
关键字
第一章绪论
第一节引言
激光雷达（Lidar：
LightDetectionAndRanging），是一种用激光器作为辐射源的雷达，是激光技术与雷达技术完美结合的产物。
激光雷达的最基本的工作原理与我们常见的普通雷达基本一致，即由发射系统发射一个信号，信号到达作用目标后会产生一个回波信号，我们将回波信号经过收集处理后，就可以获得所需要的信息。
与普通雷达不同的是，激光雷达的发射信号是激光而普通雷达发射的信号是无线电波，两者在波长上相比，激光信号要短的多。
由于激光的高频单色光的特性，激光雷达具有了许多普通雷达无法比拟的特点，比如分辨率高，测量、追踪精度高，抗电子干扰能力强，能够获得目标的多种图像，等等。
因此，利用激光雷达对大气进行监测，收集、分析数据，建立一个大气环境预测理论模型，这将会成为研究气候变化和寻求解决对策的一项重要武器。
第二节本文的选题意义
由于投入巨大，在研制激光雷达实物之前，我们需要进行模拟与仿真研究，预测即将研制的激光雷达的各性能指标，评价总体方案的可行性。
激光雷达回拨信号仿真模拟就是利用现代仿真技术，逼真的复现雷达回波信号的动态过程，它是现代计算机技术、数字模拟技术和激光雷达技术相结合的产物。
仿真模拟的对象是激光雷达的探测没标以及它所处的环境，模拟的手段是利用计算机和相关设备以及相关程序，模拟的方式是复现包含着激光雷达目标和目标环境信息的雷达信号。
通过激光雷达回波信号的仿真模拟，进而产生回波信号，我们可以在实际雷达系统前端不具备条件的情况下，对激光雷达系统的后级设备进行调试。
第三节本文的研究思路和结构安排
本文主要研究面向气象服务应用的大气激光雷达。
笔者在熟悉激光雷达的基本工作原理的前提下，学习和熟悉各种参数对大气回波能量的影响，进而学习和掌握matlab编程语言，并且根据给定的激光雷达系统参数、大气参数和光学参数，以激光雷达方程为基础，通过仿真模拟得到理想状态下的大气回波信号。
但是，在实际测量工作中，由于大气中的各种干扰，我们获得的回波信号并不和理想状态下的大气回波信号一致，因此，在本文的后期工作中，笔者根据已有的大量激光雷达实测信号与模拟信号对比，既能验证仿真模拟结果的准确性，又能应用于激光雷达的性能指标等方面的分析上，具有比较高的实际应用价值。
第二章激光雷达的原理
第一节激光雷达系统
一个标准的激光雷达系统应该包含以下部件：
激光器、发射系统、接收系统、光学系统、信号处理系统以及显示系统。
它的工作原理图我们可以用下图表示：
其基本原理如上图所示，首先由发射系统产生一束特定功率的激光束，经过大气传播辐射后到达目标，目标反射回来的回波经过接收系统接收后进入信号处理系统，我们将采集卡上获取的信息录入计算机，经过信号处理后提取到我们所需要的有用信息，最后经过程序分析后我们可以得到精确的大气目标信息。
第二节激光雷达的发展
激光雷达的发展经历了由简单到复杂、由低级到高级的过程。
20世纪60年代中期，美国伯金艾莫尔公司研制出世界上第一台激光跟踪测量雷达，用于靶场测量。
随后以人造卫星测距机的发展最为突出，1969年就精确地测出了地球测点与月球上反射器之间的距离。
60年代后期和70年代初期，研制的重点转向单脉冲激光雷达。
1992年，美国科学与工程设备公司开发了二极管激光泵浦固态激光器微脉冲激光雷达，随后在此基础上又开发了这种光源的差分吸收激光雷达、拉曼散射激光雷达、多普勒激光雷达和生物激光雷达。
1994年，ESA进行了LMD脉冲相干多普勒雷达风速实验，并对测风雷达的性能进行了初步的研究。
1994年9月，载有米散射激光雷达LITE的“发现号”航天飞机成功发射，并进行了空间激光雷达技术实验，取得了重大成功！
LITE是人类第一次完成空基激光雷达对大气的探测，是激光雷达发展史上一座具有划时代意义的里程碑，它开辟了激光雷达大气探测的新纪元。
从此，激光雷达的发展进入了实用化、商品化的新阶段，其关键技术和系统技术都有了长足的进步，展示了其在军事上和国民经济中的广泛应用前景。
美国NASA的CALIPSO系统，欧空局ADM计划的ALADIN系统是比较重要的两个星载激光雷达。
前者已经发射，用于测量全球气溶胶、云的分布；后者计划于2011年发射，将是世界上第一台星载测风激光雷达。
我国的激光雷达的发展从最初的研制开发到投入使用，前后总共用了30多年的时间，所取得的成绩获得了国际相关领域同行的认可。
1965年中科院大气物理所研制了我国第一台用于探测大气气溶胶的激光雷达，该系统采用红宝石激光器作为激光发射单元，并且能够用于水汽、云以及大气臭氧方面的探测。
在随后的几年中，该所又相继研制了可应用于测量大气气溶胶消光、大气斜程能见度的米散射激光雷达以及大型多波长激光雷达，这些激光雷达的问世，对于研究对流层和平流层大气气溶胶以及平流层臭氧，是非常重要的。
1997年中国海洋大学的刘智深等提出使用碘分子滤波器，同时测量对流层内的分子和气溶胶散射，并且在2002年成功研制了我国第一台非相干Doppler测风激光雷达系统。
2004年，中科院安徽光学精密机械研究所研制出车载式拉曼-米散射激光雷达、偏振-米散射激光雷达和多普勒测风激光雷达，这些激光雷达系统的相继问世并投入使用，为我国大气气溶胶、云和臭氧空间垂直分布的测量积累了丰富而宝贵的资料，引起了世界各国的普遍重视。
2007年，中国海洋大学成功研制了我国第一台车载Doppler激光雷达系统，采用高重复频率半导体泵浦激光器和碘分子激光器，该系统能够进行从地面到上空10Km范围内的风廓线、径向风速扫描测量等。
该系统于2008年成功应用于北京奥运会和青岛奥帆赛，提供气象服务工作，为奥运会的巨大成功做出了不小的贡献。
第三节激光雷达方程
激光雷达方程是用来描述激光雷达系统作用距离的，激光雷达方程中包含了激光雷达的系统参数和大气光学参数，能量为
的发射激光脉冲束经过大气传输和散射后，最后由激光雷达接收到的从距离r处返回的散射光信号的强度
，我们可以用下式表示：
其中
和
是距离r处大气分子和气溶胶散射系数，
是激光雷达系统的光学效率，A是望远镜接收面积，
是积分距离（
=
，其中
、c分别是积分时间和光速），
是双程大气透过率。
利用激光雷达方程进行回波信号模拟时，需通过标准大气模型的温度、气压数据计算出分子散射系数和消光系数，而气溶胶的散射和消光可以忽略不计，由此可以模拟出回波信号模型。
第四节影响回波信号的背景噪声分析
2.4.1激光雷达本身的背景噪声
激光雷达本身的背景噪声可以分为两种，即自然噪声和由激光引起的噪声。
其中，自然噪声主要是由日光、月光引起的噪声。
激光雷达在白天工作时，天空和地面对太阳光的散射产生的噪声往往成为起决定作用的噪声。
太阳的辐射谱已经被广泛的研究过，并且在很多文献中有过详细的说明。
能见度很好的条件下，海平面测得的典型背景谱辐射的散射成分。
在白天晴朗的天空，太阳辐射引起的散射分配到单位立体角、单位波长间隔的功率密度在可见光区域的峰值可以高达
，在波长
后面出现的很多凹陷主要是由大气中的水蒸气和二氧化碳等对红外辐射的吸收所引起的，而在接近
及更短范围内的急剧下降则是由于地球表面上空臭氧层吸收紫外辐射的结果。
下图是太阳辐射光谱，显示了太阳的辐射能力随波长的变化情况：
2.4.2激光后向散射的干扰
激光到达作用目标后，可能会产生不同类型的散射，也可能会诱发荧光，对于以荧光信号为基础的激光雷达，各种类型的散射信号就会成为噪声，同理，对于以散射信号为基础的激光雷达，就会受到荧光信号的干扰。
因此，无论是激光荧光雷达还是激光散射雷达，其灵敏度都可能会受到激光后向弹性散射的干扰。
因此，一方面，如果发射谱选用不当，一部分后向散射返回激光就会随着有用信号进入到我们的信号探测器，形成噪声；另一方面，如果雷达设计的不够仔细，那么短波长激光的近场后向散射就有可能在谱分析仪前的某些光学元件中诱发荧光，或者是引起探测器的饱和。
关于激光雷达的降噪处理我们在另外一篇论文《激光雷达回波信号的降噪处理》中详细讨论。
在本文，我们主要考虑大气分子的散射和消光作用对激光雷达回波信号的影响。
第三章激光雷达回波信号仿真模拟
第一节直接探测多普勒激光雷达系统
在本论文的研究过程中，笔者使用的是直接探测多普勒激光雷达系统，这也是我们在实际应用中经常使用的测风激光雷系统。
下图是此激光雷达系统的接收系统示意图：
如上图所示，激光源发射的激光束经过扩束后，进入光学望远镜及二维扫描单元指向大气探测的目标区域；大气中的回波信号经过扫描单元和望远镜接收系统进入准直镜后成为平行光，然后经过滤光片后滤除掉背景光后进入我们的信号处理系统中；最后经过数据处理后可以得到我们所需要的信息。
下表是笔者使用的激光雷达系统的一些主要参数：
TransmittingSubsystem
ReceivingSubsystem
Wavelength
532nm
Telescopeaperture
28cm
Repetitionrate
10Hz
Fieldofview
200
m
Pulseenergy
80mJ
Fiberdiameter
100
m
Pulsewidth（FWHM）
10ns
Fibernumericalaperture
0.22
Pulselaserlinewidth（FWHM）
100MHz
Interferencefilterbandwidth（FWHM）
0.11nm
Spectralpurity
>99%
Interferencefilterpeaktransmission
76%
Far-FieldFull-AngleDivergence（Beamexpanded）
100
rad
ReceivingEfficiency
0.52
TransmittingEfficiency
0.91
PMTquantumefficiency
0.1
Rangeresolutionofthephotoncounter
37.5m
第二节激光雷达方程中的主要参数分析
3.2.1大气分子的散射系数
由激光雷达发射的激光在大气中传播时，遇到大气分子就会发生散射作用。
由于大气分子的直径远小于激光的波长，根据Rayleigh的散射理论，大气分子的后向散射系数与单个大气分子的散射面积以及大气分子密度成正比关系
。
其中，
是大气分子的后向散射系数（
），其定义是单位体积、单位立体角的大气分子后向散射截面，
是单位体积的大气分子个数（
），
是单个大气分子的后向散射截面（
）。
单位体积内的大气分子个数
与大气压强和大气温度有关，如下式所表述：
其中，T是大气温度（K），p是大气压强（Pa）。
是当大气温度为296K、压强为
Pa时的大气密度的参考值，我们取
=
。
在混合大气中，当高度小于100km时，其中的单个大气分子的散射截面我们可以表示为：
其中，
是激光的波长。
综上所述，我们可以很容易的算出大气分子的散射系数
。
下面我们探析大气分子的消光系数
。
3.2.2大气分子的消光系数
什么是消光？
光在大气中传播时，由于大气的吸收和散射作用，光强会产生衰减，这种强度减弱或者颜色变化的现象就是大气消光。
产生大气消光的原因主要有两方面：
一是大气中的各种分子和原子吸收辐射，然后使辐射转变为其他形式的能量；二是由于大气中的气体分子、尘埃和水滴等质点的存在，使原本某方向的辐射散射到四面八方，从而减弱了光的强度。
大气消光与大气的成分、辐射的波长以及辐射穿过大气的厚度有关。
根据Rayleigh散射理论，大气中的消光系数
与散射系数
成正比：
其中，
是分子的各向异性的系数，当激光波长
=532nm时，
=0.222。
3.2.3双程大气透过率
大气透过率是由分子消光系数和气溶胶的消光系数共同决定的，双程大气透过率我们可以用下式表示：
其中，
是分子和气溶胶的总消光系数，r是激光雷达的探测距离。
如上面所述，本文中将会忽略气溶胶的散射系数和消光系数，此时，双程大气透过率我们将简化为下式：
此时，我们只考虑
和r两个参数。
3.2.4大气气溶胶的散射和消光特性
气溶胶粒子是悬浮在大气中的各种固体微粒和液体微小颗粒的总称，其具有分布不均匀、变化尺度小、复杂等特点，绝大多数集中在大气的底层。
大奇气溶胶的物理特性主要集中在它的浓度和粒子谱分布两个方面，单位体积空气中所含有的一定尺度范围内的粒子的个数、表面积、体积以及质量，分别称之为大气气溶胶的粒子数浓度、表面积浓度、体积浓度和质量浓度。
与大气分子相比，气溶胶粒子的粒径和质量比较大，热运动速度较小，因此，它的光谱展宽很小。
当气溶胶粒径在0.01~1
m之间时，它的光谱的半高全宽（FWHM）在0.7MHz~0.7KHz之间，因此相对于激光光谱和Rayleigh散射广辟，气溶胶散射光谱可以忽略不计。
由于气溶胶主要分布在大气底层，因此我们在探测主要以分子散射为主的高层大气时，只考虑大气分子的散射和消光。
在实际操作中，对于雷达参数的选择，通过改变激光波长，进而可以有针对性的探测窄线宽的气溶胶散射或者线宽较宽的分子散射。
在以气溶胶散射为主的低层大气，通常采用较长的激光波长（如1064nm），而在探测大气分子为主的散射时，则采用较短的激光波长（如532nm）。
第三节激光雷达回波信号的仿真模拟
下面，进行Matlab程序上大气回波信号的仿真模拟工作。
用到的公式、参数等如下：
激光雷达方程：
；
大气分子散射系数：
，其中，
，
，T（K）和p（Pa）可查阅StandardAtmosphereCalculator，
=
，
=532nm，
大气分子消光系数：
；
双程大气透过率：
；
激光雷达回波信号的我们可以通过如下方法得到：
对于给定的波长λ=532nm，在特定的高度r上，温度T和压强p我们可以由标准大气参数得知，
和
可由上文中的公式计算得出，积分得到不同高度处的T2；如上面的激光雷达系统标准参数的表格，查知，Telescopeaperture=28cm，计算出望远镜的接收面积A；
（Rangeresolutionofthephotoncounter）为37.5m；光学效率
为表中TransmittingEfficiency、Interferencefilterpeaktransmission、ReceivingEfficiency、PMTquantumefficiency各项的乘积。
得到以上参数后，我们令探测时间为1分钟，那么，初始能量
=80mJ*10Hz*60s。
综上所述，我们可以得到激光雷达接收到的从距离r处返回的散射光信号的强度
，也就是回波曲线。
在Matlab编程时，采用下面的步骤实现：
第一步，设定距离轴，如以37.5m为间隔，从0m到30km，r=[0:
37.5:
30000];
第二步，用矩阵运算或for循环，通过不同距离r（i）处的温度T（i）、压强p（i），计算出
（i）和
（i）；
第三步，对
（i）积分，因为是离散数据，所以相加即可。
积分得到各个高度对应的T2
第四步，将所有参数带入E（r）的公式，用矩阵运算或for循环依次计算各个高度r（i）处的E（r）；
第五步，画图得到结果：
plot（r,E）；
我们得到的回波曲线图形如下：
（注：
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）
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