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1、西安电子科技大学 硕士学位论文 双基地激光雷达系统原理研究 姓名：姚庆良 申请学位级别：硕士 专业：光学 指导教师：韩香娥 20080101 摘要 囊霉受 论文系统研究了一种双基地激光雷达系统的基本原理和相关技术。首先对双 基地激光雷达系统的探测距离谶行了预测，其中简要分析了激光近地大气斜程传 输穗热，劳在双纂缝距褰颈测孛考虑大气衰减隧裹度交识瓣影痢，分捺了系统豹 信嗓比及系统的鹜荣噪声。对双基地激光雷达系统的探测檄率迸行了磷究，分析 了影响系统探测概率的各因素，并结合双基溉激光雷达系统的扫描方戏和扫描空 域籀要分析了两种双基地放置方式。对双基媳激光雷达系统的距离和氖度测量精 度避符了研究，分
2、耩了影响测囊精度静各囡索，对系统豹定位蠲瑟遘弦了分耩， 给出了基本定位方程和定位精度表达式。最靥，应用设计的双基地激光雷达原理 系统j c 寸双基地激光探测的可行饿进行了验证。 关键谢；双基地激光雷达距离预溯信嗓跑探测概率测量精度 A B S T R A C T A B S T R A C T I nt h et h e s i s ，t h ee l e m e n t a r yt h e o r ya n di n t e r r e l a t e dt e c h n o l o g yo fb i s t a t i cl i d a r a r es t u d i e d F
3、i r s t l y , t h er a n g i n gf o r e c a s to fb i s t a t i cl i d a ri sd i s c u s s e d ，a m o n gw h i c h ， a t m o s p h e r i ca t t e n u a t i o ni n f l u e n c e db yv a r i a t i o no fh e i g h t si sc o n s i d e r e d I na d d i t i o n ， c h a r a c t e r i s t i c so fl a s e r
4、Sp r o p a g a t i o ni nas l a n tp a t hn e a rt h eg r o u n d ，S N R , a n d b a c k g r 6 u n dn o i s eo fb i s t a t i cl i d a ra r ea n a l y z e d T h e n , d e t e c t i o np r o b a b i l i t yo fb i s t a t i c l i d a ri s i n v e s t i g a t e d , f a c t o r si n f l u e n c e db yt
5、h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t ya r e f o u n da n d a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dc o m b i n i n gw i t hs c a n n i n gm o d ea n ds c a n n i n ga i r s p a c e ，t h e p l a c e m e n to fb a s ea r es t u d i e di nb r i e f T h r o u g ht h es t u d yo fr a n g ea c c u r a c ya
6、 n d a z i m u t ha c c u r a c y , s o m ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c em e a s u r i n gp r e c i s i o na mg a i n e d a n d b a s e do nt a r g e tp o s i t i o n i n g , e q u a t i o n so ft a r g e tl o c a t i o na n de x p r e s s i o n so fl o c a t i o n a l a c c u r a c ya r eo
7、 b t a i n e d E v e n t u a l l y , u s i n gt h ep r i n c i p l e ss y s t e m ，b i s t a t i cl i d a rd e t e c t i o n i sv e r i f i c dt 0b ef e a s i b l e K e y w o r d ：B i s t a t i cL i d a rR a n g ef o r e c a s t S N R D e t e c t i o n p r o b a b i l i t y M e a s u r e m e n ta c
8、c u r a c y 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特N J i l 以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：虹筮墓 日期 沙o 】f 6 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说
9、明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：讯系食 导师签名：日期碰：垄丝 第一章绪论 第一章绪论 零章主要会绍了双基地激巍髯达的研究背豢和意义，国内、外研究现状。最 后，筠要的给窭了本文静磅究蠹容、宅l 薮点及其结褥安捺。 1 1 研究的背景和意义 激光雷达的威用十分广泛，已从
10、地面发腰到空中，扶空中发展到太空，从陆 地发展到海面，从海面发展到水下，并涉及到多个学科领域。下面分别介绍激光 雷达秘双基地雷达的特点。 激光雷达特煮1 1 - 3 1 ：激光露这是淡激光鸯辐射源并佟麓载频，其鸯波长短，毙 束质麓高，定向性强的优点，其频率比微波雷达高3 5 个数量级。激光雷达的测 量精度、分辨率和抗干扰性能比普通雷达好，且体积小。当它采用小翻径天线低 秘秀l 王终眩，麓够鞭踩羝空窝超鼹空豹飞行貔等。 毅基地雷达特点1 4 - 6 j ；1 发射机和接收机实现分离；2 ，接收目标的非后向散 射回波；3 三角形测量定位。单基地雷达一般都是利用发射的电磁波缀目标后向 反射翳褥至g
11、豹回波米进行毽标特缝豹探测。倦双( 多) 基地鬟达一般郝楚剥援目括 静铡向或前向反射隧渡来探灏瓣标特征，可 l 得到更大的鬻迭反射截瑟袄( R c S ) ， 提高对目标的探测能力。测试结果表明：利用前向反射方法探测到的鬻达R C S 值 要比利用后向反射测得的R C S 德离出大约1 5 d B 。 裁器双基逢露这与激是雷达慰戆身嚣蠡熬搽瓣特点，懿渠将英二纛缮合起来 建立起双基地激光雷达系统可以实现对目标的有效探测。因而双基地激光雷达系 统的原理分析对双艇地激光雷达的今后应用嶷有重要的意义。 1 2 国内夕 磷究现状 1 2 ，1 激光测距雷达国内外研究现状 激光的诞生开始了人们对光的掌握和
12、利用的一个新阶段【 l ，2 0 世纪6 0 年代 发展起来的激光楚一门崭新的学科，经过多年的基础理论鄹应用技术的研究，目 翦己经避入全嚣笈装帮应矮熬除瑷。激光霉这正是在这个鏊鹚主发震怒袋豹，激 光雷达经过了由简单到复杂、由低级到高级的发展过程。激光问世的第二年，都 1 9 6 1 年，科学家和工程师们就提出了激光测距、激光雷达、激光制导的设想，并 2双基地激光雷达系统原理研究 展开了研究工作。6 0 年代中期州，美国伯金艾莫尔公司研制出第一台H e N e 激光 跟踪测量雷达，其测距误差为1 0 6 m ，测角误差为0 1 m r a d ，并用于靶场测量。随 后以人造卫星测距机的发展最为突
13、出，1 9 6 9 年就精确地测出了地球测点与月球上 反射器之间的距离。6 0 年代后期和7 0 年代初期，研制的重点转向单脉冲激光雷 达和C 0 2 激光雷达。1 9 6 8 年，R a y t h e o n 研制出第一台C 0 2 相干激光雷达。7 0 年代， Y A G 激光器技术日趋成熟并开始大量应用于激光测距雷达I “，1 9 7 0 年，西尔瓦尼 亚公司研制成功第一台Y A G 单脉冲激光雷达，其测距误差为1 0 1 5 m ，测角误差为 0 1 m r a d ，十年后又研制了改进型Y A G 单脉冲激光雷达。麻省理工学院于1 9 7 5 年 研制成功火池( F i r e p
14、 o n d ) 雷达，采用脉冲多普勒体制，用于远距离精密跟踪。其 作用距离达1 0 0 0 k m ，距离分辨率为2 c m ，测角误差为0 1 m r a d ，很好地证明了激 光雷达的远距离测量和跟踪能力。7 0 年代后期n 研制的重点转向各种C 0 2 激光 雷达。8 0 年代，随着二极管阵列的出现和二极管泵浦固体激光器的发展，半导体 激光雷达、固体激光雷达和C 0 2 激光雷达齐头并进，在各自的领域内蓬勃地发展。 8 0 年代后期，I S K P 认光电中心设计出一种小型化激光N d ：Y A G 系统。9 0 年代国外 开始大力发展L D 激光雷达1 8 J ，L e i c a
15、公司1 9 9 1 年报道的二极管激光测距仪采用 8 4 5 n m 激光二极管，峰值功率7 6 4W ，脉冲重复频率2 9 k H z 。在良好的天气条件 下，测程达4 k m ( 2 9 0 0 个脉冲重复工作) ，即使在可见度很低的情况，测程仍可达 l k m 。1 9 9 8 年投入使用的美国“眼镜球蛇”预警机上装备的激光测距机【”q ，对导 弹的测距能力为4 0 0 k m ，而将装备多种预警机的“门警”红外激光雷达系统， 则采用脉冲能量为6 0 0 I I l J 的N d ：Y A G 泵浦K T P 光参量振荡器( A - 1 5 7 1 p m ) ，I n G a A s
16、A P D 直接探测，接收孔径仅2 0 c m ，对战术弹道导弹的作用距离达1 0 0 1 0 0 0 k m ， 跟踪精度达5 u r a d ，这标志着远程空基激光雷达技术的新突破。 美国休斯公司采用喇曼频移N d ：Y A G 激光测距【B J 、电视摄像和红外成像组成 的坦克、装甲车激光测距仪系统是目前最新型的设备。地面车载脉冲激光测距仪 其主要技术性能：最大测程4 l O k m ，测距精度5 l O m ，目标分辨约2 0 m ，重复 频率0 1 1 H z ，束散角0 4 l m r a d 。对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪，最大 测程为4 2 0 k m ，测距精度为2 5 5 m ，重复频率为6 2 0 H z ，束散角为0 5 2 5 m r a d 等，如美国休斯公司采用喇曼频移N d ：Y A G 和E r ：玻璃的光电跟踪探测 激光测距仪【8 】是目前先进系统的典型示例。美国防部关键技术把激光雷达列为高 灵敏度雷达之一，指望在本世纪初做出战术用激光雷达，
