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1、太原理工大学硕士研究生学位论文 I 混沌激光雷达初步研究 混沌激光雷达初步研究 摘 要 混沌信号是确定性系统产生的类噪声信号，拥有良好的自相关、互相关特性。作为雷达波形，宽带混沌信号具有图钉型模糊函数、良好的距离、速度分辨力和低截获概率，所以宽带混沌信号是雷达应用的一种理想的信号。但迄今为止，宽带混沌信号的产生和相关处理都非常困难，限制了其在系统中的应用。半导体激光器在适当的外界扰动（如存在部分光反馈或光注入）下，可以很容易的产生宽带的混沌激光，其带宽可达 30GHz。因此，基于半导体激光器非线性特性产生的混沌激光在雷达系统中将具有广阔的应用前景。 围绕光反馈半导体激光器的混沌激光雷达系统，本
2、文主要进行了如下工作： 1. 提出了一种实时混沌激光雷达系统。该系统采用光反馈半导体激光器产生的宽带混混沌激光作为参考光和探测光，通过对参考光和探测光的回波信号相关得到目标的距离。目标的速度通过计算一定时间间隔内的距离得到。基于虚拟仪器技术，系统利用 GPIB 总线实现硬件与虚拟仪器的实时通信，实现信号的实时采集和处理。 2. 利用互模糊函数实现了混沌激光雷达距离、速度的联合估计。通过搜索探测光和参考光的互模糊函数图的峰值位置，同时得到目标的距离、速度。并且理论分析了不同混沌激光信号的带宽、以及相关时间对混沌激光雷达联合估计能力的影响。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 3. 以运动的平面
3、镜作为目标，实验验证了该混沌激光雷达系统的实时距离、速度测量能力，得到了优于 9cm 的距离分辨率和亚秒量级的测量周期。实验结果表明，该混沌激光雷达系统具有良好的距离分辨率和无模糊测距能力。另外，还对静态的多目标进行了距离测量的实验验证。 4. 对该系统在多用户交叉干扰以及高斯白噪声干扰情况下的抗干扰性能进行仿真分析。结果表明，混沌激光雷达具有良好的图钉型模糊函数，具有良好的抗干扰能力。 关键词关键词：混沌激光，光反馈，激光雷达，实时测距，模糊函数 太原理工大学硕士研究生学位论文 III A A P RELIMINARY STUDY ON CHAOTIC LIDAR ABSTRACT Chao
4、tic signal is a kind of phenomena in deterministic nonlinear dynamical system, which has good correlation characteristic. As radar waveforms, wideband chaotic signals have good resolution of distance and velocity, low probability of interception, and strong properties of ECCM. However, the applicati
5、on of wideband chaotic signal is limited owing to the difficulty of its generating and correlation processing. By perturbing a semiconductor laser with optical injection, optical feedback, or optoelectronic feedback, the laser can be operated in chaos states. With proper setup and operating paramete
6、rs, optically chaotic waveforms can easily have bandwidths broader than 30GHz. Thus, the chaotic laser generated by semiconductor lasers based on nonlinear dynamics will have broad application prospects in laser radar systems. Focusing on chaotic lidar system, this thesis is mainly summarized as fol
7、lows: 1. A kind of chaotic lidar system has been proposed. Based on semiconductor laser with optical feedback and virtual instrument technology, a real-time chaotic lidar system has been realized. By utilizing the chaotic light emitted from laser diode with optical feedback as the probe beam, moving
8、 target can be located by the 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV correlation characteristics of broad bandwidth chaotic light. 2. The wide-band ambiguity function (WAF) is applied to joint estimation of range and velocity for the chaotic lidar. The estimation is obtained by locating the peak of WAF. The joint estim
9、ation performance is examined. It has been demonstrated that the signal having the largest bandwidth has the best joint estimation performance. 3. By using the moving mirror as the target, we experimentally demonstrate this real-time chaotic lidar ranging technique with sub-second measurement period
10、 and 9cm range resolution. Our experimental results indicate that broad bandwidth chaotic lidar has ideal unambiguous ranging characteristics, and high spatial resolution. In addition, multiple-target detection is demonstrated. 4. Finally, the anti-jamming capability of chaotic lidar and the effects
11、 of additive white Gaussian noise on chaotic lidar are numerically investigated. Simulation results indicate that the chaotic lidar has good antijamming capability and can deal with the multi-user interference problem. KEYWORDSKEYWORDS: chaotic laser, optical feedback, lidar, real-time ranging, ambi
12、guity function 太原理工大学硕士研究生学位论文 1第一章第一章 绪论绪论 1.1 激光雷达技术概述激光雷达技术概述 激光雷达是以激光器为辐射源、以光电探测器为接收器件、以光学望远镜为天线的一种雷达。自 20 世纪 60 年代发明激光雷达以来，激光雷达技术已取得了令人瞩目的研究和应用成果。目前，激光雷达已广泛应用于军用领域和民用领域，在军事方面：激光雷达可用于巡航导弹的制导和导航、测距系统、用于低飞目标跟踪测量、用于目标飞行姿态的测量1-6等，在民用方面：激光雷达可用于大气遥感和大气测量、工业生产中的险情预报、测绘和大地测量、车辆防撞、机器人视觉、无损检测和医疗诊断7-13等领域。
13、 激光雷达与传统雷达工作原理相同。传统雷达是以微波和毫米波来作为载波，激光雷达是以光作为载波，其波长要比微波波长短四、五个数量级。但在本质上二者没有区别，都是由雷达发射信号，然后由雷达接收被目标反射的信号，通过测量发射信号的往返时间来确定目标的距离，目标的径向速度可以由反射信号的多普勒频移来确定，也可以通过两次或多次距离测量，计算距离变化速率得到。与传统微波雷达相比，激光雷达有许多优点14： 1. 具有极高的角分辨率，近距离不存在盲区。由于工作波长短，采用小的光学接收孔径就能获得极高的分辨率。如在 100Km 处仅用 100cm 的光学接收口径就可分辨相距 1m 的两个目标。如果对距离和多普勒
14、信息进行相干处理，可获得更高角分辨的目标图像15； 2. 速度分辨能力高、测速范围宽。激光雷达因工作波长短、多普勒频率灵敏度高，故具有极高的速度分辨率。其速度分辨率已达到毫米每秒级，测速范围可到0.01m/s-3000m/s; 3. 具有极高的距离分辨率。例如，采用脉冲测距法，由于激光脉冲宽度可做到皮秒量级，因此距离分辨率就是毫米级。实用的卫星测距仪已采用 0.1mm 的脉宽，其距离分辨力可达 2cm； 4. 抗干扰能力强，隐蔽性好，不受无线电波干扰； 太原理工大学硕士研究生学位论文 25. 可用于水下探测和水下通讯，这是其他雷达不可比拟的。它已实现了卫星与深海潜艇的通讯，如与 300m 水下
15、潜水艇的通讯。极短的波长使得天线和系统尺寸可以做到很小，在功能相同的情况下，比微波雷达体积小，重量轻16。 激光雷达是集测距、测速、测角等功能于一体的精密仪器，测距是其中一项最重要的功能。按照激光测距的原理分，大体可分为如下三类。 1.1.1 脉冲式测距法脉冲式测距法 激光脉冲法测距是最常见的激光测距方法17，其工作原理和普通脉冲式雷达相同。脉冲激光器发射持续时间很短的激光脉冲信号，经待测目标后反射后，回波信号返回测距仪后被光电探测器接收，测量出激光脉冲的往返时间，通过下式即可计算距离值： ctD21= （1-1） 式中 D 为待测距离；c 为光速；t为光脉冲在测线上往返传输所需要的时间。 脉
16、冲激光测距仪多用在军事上对非合作目标的测距。但其测量精度较低，取决于光脉冲的宽度和光电器件的响应时间，一般在 5m 左右。测量范围主要取决于激光脉冲的能量和在工作环境中激光信号的损耗，在长距离测量时，通常要求大功率的固体或者气体激光器。为了扩大测量范围，提高测量精度，光脉冲应具有足够的强度、方向性好、单色性好以及宽度要窄等特点。基于脉冲激光法的激光雷达原理简单，只需探测一次就可以测算出距离及成像，可以达到较快的帧率。但是该方法需要激光光源的峰值功率很高，而且需要很窄的激光脉冲，对激光光源要求高，研制和生产成本高。 1.1.2 相位式测距法相位式测距法 相位法测距是通过测定调制激光经往返后所产生的相位变化D来间接测定往返时间Dt，从而求得光波所经过的距离 D1819。 由于： fD 2tD= (1-2) 式中，f 是调制信号的频率；D是接收信号与发射信号的相位差。 由公式(1-1)和(2-2)可得相位法测距的一般公式： 太原理工大
