大气传输特性对激光探测性能影响研究

论文摘要

激光具有高相干度、高亮度、方向性好等普通光源无法比拟的优点使它在各个学科与技术领域的应用无所不在、与日俱增。但当激光在大气中长距离传输时,大气严重限制了各种激光工程(如激光通信、激光雷达、激光测距等)系统的使用性能。激光大气传输对激光雷达探测目标的能力具有重要的影响。因此,在对激光雷达系统进行设计、研制和定标时,必须考虑到大气传输的影响。本论文对1. 06μm激光大气传输特性进行了理论研究,主要讨论了影响激光雷达探测性能的两个大气效应:衰减效应和由湍流引起的闪烁效应。分析了对流层中影响激光传输的各种因素;阐述了大气对激光传输的各种衰减效应,包括大气中气体分子和气溶胶粒子对激光信号的吸收和散射;在晴朗、云、雾、霾、雨等各种天气情况下,利用一些经验公式计算了1 .06μm激光在大气传输中的衰减。结果表明,在近红外波段对于对流层大气中霾粒子的衰减预测应用Mie理论计算更合理;云雾引起的衰减一般较大,并且随着能见度的减小,衰减增加较快。因此,当Vb < 15km时,霾引起的衰减就需要考虑;当V b较小时,云、雾的激光衰减是限制系统性能的主要因素。以激光雷达距离方程为基础,根据具体要求,选定系统参数,在一定能见度条件下,研究单基地激光雷达的最小接收功率、正常检测时接收机的输入端所需的最小信噪比随最大探测距离之间的关系。叙述了湍流对激光传输的影响,重点研究了大气弱湍流效应中的闪烁效应对直接探测激光雷达系统的影响,这些研究对激光雷达系统的设计具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 激光大气传输特性研究概况
• 1.3 主要研究内容和安排
• 第二章 激光雷达距离方程
• 2.1 激光雷达系统
• 2.2 激光雷达测距原理
• 2.3 激光雷达作用距离方程
• 2.3.1 单基地雷达方程
• 2.3.2 双基地雷达方程
• 2.4 双基地雷达与单基地雷达的区别
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光大气衰减效应
• 3.1 激光大气传输概要
• 3.2 分子的散射与吸收
• 3.3 大气气溶胶的物理特性
• 3.3.1 大气气溶胶
• 3.3.2 大气霾粒子的尺度模型
• 3.3.3 云、雾粒子的尺度模型
• 3.4 气溶胶引起激光传输衰减
• 3.4.1 霾引起激光的衰减模型和Mie散射理论
• 3.4.2 气溶胶引起光衰减的计算方法
• 3.4.3 霾、云、雾、雨引起激光衰减的计算分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 大气衰减效应对激光雷达探测性能的影响
• 4.1 能见度表示大气透过率
• 4.1.1 水平传输
• 4.1.2 斜程传输
• 4.1.3 大气的总透射率
• 4.2 激光雷达在大气中探测距离论证
• 4.2.1 最小接收功率与最大探测距离
• 4.2.2 信噪比与最大探测距离
• 4.2.3 激光雷达探测性能
• 4.3 本章小结
• 第五章 湍流效应对激光探测性能和通信系统的影响
• 5.1 大气湍流概要
• 5.1.1 大气湍流的形成
• n²'>5.1.2 大气湍流折射率结构常数C_n²
• 5.2 激光大气湍流效应
• 5.2.1 光强闪烁效应
• 5.3 大气湍流对激光雷达系统性能的影响
• 5.4 大气湍流对阈值探测的影响
• 5.4.1 探测器的探测概率、阈值噪声比与信噪比
• 5.4.2 湍流对直接探测激光雷达信噪比的影响
• 5.5 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果