推帚式激光三维成像雷达关键技术研究

论文摘要

推帚式激光三维成像雷达经过近十几年来的快速发展,如今已经成为现代民用和军用目标探测中极具应用前景的三维成像方式。而在推帚式激光三维成像雷达系统中,大功率半导体激光阵列准直系统、激光阵列回波信号接收系统、半导体激光器功率与探测距离的关系、激光扫描轨迹十分重要,直接影响激光成像的效果和探测距离。本文主要针对推帚式激光三维成像雷达中的关键技术——大功率半导体激光阵列准直系统、激光阵列回波信号接收系统、半导体激光器功率的确定、激光扫描轨迹进行了深入的研究,并对准直光学系统和光学接收系统进行了优化设计和仿真。论文主要内容如下:1.对推帚式激光三维成像系统结构进行了分析,并研究了激光雷达测距原理,从分析微波雷达探测距离方程导出激光雷达探测距离方程,还深入研究了激光三维成像原理。2.以计算机仿真为平台,研究了无球差双曲面-平面柱透镜,对大功率半导体激光阵列准直器件优化设计,并分析了激光光源振动对激光发散角的影响。仿真结果表明,所设计系统具有良好的准直效果,理论上点光源在焦点50μm范围内振动时,准直光束发散角不超过1mrad。3.根据模式匹配原理,针对激光回波信号聚焦耦合入布拉格光纤进行优化设计。对于布拉格光纤,当不考虑纤芯外能量损失时,不同模式的激光最佳耦合效率不相同。4.根据对激光探测距离方程分析,选定激光工作波长λ= 1550nm,得出激光探测距离与激光发射功率的关系。并对激光扫描轨迹进行分析建模,得出成像的最小像素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状、水平及发展趋势
• 1.2.1 国外研究概况、水平和发展趋势
• 1.2.2 国内研究概况、水平和发展趋势
• 1.3 推帚式激光三维成像雷达关键技术
• 1.4 本论文的研究内容和各章内容安排
• 第二章 推帚式激光雷达原理
• 2.1 推帚式激光三维成像雷达系统结构
• 2.2 激光雷达测距原理
• 2.2.1 脉冲测距法
• 2.2.2 相位测距法
• 2.3 激光雷达的测距方程
• 2.3.1 激光雷达测距的标准形式
• 2.3.2 扩展目标的测距方程
• 2.3.3 点目标的测距方程
• 2.4 推帚式激光三维成像原理
• 2.5 本章小结
• 第三章 激光雷达光学发射和接收系统研究
• 3.1 激光并行发射和并行接收子系统结构设计
• 3.2 激光发射和接收系统中器件的选取
• 3.3 无球差准直透镜设计
• 3.3.1 无球差准直透镜的理论计算
• 3.3.2 对激光光束准直的MATLAB 仿真
• 3.3.3 激光光源移动对准直光束发散角的影响
• 3.3.3.1 激光光源在主轴上左右移动
• 3.3.3.2 激光光源垂直主光轴上下移动
• 3.4 空间光到布拉格光纤耦合分析
• 3.4.1 布拉格光子晶体光纤理论模型
• 3.4.2 空间光-布拉格光纤耦合效率计算
• 3.4.3 空间光-单模布拉格光纤耦合效率分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 探测距离与激光扫描轨迹分析
• 4.1 激光探测距离分析
• 4.2 推帚式激光雷达扫描轨迹分析
• 4.2.1 物体表面激光光斑大小计算
• 4.2.2 线性激光单元数和目标像素分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 主要工作即结论
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果