脉冲激光测距雷达回波信号统计特性研究

论文摘要

激光探测技术是激光技术的一个最重要的方面。激光由于具有高亮度和方向性、单色性好等特点,因此在国防和民用领域中正发挥着越来越重的作用。脉冲激光探测技术作为激光探测技术的一种方式,正在成为世界研究的热点。本文以激光雷达为研究背景,在通过增大接收系统口径提高回波信号信噪比的前提下,从理论和实验上研究了脉冲激光回波信号特性对探测性能的影响。在理论和设计方面,本文首先对几种激光探测技术进行深入的研究。对脉冲激光测距中回波信号进行分析,并建立信噪比测距方程。在此基础上,推导回波信号功率和系统噪声公式。定量分析了接收系统三种主要的噪声,并从接收系统出发,研究接收口径和接收视场对探测信噪比的影响。在设计上,采用大口径物镜以提高回波信号强度,采用雪崩光电二极管(APD)作为光电探测器件,通过干涉滤光片和视场光阑降低系统背景噪声以提高回波信号信噪比。前置放大电路采用跨导放大电路结构,有效地对APD所输出的微弱电流信号进行放大。在实验方面,通过大量的实验和实验数据,研究了回波信号幅值和测距误差以及测距不确定度的关系,发现回波信号幅值越大,系统的测距误差和测距不确定度越小。研究了脉冲激光回波信号的幅值和上升时间的统计分布。分析了测距系统带宽对于系统探测概率和漏测率的影响,发现过小的系统带宽会使系统探测特性发生恶化。最后,对信噪比和探测概率的关系做了实验研究。本文的研究对脉冲激光探测理论有一定的完善作用,对后续系统的研制和探测指标的改善有很好的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 脉冲激光测距仪国内外研究现状
• 1.3 脉冲激光测距理论国内外研究现状
• 1.4 本文研究主要工作
• 2 脉冲激光测距技术
• 2.1 半导体激光器
• 2.2 脉冲激光测距方法
• 2.2.1 干涉法测距
• 2.2.2 三角法测距
• 2.2.3 相位法激光测距
• 2.2.4 脉冲激光测距
• 2.2.5 脉冲激光回波信号探测及分析
• 2.2.6 脉冲激光信噪比距离方程
• 2.3 系统噪声分析
• 2.3.1 系统背景噪声
• 2.3.2 APD噪声分析
• 2.3.3 附加噪声因子
• 2.3.4 放大电路噪声
• 2.4 提高脉冲激光雷达回波信号信噪比的方法
• 2.4.1 接收口径对探测信噪比的影响
• 2.4.2 接收视场对探测信噪比的影响
• 2.5 本章小结
• 3 激光脉冲测距回波信号接收系统
• 3.1 脉冲激光回波光电探测器
• 3.2 回波信号接收光学系统机械结构设计
• 3.3 信号前置放大电路设计
• 3.4 高速比较整形电路设计
• 3.5 本章小结
• 4 脉冲激光测距系统回波信号统计特性研究
• 4.1 脉冲激光测距系统回波信号统计特性参数
• 4.2 回波信号幅值的实验研究
• 4.3 回波信号上升时间实验研究
• 4.4 系统带宽对测距特性的实验研究
• 4.5 信噪比和探测概率关系的实验研究
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 本文主要工作总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献