直接探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的仿真軟件設(shè)計(jì)
陳金令1, 2，石川1, 2，徐征峰1, 2，謝德林1，陳洪斌1 
（1*光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209 
2*研究生院，北京 100039）
摘要: 如何合理而有效地設(shè)計(jì)激光雷達(dá)系統(tǒng),是進(jìn)行激光雷達(dá)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵,設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮各種參數(shù)之間的相互關(guān)系,根據(jù)所提出的指標(biāo),選擇激光器和探測(cè)器及其它元器件。建立了激光雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型，模型以激光雷達(dá)原理為基礎(chǔ)，考慮了激光雷達(dá)距離方程、噪聲模型、接收信噪比模型，利用LOWTRAN軟件分析了各種天氣和系統(tǒng)條件下，對(duì)激光雷達(dá)性能的影響，編制了計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)模擬，結(jié)果表明，數(shù)值仿真有助于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和性能改進(jìn)。
關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；激光探測(cè)；系統(tǒng)仿真；大氣傳輸；仿真軟件
Design of Simulation Software for Lidar System  
Chen Jinling1, 2, Shi Chuan1, 2, Xu Zhengfeng1, 2, Xie Delin1,Chen Hongbin1 
1.     Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu,China
2.     Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039,China
Abstract: It is crucial to design a rational and effective lidar system for the 
research of the lidar. The relationship between many parameters must be considered 
adequay. The laser source and the detector and some other components were chosen on 
the basis of the required index. In order to analyze the performance of the lidar 
system, the numerical simulation model for lidar was presented. This model was based 
on the lidar principles, and it concerned lidar range equation, noise model, etc. The
 effect on lidar caused by changes of important weather and system variables was 
analyzed and discussed with the LOWTRAN. With this model, a simulation software was
 built to operate the simulation of lidar system. Results show that numerical 
simulation can help scheme designing and performance improving of the lidar system.

Keywords: Lidar; Laser detection; System simulation; Atmosphere transformationp;
Simulation software

1 引言
激光雷達(dá)在航空航天、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。它與微波和毫米波雷達(dá)相比，具有以下*優(yōu)勢(shì)：(1)工作頻率高、波長(zhǎng)短；(2)距離、速度和角位置測(cè)量精度高；(3)體積小、重量輕、機(jī)動(dòng)靈活，利于機(jī)載和航天器載。
激光雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件，是激光雷達(dá)技術(shù)同計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是未來(lái)激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新手段，是今后激光雷達(dá)研究領(lǐng)域方向之一。激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須給定各個(gè)元器件的參數(shù)(包括激光器、探測(cè)器和光學(xué)元件)、大氣傳輸特性、目標(biāo)特性等。激光在大氣中傳輸具有復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)特性，激光大氣傳輸模型是在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。本文利用VC軟件，對(duì)激光雷達(dá)進(jìn)行了建模和仿真。
2 激光雷達(dá)原理
激光雷達(dá)的基本原理是：發(fā)射機(jī)發(fā)射一束一定功率的激光束，經(jīng)過(guò)大氣傳輸輻射到目標(biāo)面上，目標(biāo)面反射回來(lái)的回波由接收裝置接收，再由信號(hào)處理提取回波中的有用信息，激光雷達(dá)系統(tǒng)性能分析的基本問(wèn)題是：在一定的發(fā)射功率下，受環(huán)境因素、系統(tǒng)參數(shù)的影響，確定接收端的接收功率、信噪比。
激光器發(fā)出高斯型脈沖波形，經(jīng)擴(kuò)束后由二維光學(xué)掃描系統(tǒng)指向目標(biāo)，從目標(biāo)反射回的回波信號(hào)由高靈敏度的硅雪崩二極管(Si—APD)探測(cè)，APD的輸出由高速數(shù)據(jù)采集卡送入計(jì)算機(jī)處理。激光的脈沖能量、重復(fù)頻率及激光的發(fā)射、光學(xué)掃描儀的掃描波形、掃描的啟動(dòng)與停止、數(shù)據(jù)采集卡的采集速率等均由計(jì)算機(jī)控制。
3 激光雷達(dá)仿真模型
3.1 激光雷達(dá)方程
一般情況下，對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要考慮的幾個(gè)zui主要的指標(biāo)是：作用距離、距離分辨率、成像速率和圖像分辨率等。然后，根據(jù)上述指標(biāo)來(lái)確定激光脈沖重復(fù)頻率、脈沖能量、脈沖寬度、數(shù)據(jù)采集速率、掃描波形及掃描頻率等參數(shù)。直接探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)一般可分為四個(gè)部分：發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)和圖像顯示系統(tǒng)。激光雷達(dá)模擬zui簡(jiǎn)單的方法就是功能模擬，實(shí)現(xiàn)這種方法的基礎(chǔ)是激光雷達(dá)距離方程，即
                                                     (1)
式中 為回波信號(hào)功率， 為激光器發(fā)射功率， 是源到目標(biāo)的大氣傳輸系數(shù)， 為發(fā)射光學(xué)設(shè)備效率， 為束散角， 是發(fā)射機(jī)到目標(biāo)的距離， 為目標(biāo)激光截面， 為目標(biāo)到接收機(jī)的大氣傳輸系數(shù)， 是目標(biāo)到接收機(jī)的距離， 為接收孔徑， 為接收光學(xué)設(shè)備效率。
從公式(1)中可以看到，影響激光雷達(dá)系統(tǒng)性能的因素很多，除了發(fā)射功率外，還有激光的大氣傳輸特性，如大氣湍流、云霧和空氣中的水、灰塵等的影響；對(duì)不同類型的目標(biāo)(如點(diǎn)目標(biāo)和延伸目標(biāo)等)，回波信號(hào)的幅度和相位等都會(huì)發(fā)生較大變化。在激光雷達(dá)系統(tǒng)模擬中，zui重要的工作是建立描述環(huán)境的數(shù)學(xué)模型。激光雷達(dá)模擬中zui主要的物理現(xiàn)象是激光雷達(dá)信號(hào)的散射，它包括目標(biāo)和雜波兩個(gè)方面，在某些情況下，還包括多散射效應(yīng)、衰減、折射和色散等。一般情況下，要根據(jù)激光雷達(dá)系統(tǒng)的功能來(lái)建立模型。對(duì)成像激光雷達(dá)來(lái)說(shuō)，可能需要測(cè)量目標(biāo)的距離、速度和位置等信息。通過(guò)所成的目標(biāo)的強(qiáng)度像和距離像等信息，對(duì)目標(biāo)再進(jìn)行鑒別、分類和識(shí)別等。根據(jù)上面的基本原理，所建立的激光雷達(dá)系統(tǒng)模型軟件分為六大模塊：系統(tǒng)發(fā)射模塊、系統(tǒng)接收模塊、目標(biāo)反射模塊、傳輸介質(zhì)模塊。本模型采用VC語(yǔ)言建立。
3.2大氣傳輸仿真模型
大氣傳輸環(huán)境對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)性能影響很大，雨、霧、雪等天氣會(huì)使得激光雷達(dá)性能變差。在設(shè)計(jì)激光雷達(dá)仿真軟件時(shí)，我們應(yīng)考慮天氣因素及大氣環(huán)境對(duì)激光雷達(dá)性能的影響。實(shí)際中我們采用了已有的大氣軟件LOWTRAN來(lái)計(jì)算激光束在大氣傳輸中的損耗。
LOWTRAN是由美國(guó)*地球物理實(shí)驗(yàn)室(AFGL)開(kāi)發(fā)和研制的寬帶、窄帶和逐線計(jì)算的大氣輻射傳輸模型及其相應(yīng)的應(yīng)用軟件。模型中的大氣傳輸采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的LOWTRAN模型數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)目標(biāo)類型和大氣環(huán)境參數(shù)，調(diào)用LOWTRAN數(shù)據(jù)庫(kù)得到大氣衰減系數(shù)。
3.3目標(biāo)截面仿真模型
目標(biāo)激光截面(Laser Cross Section ，LCS) 定義為：
                                                (2)
其中ρ為目標(biāo)表面反射率； G為目標(biāo)增益；A 是實(shí)際投影面積。增益G由下式給出：
                                              (3)
是目標(biāo)后向散射立體角。假設(shè)目標(biāo)是表面漫反射的大目標(biāo)( ) ，且激光垂直入射，根據(jù)朗伯(Lambert)定理，后向散射立體角取為 ，則
                                          (4)
3.3噪聲仿真模型
通用激光雷達(dá)仿真模型(GLM) 主要考慮兩類噪聲：(1) 背景噪聲；(2) 探測(cè)器噪聲。背景噪聲，它主要是太陽(yáng)、大地以及其他輻射源的輻射進(jìn)入接收視場(chǎng)造成背景“模糊”而引起的噪聲。光電探測(cè)器固有噪聲有：散粒噪聲(Shot Noise)、熱噪聲(Thermal Noise)、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲(Generation-Recombination Noise)及電流噪聲(1/ f Noise)等。在激光雷達(dá)噪聲仿真分析時(shí)，我們引入等效噪聲功率(NEP) 指標(biāo)，它反映直接探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)微弱光輻射的能力。根據(jù)NEP的定義，直接探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的NEP為：
                                  (5)
式中 為普朗克常量； 是光波頻率； 為量子效率； 是電子電荷； 是探測(cè)器的電流倍增因子； 為背景噪聲電流均方值； 為探測(cè)器噪聲電流均方值； 為熱噪聲電流均方值。激光雷達(dá)噪聲模型的構(gòu)成框架見(jiàn)圖1。
噪


聲
探測(cè)器噪聲
背景噪 聲
近紅外光譜區(qū)噪  聲
遠(yuǎn)紅外
光譜區(qū)
噪  聲
散粒噪聲
熱噪聲
產(chǎn)生-復(fù)合噪聲
電流噪聲
太陽(yáng)輻射
月亮輻射（夜晚）
星體輻射（夜晚）
云團(tuán)后向散射

大地?zé)彷椛?
目標(biāo)熱輻射
云團(tuán)后向散射
圖1 噪聲模型框架
Fig.1 The former figure of noise

 



















3.4 激光雷達(dá)信噪比分析
激光雷達(dá)經(jīng)探測(cè)器后的輸出信噪比定義為：信號(hào)的峰值功率比噪聲功率的均方根值。直接探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的噪聲等效功率可由(5)式計(jì)算得到，其輸出信噪比為：
                                                (5)
4 功能介紹
我們用Visual C++6．0可視化開(kāi)發(fā)工具編制了激光雷達(dá)系統(tǒng)仿真軟件。激光雷達(dá)系統(tǒng)仿真包括五個(gè)大的模塊：系統(tǒng)發(fā)射模塊、大氣傳輸模塊、目標(biāo)反射模塊、系統(tǒng)接收模塊、探測(cè)器模塊。模塊化軟件架構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。用戶可以利用交互式圖形用戶界面(Graphical User Interfaces，GUI)，在仿真軟件中選擇環(huán)境變量和配置各種模塊參數(shù)，來(lái)模擬各種環(huán)境、系統(tǒng)條件對(duì)激光雷達(dá)性能的影響，它能方便直觀地估計(jì)和仿真出激光雷達(dá)的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)(如回波功率、接收信噪比等)。激光雷達(dá)通用仿真軟件框架分為三大部分， 即計(jì)算回波功率、計(jì)算信噪比、信號(hào)處理仿真。實(shí)現(xiàn)各部分的功能有計(jì)算、圖形顯示和保存仿真結(jié)果。各個(gè)部分分別由多個(gè)對(duì)話框窗口實(shí)現(xiàn)。用戶可以通過(guò)對(duì)話框來(lái)選擇、設(shè)置激光雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)、傳輸介質(zhì)及環(huán)境變量等， 以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種條件下激光雷達(dá)系統(tǒng)的仿真。
5 仿真結(jié)果
通過(guò)在仿真軟件的可視化界面中選擇和配置各種模塊參數(shù)， 能夠模擬和估計(jì)激光雷達(dá)在各種天氣環(huán)境和系統(tǒng)條件下的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)及性能表現(xiàn)。圖2、圖3為直接探測(cè)激光雷達(dá)回波功率信噪比的仿真界面圖。

圖2 計(jì)算回波功率仿真界面
Fig.2 The interface for calculation of echo power
圖3 噪聲計(jì)算仿真界面
Fig.3  The interface for calculation of noise
 



















各個(gè)模塊設(shè)定的參數(shù)如下:
5.1 系統(tǒng)發(fā)射模塊
發(fā)射功率：10000000W；                 波長(zhǎng)：1.06 ；
發(fā)射孔徑：0.2m；                      孔徑透光常數(shù)0.84；
發(fā)射效率：0.950；
5.2 系統(tǒng)接收模塊：
接收孔徑：0.5m；                      接收效率：0.900；
5.3 目標(biāo)反射模塊：
目標(biāo)類型：擴(kuò)展目標(biāo)；                  半球反射率：0.100；
5.4 傳輸介質(zhì)模塊：
單程距離100000m； 
天氣：晴朗（能見(jiàn)度23.5），經(jīng)過(guò)LOWTRAN計(jì)算大氣傳輸效率為：0.5139
5.5 探測(cè)器參數(shù)：
噪聲帶寬：50MHz；                    探測(cè)器暗電流：50nA；
探測(cè)器負(fù)載電阻：1M ；               溫度：293K；
放大器等效輸入電阻：16M ；          探測(cè)器響應(yīng)率：1.1A/W；
計(jì)算結(jié)果：
束散角：0.004452(m rad)；               接收面積：0.19634m2；
光斑面積：0.155664；                   散射截面：0.062；
大氣衰減：5.7824dB；                   傳輸總衰減：128.50397dB；
暗電流噪聲：8.0 10-19；                 熱噪聲：5.1 10-20；
放大器噪聲：1.87 10-23；                散彈噪聲：1.2 10-15；
背景噪聲：8.51 10-22；
結(jié)束語(yǔ)
激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展對(duì)于激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)非常重要，已成為激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究的重要環(huán)節(jié)。本文研究了激光雷達(dá)仿真模型， 對(duì)大氣傳輸模型、噪聲模型、發(fā)射與接收模型進(jìn)行了仿真， 以此模擬各種環(huán)境和系統(tǒng)條件對(duì)激光雷達(dá)性能的影響。系統(tǒng)的仿真能夠直接針對(duì)系統(tǒng)提出具體的問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決能夠使激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究在各個(gè)分系統(tǒng)方面都能有一個(gè)全面深入的考慮，并把系統(tǒng)研制過(guò)程中可能遇到的困難先提出來(lái)，從而對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的研制起到理論和技術(shù)上的指導(dǎo)作用仿真結(jié)果說(shuō)明。仿真軟件能夠模擬和估計(jì)激光雷達(dá)的關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)， 但仿真結(jié)果還需要對(duì)比實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)加以驗(yàn)證。進(jìn)一步的研究工作還應(yīng)包括根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善和修改激光雷達(dá)仿真模型。

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