1 引言 激光雷達在航空航天、工業(yè)和醫(yī)學等領域有廣泛的應用。它與微波和毫米波雷達相比，具有以下獨特優(yōu)勢：（1）工作頻率高、波長短；（2）距離、速度和角位置測量精度高；（3）體積小、重量輕、機動靈活，利于機載和航天器載。 激光雷達系統(tǒng)仿真軟件，是激光雷達技術同計算機數(shù)字仿真技術相結(jié)合的產(chǎn)物，是未來激光雷達系統(tǒng)設計的新手段，是今后激光雷達研究領域方向之一。激光雷達系統(tǒng)的設計須給定各個元器件的參數(shù)（包括激光器、探測器和光學元件）、大氣傳輸特性、目標特性等。激光在大氣中傳輸具有復雜的統(tǒng)計特性，激光大氣傳輸模型是在大量實驗數(shù)據(jù)分析基礎上建立起來的。本文利用VC軟件，對激光雷達進行了建模和仿真。 2 激光雷達原理 激光雷達的基本原理是：發(fā)射機發(fā)射一束一定功率的激光束，經(jīng)過大氣傳輸輻射到目標面上，目標面反射回來的回波由接收裝置接收，再由信號處理提取回波中的有用信息，激光雷達系統(tǒng)性能分析的基本問題是：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)擴束后由二維光學掃描系統(tǒng)指向目標，從目標反射回的回波信號由高靈敏度的硅雪崩二極管（Si—APD）探測，APD的輸出由高速數(shù)據(jù)采集卡送入計算機處理。激光的脈沖能量、重復頻率及激光的發(fā)射、光學掃描儀的掃描波形、掃描的啟動與停止、數(shù)據(jù)采集卡的采集速率等均由計算機控制。 3 激光雷達仿真模型 3.1 激光雷達方程 一般情況下，對激光雷達系統(tǒng)來說，需要考慮的幾個最主要的指標是：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)上述指標來確定激光脈沖重復頻率、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)。直接探測激光雷達系統(tǒng)一般可分為四個部分：發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和圖像顯示系統(tǒng)。激光雷達模擬最簡單的方法就是功能模擬，實現(xiàn)這種方法的基礎是激光雷達距離方程，即： 從公式（1）中可以看到，影響激光雷達系統(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；對不同類型的目標（如點目標和延伸目標等），回波信號的幅度和相位等都會發(fā)生較大變化。在激光雷達系統(tǒng)模擬中，最重要的工作是建立描述環(huán)境的數(shù)學模型。激光雷達模擬中最主要的物理現(xiàn)象是激光雷達信號的散射，它包括目標和雜波兩個方面，在某些情況下，還包括多散射效應、衰減、折射和色散等。一般情況下，要根據(jù)激光雷達系統(tǒng)的功能來建立模型。對成像激光雷達來說，可能需要測量目標的距離、速度和位置等信息。通過所成的目標的強度像和距離像等信息，對目標再進行鑒別、分類和識別等。根據(jù)上面的基本原理，所建立的激光雷達系統(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、目標反射模塊、傳輸介質(zhì)模塊。本模型采用VC語言建立。 3.2大氣傳輸仿真模型 大氣傳輸環(huán)境對激光雷達系統(tǒng)性能影響很大，雨、霧、雪等天氣會使得激光雷達性能變差。在設計激光雷達仿真軟件時，我們應考慮天氣因素及大氣環(huán)境對激光雷達性能的影響。實際中我們采用了已有的大氣軟件LOWTRAN來計算激光束在大氣傳輸中的損耗。 LOWTRAN是由美國空軍地球物理實驗室（AFGL）開發(fā)和研制的寬帶、窄帶和逐線計算的大氣輻射傳輸模型及其相應的應用軟件。模型中的大氣傳輸采用美國標準的LOWTRAN模型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)目標類型和大氣環(huán)境參數(shù)，調(diào)用LOWTRAN數(shù)據(jù)庫得到大氣衰減系數(shù)。 3.3目標截面仿真模型 目標激光截面（Laser Cross Section ，LCS） 定義為： 3.4 激光雷達信噪比分析 激光雷達經(jīng)探測器后的輸出信噪比定義為：信號的峰值功率比噪聲功率的均方根值。直接探測激光雷達系統(tǒng)的噪聲等效功率可由（5）式計算得到，其輸出信噪比為： [b]4、功能介紹 [/b] 我們用Visual C++6．0可視化開發(fā)工具編制了激光雷達系統(tǒng)仿真軟件。激光雷達系統(tǒng)仿真包括五個大的模塊：系統(tǒng)發(fā)射模塊、大氣傳輸模塊、目標反射模塊、系統(tǒng)接收模塊、探測器模塊。模塊化軟件架構(gòu)易于實現(xiàn)功能的擴展。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)，來模擬各種環(huán)境、系統(tǒng)條件對激光雷達性能的影響，它能方便直觀地估計和仿真出激光雷達的關鍵特征數(shù)據(jù)（如回波功率、接收信噪比等）。激光雷達通用仿真軟件框架分為三大部分， 即計算回波功率、計算信噪比、信號處理仿真。實現(xiàn)各部分的功能有計算、圖形顯示和保存仿真結(jié)果。各個部分分別由多個對話框窗口實現(xiàn)。用戶可以通過對話框來選擇、設置激光雷達的系統(tǒng)參數(shù)、傳輸介質(zhì)及環(huán)境變量等， 以實現(xiàn)對各種條件下激光雷達系統(tǒng)的仿真。 5、仿真結(jié)果 通過在仿真軟件的可視化界面中選擇和配置各種模塊參數(shù)， 能夠模擬和估計激光雷達在各種天氣環(huán)境和系統(tǒng)條件下的關鍵特征數(shù)據(jù)及性能表現(xiàn)。圖2、圖3為直接探測激光雷達回波功率信噪比的仿真界面圖。 各個模塊設定的參數(shù)如下: 5.1 系統(tǒng)發(fā)射模塊 發(fā)射功率：10000000W； 波長：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 目標反射模塊： 目標類型：擴展目標； 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（能見度23.5），經(jīng)過LOWTRAN計算大氣傳輸效率為：0.5139 5.5 探測器參數(shù)： 噪聲帶寬：50MHz； 探測器暗電流：50nA； 探測器負載電阻：1M ； 絕對溫度：293K； 放大器等效輸入電阻：16M ； 探測器響應率：1.1A/W； 計算結(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 激光雷達系統(tǒng)的研究和設計是一項復雜的工作。計算機仿真技術的發(fā)展對于激光雷達系統(tǒng)的研究與設計非常重要，已成為激光雷達系統(tǒng)設計和研究的重要環(huán)節(jié)。本文研究了激光雷達仿真模型， 對大氣傳輸模型、噪聲模型、發(fā)射與接收模型進行了仿真， 以此模擬各種環(huán)境和系統(tǒng)條件對激光雷達性能的影響。系統(tǒng)的仿真能夠直接針對系統(tǒng)提出具體的問題，這些問題的解決能夠使激光雷達系統(tǒng)的研究在各個分系統(tǒng)方面都能有一個全面深入的考慮，并把系統(tǒng)研制過程中可能遇到的困難先提出來，從而對實際系統(tǒng)的研制起到理論和技術上的指導作用仿真結(jié)果說明。仿真軟件能夠模擬和估計激光雷達的關鍵特征數(shù)據(jù)， 但仿真結(jié)果還需要對比實際測試結(jié)果來加以驗證。進一步的研究工作還應包括根據(jù)實際實驗數(shù)據(jù)進一步完善和修改激光雷達仿真模型。 編輯:何世平