激光雷达回波信号处理技术研究

发布时间：2017-05-28 12:01

  本文关键词：激光雷达回波信号处理技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：自从Duntley等人发现海水蓝绿窗口(海水对450 nm-580 nm波段的蓝绿光的衰减比对其他波段光的衰减要小很多)后,Hickman和Hogg又论证了机载激光水下目标探测的可行性,从此打开了人们利用光电技术进行水下探测的大门,使得激光水下探测技术成为各国争相研究的热点。激光水下探测系统在我国截至目前仍然处于实验室研究和实验分析阶段。本文基于实验室水下探测技术的基础,对激光水下探测系统的信号处理技术进行比较深入地研究,通过对回波信号进行高斯多峰拟合,提高系统测距精度,并获得一些水质参数。本课题对实验室已有的激光水下成像系统进行改进,主要是回光探测系统的技术改进。探测器采用SPM阵列,输出信号经放大、滤波等环节送到高速采集、记录系统,通过PC机对波形进行处理。编写的上位机程序可控制采集回波信号的序列长度和采集次数。此系统可看作为全波形激光雷达。基于Monte Carlo方法,对激光回波信号的形成过程进行仿真,详细分析了光的传输过程,将光的传输过程分为:激光在大气中的传输、大气与海水界面的传输、海水中的传输、海底的反射、海水与大气界面的传输、探测器接收。通过设定不同参数,得到不同的仿真信号,有利于分析各项参数对回波信号的影响,为海底反射信号的提取提供了理论依据。由于系统是全波形激光雷达,输出信号是一维回波波形,通过对回波信号的处理,不仅能获得目标的距离信息,还能够通过本文提出的方法求取水质的衰减系数、目标反射率信息等。通过对回波信号进行高斯多峰曲线拟合,得到发射激光脉冲和目标回波激光脉冲,获得各个脉冲的位置、峰值、脉宽等信息,为后续目标识别奠定技术基础。同时通过高斯多峰曲线拟合,测距精度提高一个数量级。拟合得到的目标回波激光脉冲与发射激光脉冲幅值作比,得到目标表面各点的反射率信息,然后将反射率信息用伪彩色显示,作为目标的灰度图,该灰度信息可用来对不同目标进行区分。提出对激光雷达采集到的回波信号进行数字处理,求取水的漫射衰减系数,进而通过漫射衰减系数与衰减系数的关系求出海水衰减系数的方法。该方法可以快速测量大面积海域的水质参数,但是精度不高,需要对所求系数进行校正。
【关键词】：全波形激光雷达 Monte Carlo 高斯多峰拟合 衰减系数
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN958.98
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 研究背景和意义11-13
• 1.1.1 研究背景11-13
• 1.1.2 研究意义13
• 1.2 国内外研究现状13-17
• 1.2.1 国内进展概述14
• 1.2.2 国外进展概述14-17
• 1.2.2.1 初始阶段14-16
• 1.2.2.2 发展阶段16
• 1.2.2.3 实用阶段16-17
• 1.3 激光水下探测的关键技术17-18
• 1.4 典型激光水下探测系统介绍18-20
• 1.5 本文的主要研究内容及组织结构20-22
• 第2章 机载激光水下探测系统的系统结构22-35
• 2.1 结构设计23
• 2.2 光学子系统23-28
• 2.2.1 光学发射子系统23-25
• 2.2.2 光学接收子系统25-28
• 2.2.2.1 光电倍增管25-26
• 2.2.2.2 硅光电倍增管26-28
• 2.2.2.3 SPM读出电路28
• 2.3 扫描子系统28-31
• 2.4 高速数据采集系统31-32
• 2.5 实验系统性能指标32-33
• 2.6 外场实验33-34
• 2.7 本章小结34-35
• 第3章 激光束在大气和海水中传输特性的研究35-49
• 3.1 光学参数的基本定义35-36
• 3.2 激光在大气中的传输特性研究36-40
• 3.2.1 大气的空间组成36
• 3.2.2 激光在大气中的传输特性36-40
• 3.2.2.1 大气的吸收37-38
• 3.2.2.2 大气的散射38
• 3.2.2.3 大气中光衰减指数定律38-39
• 3.2.2.4 大气湍流39-40
• 3.3 激光在大气 海水界面的传输特性分析40-42
• 3.3.1 平静海面的反射率40-41
• 3.3.2 海面泡沫的反射率41
• 3.3.3 风浪对海面反射率的影响41-42
• 3.4 激光光束在海水中的传输特性分析42-48
• 3.4.1 海水的光学参数42
• 3.4.2 激光在海水中的衰减特性42
• 3.4.3 激光在海水中的吸收特性42-43
• 3.4.4 光在海水中的散射特性43-44
• 3.4.4.1 海水本身对激光束的散射43-44
• 3.4.4.2 悬浮粒子的散射44
• 3.4.4.3 常用体散射函数44
• 3.4.5 波浪模拟44-46
• 3.4.6 外场实验遇到的问题46-47
• 3.4.7 解决方法47-48
• 3.4.8 我国海域水质分布48
• 3.5 本章小结48-49
• 第4章 机载激光水下探测中回波信号形成的蒙特卡罗仿真49-57
• 4.1 蒙特卡罗(MONTE CARLO)方法49-50
• 4.2 回波信号形成的蒙特卡罗仿真50-56
• 4.2.1 大气中的传输及大气与海水界面的传输50-51
• 4.2.2 海水中的传输51-52
• 4.2.3 海底反射52-53
• 4.2.4 海水与大气界面传输53
• 4.2.5 实验结果与分析53-56
• 4.3 本章小结56-57
• 第5章 激光雷达回波信号处理技术57-81
• 5.1 实际获得的回波信号57-58
• 5.2 如何提取海底反射信号58-61
• 5.3 动态范围压缩方法61-62
• 5.4 回波波形去畸变62-67
• 5.5 脉冲激光照射在倾斜表面上的反射特性67-72
• 5.5.1 回波建模与特性分析67-72
• 5.5.2 仿真结果72
• 5.6 高斯多峰曲线拟合72-77
• 5.7 三维构建77-79
• 5.8 本章小结79-81
• 第6章 激光在水中衰减系数的获取81-92
• 6.1 研究现状81-85
• 6.1.1 ac 981-83
• 6.1.2 HydroScat 683-85
• 6.2 国外机载激光测深系统中实际的水质测量方法85-86
• 6.3 通过赛奇盘(SECCHI DISK)估计海水衰减系数86-87
• 6.4 本系统对海水衰减系数的获取87-91
• 6.5 本章小结91-92
• 第7章 总结与展望92-95
• 7.1 论文的创新点92
• 7.2 系统改进建议92-93
• 7.2.1 关键技术的改进92
• 7.2.2 系统各组成部分的改进建议92-93
• 7.3 研究展望93-95
• 参考文献95-100
• 作者简历100-101
• 攻读博士学位期间取得的研究成果101-102
• 致谢102-103

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王睿;司磊;程湘爱;;激光停照后探测器继续升温现象的实验研究[J];激光与红外;2008年01期

2 孔令剑;朱桂芳;姜从群;;激光超声光学检测应用[J];激光与光电子学进展;2010年01期

3 江寿平;;激光与分子生物学[J];应用激光;1981年03期

4 ;《兵器激光》1982年总目录[J];兵器激光;1982年06期

5 孙景文;地基激光通往太空的桥梁-激光导引星[J];激光杂志;1991年06期

6 陈五高，李健，李蔚，薜静，张昌旭，朱苒，沈嵘，周景晨;激光治癌研究[J];光电子·激光;1994年02期

7 ;首套多功能激光治癌设备通过评审[J];光电子技术与信息;2000年04期

8 秦梅香,朱菁;调Q激光去除纹身[J];应用激光;2001年02期

9 程玉宝,王炳健,刘上乾;一种提高激光波长测量精度的改进算法[J];光子学报;2003年09期

10 田彬;邹万芳;何真;刘淑静;宋峰;;脉冲Nd:YAG激光除漆实验[J];清洗世界;2007年10期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 张其土;王庭慰;花超;王丽熙;;高强度防1.06μm波长激光PC材料[A];第十届全国青年材料科学技术研讨会论文集（C辑）[C];2005年

2 党钊;陈德怀;王超;李小群;陈骥;;用于同步高功率固体激光的高精度时钟发生技术研究[A];第三届全国虚拟仪器大会论文集[C];2008年

3 张风;;激光的生物学效应与波长选择[A];中国眼底病论坛·全国眼底病专题学术研讨会论文汇编[C];2008年

4 邵宏伟;方占军;孟飞;王强;张行;刘香斌;邹玲丁;沈雪萍;;可调谐半导体激光(ECDL)在超精密测距上的应用[A];2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会论文集（二）[C];2007年

5 王世绩;顾援;;X光激光实验研究进展[A];中国工程物理研究院科技年报（1999）[C];1999年

6 杨述斌;彭复员;;激光水下目标回波探测技术[A];2008中国仪器仪表与测控技术进展大会论文集（Ⅰ）[C];2008年

7 杨瑞科;马春林;韩香娥;苏振玲;鉴佃军;;激光在大气中传输衰减特性研究[A];2007年光电探测与制导技术的发展与应用研讨会论文集[C];2007年

8 潘教青;刘峰奇;王圩;王占国;;激光气体传感技术与应用[A];光纤材料产业技术创新战略联盟（试点）推进暨学术研讨会论文集[C];2012年

9 李征燕;孙国强;杨东平;;基于DSP的激光波长测量系统的设计[A];2010振动与噪声测试峰会论文集[C];2010年

10 Gregory S.Keller;朱金土;;用Pixel像束激光进行无创换肤治疗[A];浙江省中西医结合学会医学美容专业委员会第三次学术年会暨省级继续教育学习班资料汇编[C];2007年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 王姣;激光到底会不会损伤视网膜？(上)[N];科技日报;2008年

2 本报记者 刘洪宇;神奇激光与装备制造[N];辽宁日报;2007年

3 主讲人 光学专家 激光三高治疗仪发明人 北京正安激光研究院院长 吴小光　博士;激光：徜徉于医学领域[N];人民政协报;2011年

4 天佑;激光对食品包装的影响[N];中国包装报;2011年

5 林其水;食品软包装中的激光划线技术[N];中国包装报;2008年

6 张巍巍;激光微喷射系统实现无痛注射[N];科技日报;2012年

7 束洪福;测量地球到月球之间距离误差小于发丝[N];科技日报;2008年

8 组稿 王毅俊;激光 让生活更美好[N];上海科技报;2010年

9 周前进;多功能激光治癌机在我国武汉研制成功[N];大众卫生报;2000年

10 中科院力学所 杨明江;让钢板性能更优良[N];中国冶金报;2001年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 王萌;金属络合物激光三维物化改性技术研究[D];天津大学;2011年

2 张俊;半导体激光线阵合束光源及外腔反馈光谱合束技术的研究[D];中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）;2013年

3 邱化冬;基于条码质量的直接标刻激光参量与物理机制的研究[D];山东大学;2011年

4 董利明;金属焊接残余应力的激光超声无损检测研究[D];南京理工大学;2012年

5 周立敏;基于激光后向散射的多光束风场位移测量及弱信号相关检测技术研究[D];电子科技大学;2012年

6 颜洪雷;红外与激光复合探测关键技术研究[D];中国科学院研究生院（上海技术物理研究所）;2014年

7 林丹;真空激光有质动力加速机制和物理特性的研究[D];复旦大学;2008年

8 谢雪康;双向空间交会对接激光搜索跟踪技术研究[D];电子科技大学;2003年

9 余卿;激光并行共焦测量系统的并行光源研究[D];合肥工业大学;2011年

10 蒋燕义;超窄线宽激光及其在光钟中的应用[D];华东师范大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 黄国秀;激光与金属相互作用的温度场分析[D];长春理工大学;2008年

2 赵娜;固体激光相干合束的数值模拟及激光位相探测方法研究[D];中国工程物理研究院;2008年

3 程昌;激光划痕仪检测装置及试验研究[D];江苏大学;2008年

4 谭项林;激光超声无损检测系统关键技术研究[D];国防科学技术大学;2011年

5 袁良;激光微能量检定/校准技术研究[D];西安工业大学;2012年

6 周玉龙;激光预警器的设计[D];长春理工大学;2003年

7 杨宝森;激光主动成像系统的研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

8 张兴奎;激光功率检测技术研究[D];长春理工大学;2009年

9 马丽芳;检测激光超声的线偏振光外差干涉系统设计[D];天津大学;2007年

10 叶亚云;光学元件表面的激光清洗技术研究[D];中国工程物理研究院;2010年

  本文关键词：激光雷达回波信号处理技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：402558