激光雷達系統(tǒng)回波能量的計算模型的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達技術領域，尤其涉及一種激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型。
【背景技術】
[0002] 激光雷達是一種具有極高時空分辨率和測量精度的遙感設備，廣泛應用于無人導 航車、三維城市建模、地形勘測、大氣探測等技術領域。精確計算出預探測區(qū)域內的激光回 波能量，對激光雷達系統(tǒng)的整機設計和性能評估具有指導意義。
[0003] 1978年，J.Harms基于光學成像方法提出了典型高斯能量分布的激光回波能量 計算模型，并用于共軸或雙軸存有中心遮擋的激光雷達系統(tǒng)；1994年，JinWang和Juha Kostamovaara針對半導體激光器的能量分布，根據輻亮度守恒的原則建立了激光回波能量 計算模型；2005年，KamilStelmaszczyk等人又將光學成像方法擴展到更復雜的牛頓望遠 鏡系統(tǒng)中。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對【背景技術】存在的問題，本發(fā)明提供一種激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型。本 發(fā)明采用如下技術方案：
[0005] 一種激光雷達系統(tǒng)中回波能量計算模型，包括以下步驟：
[0006] 步驟1，獲取落入接收光學系統(tǒng)視場內的激光強度二維分布(X，Y，Z);
[0007] 步驟2,計算采樣點Ga(X，Y，Z)回波光束的有效立體角$a (Z);
[0008] 步驟3,計算采樣點Ga (X，Y，Z)回波主光線與接收光軸的夾角ya (Z);
[0009] 步驟4,計算采樣點Ga (X，Y，Z)反射至探測器的激光回波能量Pa (Z);
[0010] 步驟5,計算激光回波總能量Pd(Z)。
[0011] 所述步驟1中，落入接收光學系統(tǒng)視場內的激光強度二維分布G(u(X，Y，Z)為：
[0012] G(i；J) (X,Y,Z) =P〇G(X,Y,Z)A(i；J) (X,Y)
[0013]
【主權項】
1. 一種激光雷達系統(tǒng)中回波能量計算模型，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1，獲取落入接收光學系統(tǒng)視場內的激光強度二維分布G(ij(X，Y，Z); 步驟2,計算采樣點G(i，(X，Y，Z)回波光束的有效立體角$ aj) (Z); 步驟3,計算采樣點G(ij(X，Y，Z)回波主光線與接收光軸的夾角y(i ^ (Z); 步驟4，計算采樣點6(0(^2)反射至探測器的激光回波能量？(0(2); 步驟5,計算激光回波總能量Pd (Z)。
2. 根據權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型，其特征在于，所述步驟1 中，落入接收光學系統(tǒng)視場內的激光強度二維分布G(ij(X，Y，Z)為：
其中，G(X，Y，Z)為任意激光強度二維分布，（Xd，Yd，Rd)為接收光學系統(tǒng)的入瞳圓心坐標 和半徑，R為接收視場半徑，9接收半視場角，Ptl為入射激光峰值功率；通過定義nXn記錄矩 陣A(i;j) (X，Y)判斷G(X，Y，Z)是否落入接收視場半徑R內：若是，則A(i;j) (X，Y)為1 ;否則， A(U)(XJ)為 0。
3. 根據權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型，其特征在于，所述步驟2 中，采樣點G(i;j)(X，Y，Z)回波光束的有效立體角的獲取方法如下： 若探測器的像面位置為L'，接收光學系統(tǒng)的入窗位置L和半徑^為：
其中f為接收光學系統(tǒng)的焦距，rd為探測器的半徑； 入窗經采樣點Gap(X，Y，Z)在接收光學系統(tǒng)入瞳處的投影輪廓方程巾Qp(Xw，Yw，Rw) 為：
其中（XW，YW，Rw)為入窗投影的圓心坐標和半徑； 接收光學系統(tǒng)的入瞳有效面積S(ij(Z)為：
S(u(Z)為去掉中心和邊緣圓形遮擋部分后，入窗投影與入瞳的重疊面積，其中 (Xd，Yd，R'd)為中心遮擋部分的圓心坐標和半徑，（Xs，Ys，Rs)為邊緣遮擋部分的圓心坐標和 半徑，通過定義mXm記錄矩陣B(i，(X，Y)輔助計算，若B(i，(X，Y)在入瞳有效面積S(i，(Z) 內，則Baj) (X，Y)為 1 ;否則，B(i;j) (X，Y)為 0， 采樣點Gaj) (X，Y，Z)回波光束的有效立體角$ (i，(Z)為：
4. 根據權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型，其特征在于，所述步驟3 中，采樣點G(i，(X，Y，Z)回波主光線與接收光軸的夾角Y(ij(Z)為：
5. 根據權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型，其特征在于，所述步驟4 中，采樣點6^_)(^2)反射至探測器的激光回波能量？^_ )(2)為：
其中，T為單程大氣透射率，e為目標反射率，Ill為發(fā)射光學系統(tǒng)的透射率，n2為接 收光學系統(tǒng)的透射率，0為發(fā)射光軸與目標面法線的夾角。
6. 根據權利要求1所述的激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型，其特征在于，所述步驟5 中，激光回波總能量Pd (Z)為： Pd(Z) = 2 2P(ij)(Z)。
7. 根據權利要求2所述的激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型，其特征在于，所述的任意 入射激光強度二維分布G(X，Y，Z)通過解析式來描述，或通過CCD相機實測真實的激光光源 來獲取。
8. 根據權利要求3所述的激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型，其特征在于，所述的入瞳 有效面積S(ij(Z)的計算方法適用于無遮擋，或多處遮擋且遮擋形狀不規(guī)則的接收光學系 統(tǒng)。
9. 根據權利要求3所述的激光雷達系統(tǒng)回波能量計算模型，其特征在于，通過改變探 測器的像面位置L'，獲取探測器所接收的激光回波能量Pd(Z)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光雷達系統(tǒng)回波能量的計算模型。本模型基于光線追跡方法，可用于任意激光強度分布、任意孔徑遮擋的共軸或雙軸激光雷達系統(tǒng)，獲取探測器于任意像面位置處所接收的激光回波能量。本發(fā)明提出的激光回波能量計算模型具有普適性強、精度高、速度快等特點。
【IPC分類】G01S7-497
【公開號】CN104714222
【申請?zhí)枴緾N201510165389
【發(fā)明人】李松, 史光遠, 黃科, 李子樂, 楊晉陵
【申請人】武漢大學
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年4月9日