1绪论
1.1研究背景与意义
激光雷达是在光电福射探测和传统雷达基础上发展起来的主动成像技术。它在延用电磁雷达测距原理的基础上，采用探测波长更短的光波作为探测光源，相对于微波雷达和毫米波具有更高的空间分辨率，可实现目标轮廓达毫米量级的高分辨率空间成像；光波能够穿透伪装网、树叶等遮蔽物，实现“簇叶”下目标探测。因此，激光雷达在末端制导、激光主动寻的、伪装下的装甲车辆探测、行星探测器自动登陆和飞行器防撞等领域有着广阔的应用[1.5]。激光雷达探测光束发散角通常为几十毫弧度，只有恰好在激光探测光路上才能被干扰和监听，相对于传统雷达具有更强的空间抗干扰能力和保密性，展现了良好的军事应用前景。因此，激光雷达系统的研制受到了世界强国的重视[6],美国率先展开了激光雷达成像系统的研究，美国国防先进研究项目局（DARPA)和美国陆军夜视和电子传感器局（NVESD)先后启动了包括“战略防御”（SDI)、“七巧板”(JIGSA)在内的多个资助计划[7]，资助激光雷达系统的研制，并将激光雷达列为限制扩散军事技术。随后瑞典、俄罗斯等国家也投入大量的人力、物力和财力开展此方面的研究工作。我国对发展成像激光雷达探测技术也非常重视，“十一五” 863计划地球观测与导航技术领域的专题申报指南中特别将“机载小型面阵三维成像激光雷达技术”列为重点专题项目，激光雷达作为我国重点发展的方向之一。此外，激光雷达在数字化城市、建筑测绘、文物复原、车辆防撞、机器视觉、灾害预警、森林检测等方面也表现突出[8]。例如，2011年，我国南方遭受有记录以来最大的冻雨灾害，多条供电线路损坏。我国首次动用机载激光雷达，对供电线路扫描成像，第一时间掌握灾情信息，为灾害的应急处理方案的制定和供电线路的抢修提供了宝贵的资料，挽回巨额经济损失。
综上可见，激光雷达是极具发展潜力的主动探测技术。伴随着武器系统的智能化、实时化和小型化需求，高重频脉冲激光雷达受到武器研发者的青睐。它通过高分辨率距离成像实现目标的高精度自动识别与定位，满足了激光雷达武器系统应用中智能化、精准度的要求；它以高重频、低功率、小型化的半导体激光器为探测光源，满足了武器系统应用的小型化需求，展现了良好的应用前景。同时，我们遗憾的发现，高重频脉冲激光雷达低回波信噪比与目标探测高可靠性、实时性之间存在矛盾。低回波信噪比直接表现为测量距离值随机分布特征的变化，而目标识别与定位正是基于这些离散的测量数据点。为优化激光雷达系统的设计，提高激光雷达的目标识别和探测概率，发展适用于激光雷达测距统计特征的目标识别算法，需要对高重频脉冲激光雷达的测距统计特性有深刻的认识。此外，本人导师及其课题组成员十余年来长期从事激光雷达的研发工作，在系统设计、信号处理和目标识别等方面有着良好的经验积累。在长期的实践过程中，也发现了激光雷达测距统计特性的重要性。它直接影响后续的目标重建和识别信号处理过程。然而，以往研究中对高重频脉冲激光雷达测距统计特征的研究涉及较少。虽然调Q激光测距技术已经非常成熟，但它工作于信噪比极高的状态，单次测量具有很高的精准度，不需要进行大量探测后的统计分析。并且调Q激光器的低重复频率实现大量统计分析也比较困难。而相对于半导体脉冲激光测距而言，虽然它工作在高重频低信噪比状态，但是它更关注测量精准度，对测量实时性要求不高，可以通过多脉冲累积的方式提高回波信噪比，实现高精准度的测量。因此，同样缺乏对高重频脉冲测距统计特性的关注。此外，文献调研资料显示，激光雷达领域的研究主要侧重于技术开发和应用，对这些偏基础性的问题涉及较少，大约90%的文献都是有关于典型系统的介绍和实验结果说明，而只有不到10%的文献会涉及到激光雷达测距理论。事实上，激光雷达的测距统计特性是一个较为复杂的问题，激光雷达脉冲回波鉴别方式、系统参数、目标表面结构和反射特征，激光大气传输和背景光等都会对其产生影响，对其研究不但对激光雷达的优化设计、目标识别算法设计有直接应用价值，同时对激光雷达测距理论体系的完善也具有一定的科学价值。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外激光雷达的最新技术进展
激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。自1961年激光雷达设想的提出到如今经历了 50多年的发展，从最简单的激光测距技术开始，激光雷达技术逐步发展了激光跟踪、激光测速、激光成像等多种用途的激光雷达系统[9，m]。测距型激光雷达是本文关注的重点。按照获得目标信息通道数量和实现方式的不同，激光雷达可分为单点测距型激光雷达、单通道扫描成像激光雷达、多通道扫描成像激光雷达和面阵成像激光雷达。
2激光雷达的光电探测过程与信号模型
2.1激光雷达测距原理
脉冲飞行时间测距是激光雷达常采用的一种测距方法。它通过测量光脉冲在目标和雷达之间的传播时间来计算目标距离。如图2.1所示，基于飞行时间测距原理的激光雷达由激光器及其驱动、光学发射天线、光学接收天线、光电探测器及其前置放大电路、距离鉴别与计时电路、数据通讯模块等几部分组成。其测距过程为：在时序电路的控制下，脉冲激光二极管发射一个高峰值功率的激光脉冲，该激光脉冲经光学发射天线准直后，经大气衰减后射向待测目标；目标散射照在其上的激光脉冲，形成后向散射回波，并被激光雷达的光学接收天线所接收，聚焦到光电二极管的光敏面上，将光信号转换成电信号，形成激光回波的电脉冲信号。电信号经前置放大电路的放大后，进行恒阈值或峰值回波鉴别；当鉴别到回波信号时，立即停止脉冲计时电路，并根据计时结果乘以光速的一半计算目标距离。最后，通过计算机接口将测距数据传给计算机，对数据进行统计和分析。
2.2激光雷达光电探测的统计过程
2.2.1光子探测的泊松计数过程
激光雷达探测过程是一个光子转换为电子流并进行增益放大的过程。因此，即使忽略光子流自身的随机性，光电探测器把光场转化电子流的过程及其电子流的增益放大过程也会引入随机性。事实上，光电探测的统计特性是这些随机过程的综合作用结果，这个过程我们把它称为“光子探测过程”，通常用光电探测的半经典模型进行分析。
3激光雷达测距数据的统计分布模型........25
3.1恒阈值探测下测距数据的统计分布........25
3.1.1恒阈值探测下测距数据的分布模型........25
3.1.2激光脉冲回波对测距统计分布的影响........27
3.1.3阈值鉴别电平对测距数据分布的影响........31
3.1.4噪声分布对测距数据分布的影响........32
3.2峰值探测下测距数据的统计分布........33
3.3本章小结........40
4激光雷达测距过程的数字化仿真........41
4.1激光雷达测距过程的数字化仿真模型........41
4.2激光雷达的回波波形分析........48
4.3恒阈值探测下测距特性的仿真实验........60
4.4峰值探测下测距特性的仿真实验........64
4.5本章小结........68
5激光雷达测距统计特性的实验研究........69
5.1 二极管激光雷达实验系统........69
5.2恒阈值探测下测距统计特性的实验研究........72
5.3峰值探测下测距统计特性的实验研究........77
5.3.1激光脉冲回波对测距统计分布的研究........77
5.3.2噪声特性对测距分布的影响........80
5.4典型目标激光雷达回波信号的实验研究........81
5.4.1实验装置........81
5.4.2典型目标激光雷达回波信号........82
5.5本章小结........83
结论
主动成像激光雷达技术的发展，进一步推动了激光雷达在三维测量、目标重构识别和自主导航等领域的应用。这些应用均是以高精度的距离测量和轮廓重构为基础，而激光雷达具有良好的测距统计特征和角分辨率是获得高精度的三维轮廓像的前提。为此，本文先从理论和实验两方面，研究了恒阈值鉴别和峰值探测两种测距型激光雷达的测距统计特性。在此基础上又讨论了激光雷达距离像的像质评价问题。
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