激光成像雷达大气传输仿真.pdf

激光成像雷达大气传输仿真 李佚其 尚铁梁 李思宁 王骐 (哈尔滨工业大学光电子技术研究所 哈尔滨 150001) 摘要：分析了激光戍像雷达系统中激光在大气中传输时，由于大气的吸收、散射及大气湍流等 线·陛非线性问题对光束的影响，将激光复杂的大气传输特性做了现象化和简单化的处理，并且对大 气吸收及散射提出了计算模型，可用于激光成像雷达系统仿真中的大气传输模块． 关键词：激光成像雷达；大气传输；吸收；散射；仿真 1．引言 激光主动成像雷达多以激光束快速扫描照射目标。利用回波信号，由反射强度得到目标强度像， 目标距离信息得到距离像，如果将强度像和距离像的图像叠加，可以得到更精确反映目标外形特征 的三维图像。由于激光波束窄、工作频率非常高，角分辨率和速度分辨率极高，它的三维图像用于 目标识别，与被动红外成像及合成孔径雷达相比，可大大提高目标识别精度，是目标自动识gU和分 类技术的一个重大进展【lJ． 长波红外激光成像雷达具有独特的技术优势．它最先在军事上得到应用。C02激光成像雷达是 目前技术上唯一比较成熟的长波红外激光成像雷达。由于C02激光相干性好，采用外差探测，可大 大提高接收机的探测灵敏度。 C02激光成像雷达具有波段优势。它的工作波长是10．6#m恰好处于大气窗口长波红外f8～ 12pan)范围．在恶劣的战场(烟尘、烟雾、雨天和碳氢化合物等能见度低)条件下，其透明度大大高 率照射下不会伤损人的视网膜。 激光雷达成像系统中．需要对目标进行捕获、跟踪：测量、瞄准、探测，由于大气的线性非线 性特性，激光经过大气传输后，将受到大气的调制：大气分子及气溶胶对激光有吸收和散射；大气 湍流引起激光光束畸变：热晕引起光束发散；使光束能量发生衰减、能量重新分布、甚至产生大气 击穿等效应。因此在进行仿真时，必须考虑光束场在大气中的线性非线性涨落效应。 激光的大气环境是指大气传输介质。目标与大气环境的光学特性使激光主动成像激光雷达设计、 仿真机实验的重要光学参考量，建立目标与大气环境模型能够揭示10．6,ttm激光同目标与大气相互作 用而产生的物理现象，为各种10．6#m激光应用的论证、研制、方针、试验和作战提供理论基础。文 中就10．6／．tm激光的大气传输光学特性的有关内容进行了讨论，提出了计算模型。 2．理论基础 激光雷达探测目标的能力虽然由激光雷达作用距离方程描述。但是实际的探测能力却和激光的 大气传输和目标的特性有密切关系。 大气传输的影响主要表现在以下几个方面Ⅲ： (1)大气层某些气体分子及悬浮颗粒对激光的选择性吸收引起的衰减： (2)大气物理性质的剧烈变化，导致闪烁引起的照度的变化和调制； (3)大气分子和悬浮微粒本身的物理性质的变化引起的激光光束性质的变化： 【4)大气湍流使光学折射率发生随机变化，引起激光束波前畸变，改变激光的强度和相干性· 激光的大气传输特性与激光波长和大气条件有关。激光辐射单色性高、发散小、密度大，假定 光传输路径上大气均匀或分层均匀，其传播特性可用布格尔·朗伯定律描述； P(A，力=P(旯，O)exp[一盯(五)x】 (1) 其中盯(A)为大气中的衰减系数，P(^，X)是激光发射功率P(兄，0)经过x路径后透射出的激光功率。 大气总的衰减系数可表示为： 盯(旯)=crm+rm+盯。+芷。 (2) 其中盯。为分子散射系数；Oa为气溶胶散射系数；K。为分子吸收系数；r。为气溶胶吸收系数· 伴随红外辐射在大气中传播的主要过程指的是：水汽、二氧化碳气体、臭氧的选择吸收以及大 气中悬浮态颗粒的散射。在波长超过1p．m波段和高度达12kin的范国内，意义最大的是水汽和二氧化 碳气体分子对辐射的选择性吸收。大气中的水汽浓度是可变的．它取决于地理位置、高度、季节、 当地气象条件，其范围为O．0010／0--4％(按容积)。随着高度的增加，大气中的水汽含量急剧减少。 观测表明，在1．5以．0km高度上，空气中的水汽含量已经减少到地面的一半，在高度超过12kin处，大 气中的水汽量少的可以忽略。二氧化碳气体主要集中在20kin以下，其含量大约为0．0314％，并且因 1ff3％)。低层大气中的臭氧浓