直接探测激光雷达系统的仿真软件设计
直接探测激光雷达系统的仿真软件设计
陈金令1, 2，石川1, 2，徐征峰1, 2，谢德林1，陈洪斌1
（1*光电技术研究所，四川 成都 610209
2*研究生院，北京 100039）
摘要: 如何合理而有效地设计激光雷达系统,是进行激光雷达系统研究的关键,设计时必须充分考虑各种参数之间的相互关系,根据所提出的指标,选择激光器和探测器及其它元器件。建立了激光雷达系统的数值仿真模型，模型以激光雷达原理为基础，考虑了激光雷达距离方程、噪声模型、接收信噪比模型，利用LOWTRAN软件分析了各种天气和系统条件下，对激光雷达性能的影响，编制了计算机仿真软件进行雷达系统模拟，结果表明，数值仿真有助于实验系统的方案设计和性能改进。
关键词：激光雷达；激光探测；系统仿真；大气传输；仿真软件
Design of Simulation Software for Lidar System
Chen Jinling1, 2, Shi Chuan1, 2, Xu Zhengfeng1, 2, Xie Delin1,Chen Hongbin1
1. Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu,China
2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039,China
Abstract: It is crucial to design a rational and effective lidar system for the
research of the lidar. The relationship between many parameters must be considered
adequay. The laser source and the detector and some other components were chosen on
the basis of the required index. In order to analyze the performance of the lidar
system, the numerical simulation model for lidar was presented. This model was based
on the lidar principles, and it concerned lidar range equation, noise model, etc. The
effect on lidar caused by changes of important weather and system variables was
analyzed and discussed with the LOWTRAN. With this model, a simulation software was
built to operate the simulation of lidar system. Results show that numerical
simulation can help scheme designing and performance improving of the lidar system.
Keywords: Lidar; Laser detection; System simulation; Atmosphere transformationp;
Simulation software
1 引言
激光雷达在航空航天、工业和医学等领域有广泛的应用。它与微波和毫米波雷达相比，具有以下*优势：(1)工作频率高、波长短；(2)距离、速度和角位置测量精度高；(3)体积小、重量轻、机动灵活，利于机载和航天器载。
激光雷达系统仿真软件，是激光雷达技术同计算机数字仿真技术相结合的产物，是未来激光雷达系统设计的新手段，是今后激光雷达研究领域方向之一。激光雷达系统的设计须给定各个元器件的参数(包括激光器、探测器和光学元件)、大气传输特性、目标特性等。激光在大气中传输具有复杂的统计特性，激光大气传输模型是在大量实验数据分析基础上建立起来的。本文利用VC软件，对激光雷达进行了建模和仿真。
2 激光雷达原理
激光雷达的基本原理是：发射机发射一束一定功率的激光束，经过大气传输辐射到目标面上，目标面反射回来的回波由接收装置接收，再由信号处理提取回波中的有用信息，激光雷达系统性能分析的基本问题是：在一定的发射功率下，受环境因素、系统参数的影响，确定接收端的接收功率、信噪比。
激光器发出高斯型脉冲波形，经扩束后由二维光学扫描系统指向目标，从目标反射回的回波信号由高灵敏度的硅雪崩二极管(Si—APD)探测，APD的输出由高速数据采集卡送入计算机处理。激光的脉冲能量、重复频率及激光的发射、光学扫描仪的扫描波形、扫描的启动与停止、数据采集卡的采集速率等均由计算机控制。
3 激光雷达仿真模型
3.1 激光雷达方程
一般情况下，对激光雷达系统来说，需要考虑的几个zui主要的指标是：作用距离、距离分辨率、成像速率和图像分辨率等。然后，根据上述指标来确定激光脉冲重复频率、脉冲能量、脉冲宽度、数据采集速率、扫描波形及扫描频率等参数。直接探测激光雷达系统一般可分为四个部分：发射系统、接收系统、信号处理系统和图像显示系统。激光雷达模拟zui简单的方法就是功能模拟，实现这种方法的基础是激光雷达距离方程，即
(1)
式中 为回波信号功率， 为激光器发射功率， 是源到目标的大气传输系数， 为发射光学设备效率， 为束散角， 是发射机到目标的距离， 为目标激光截面， 为目标到接收机的大气传输系数， 是目标到接收机的距离， 为接收孔径， 为接收光学设备效率。
从公式(1)中可以看到，影响激光雷达系统性能的因素很多，除了发射功率外，还有激光的大气传输特性，如大气湍流、云雾和空气中的水、灰尘等的影响；对不同类型的目标(如点目标和延伸目标等)，回波信号的幅度和相位等都会发生较大变化。在激光雷达系统模拟中，zui重要的工作是建立描述环境的数学模型。激光雷达模拟中zui主要的物理现象是激光雷达信号的散射，它包括目标和杂波两个方面，在某些情况下，还包括多散射效应、衰减、折射和色散等。一般情况下，要根据激光雷达系统的功能来建立模型。对成像激光雷达来说，可能需要测量目标的距离、速度和位置等信息。通过所成的目标的强度像和距离像等信息，对目标再进行鉴别、分类和识别等。根据上面的基本原理，所建立的激光雷达系统模型软件分为六大模块：系统发射模块、系统接收模块、目标反射模块、传输介质模块。本模型采用VC语言建立。
3.2大气传输仿真模型
大气传输环境对激光雷达系统性能影响很大，雨、雾、雪等天气会使得激光雷达性能变差。在设计激光雷达仿真软件时，我们应考虑天气因素及大气环境对激光雷达性能的影响。实际中我们采用了已有的大气软件LOWTRAN来计算激光束在大气传输中的损耗。
LOWTRAN是由美国*地球物理实验室(AFGL)开发和研制的宽带、窄带和逐线计算的大气辐射传输模型及其相应的应用软件。模型中的大气传输采用美国标准的LOWTRAN模型数据库，根据目标类型和大气环境参数，调用LOWTRAN数据库得到大气衰减系数。
3.3目标截面仿真模型
目标激光截面(Laser Cross Section ，LCS) 定义为：
(2)
其中ρ为目标表面反射率； G为目标增益；A 是实际投影面积。增益G由下式给出：
(3)
是目标后向散射立体角。假设目标是表面漫反射的大目标( ) ，且激光垂直入射，根据朗伯(Lambert)定理，后向散射立体角取为 ，则
(4)
3.3噪声仿真模型
通用激光雷达仿真模型(GLM) 主要考虑两类噪声：(1) 背景噪声；(2) 探测器噪声。背景噪声，它主要是太阳、大地以及其他辐射源的辐射进入接收视场造成背景“模糊”而引起的噪声。光电探测器固有噪声有：散粒噪声(Shot Noise)、热噪声(Thermal Noise)、产生-复合噪声(Generation-Recombination Noise)及电流噪声(1/ f Noise)等。在激光雷达噪声仿真分析时，我们引入等效噪声功率(NEP) 指标，它反映直接探测系统探测微弱光辐射的能力。根据NEP的定义，直接探测激光雷达系统的NEP为：
(5)
式中 为普朗克常量； 是光波频率； 为量子效率； 是电子电荷； 是探测器的电流倍增因子； 为背景噪声电流均方值； 为探测器噪声电流均方值； 为热噪声电流均方值。激光雷达噪声模型的构成框架见图1。
噪
声
探测器噪声
背景噪 声
近红外光谱区噪 声
远红外
光谱区
噪 声
散粒噪声
热噪声
产生-复合噪声
电流噪声
太阳辐射
月亮辐射（夜晚）
星体辐射（夜晚）
云团后向散射
大地热辐射
目标热辐射
云团后向散射
图1 噪声模型框架
Fig.1 The former figure of noise
3.4 激光雷达信噪比分析
激光雷达经探测器后的输出信噪比定义为：信号的峰值功率比噪声功率的均方根值。直接探测激光雷达系统的噪声等效功率可由(5)式计算得到，其输出信噪比为：
(5)
4 功能介绍
我们用Visual C++6．0可视化开发工具编制了激光雷达系统仿真软件。激光雷达系统仿真包括五个大的模块：系统发射模块、大气传输模块、目标反射模块、系统接收模块、探测器模块。模块化软件架构易于实现功能的扩展。用户可以利用交互式图形用户界面(Graphical User Interfaces，GUI)，在仿真软件中选择环境变量和配置各种模块参数，来模拟各种环境、系统条件对激光雷达性能的影响，它能方便直观地估计和仿真出激光雷达的关键特征数据(如回波功率、接收信噪比等)。激光雷达通用仿真软件框架分为三大部分， 即计算回波功率、计算信噪比、信号处理仿真。实现各部分的功能有计算、图形显示和保存仿真结果。各个部分分别由多个对话框窗口实现。用户可以通过对话框来选择、设置激光雷达的系统参数、传输介质及环境变量等， 以实现对各种条件下激光雷达系统的仿真。
5 仿真结果
通过在仿真软件的可视化界面中选择和配置各种模块参数， 能够模拟和估计激光雷达在各种天气环境和系统条件下的关键特征数据及性能表现。图2、图3为直接探测激光雷达回波功率信噪比的仿真界面图。
图2 计算回波功率仿真界面
Fig.2 The interface for calculation of echo power
图3 噪声计算仿真界面
Fig.3 The interface for calculation of noise
各个模块设定的参数如下:
5.1 系统发射模块
发射功率：10000000W； 波长：1.06 ；
发射孔径：0.2m； 孔径透光常数0.84；
发射效率：0.950；
5.2 系统接收模块：
接收孔径：0.5m； 接收效率：0.900；
5.3 目标反射模块：
目标类型：扩展目标； 半球反射率：0.100；
5.4 传输介质模块：
单程距离100000m；
天气：晴朗（能见度23.5），经过LOWTRAN计算大气传输效率为：0.5139
5.5 探测器参数：
噪声带宽：50MHz； 探测器暗电流：50nA；
探测器负载电阻：1M ； 温度：293K；
放大器等效输入电阻：16M ； 探测器响应率：1.1A/W；
计算结果：
束散角：0.004452(m rad)； 接收面积：0.19634m2；
光斑面积：0.155664； 散射截面：0.062；
大气衰减：5.7824dB； 传输总衰减：128.50397dB；
暗电流噪声：8.0 10-19； 热噪声：5.1 10-20；
放大器噪声：1.87 10-23； 散弹噪声：1.2 10-15；
背景噪声：8.51 10-22；
结束语
激光雷达系统的研究和设计是一项复杂的工作。计算机仿真技术的发展对于激光雷达系统的研究与设计非常重要，已成为激光雷达系统设计和研究的重要环节。本文研究了激光雷达仿真模型， 对大气传输模型、噪声模型、发射与接收模型进行了仿真， 以此模拟各种环境和系统条件对激光雷达性能的影响。系统的仿真能够直接针对系统提出具体的问题，这些问题的解决能够使激光雷达系统的研究在各个分系统方面都能有一个全面深入的考虑，并把系统研制过程中可能遇到的困难先提出来，从而对实际系统的研制起到理论和技术上的指导作用仿真结果说明。仿真软件能够模拟和估计激光雷达的关键特征数据， 但仿真结果还需要对比实际测试结果来加以验证。进一步的研究工作还应包括根据实际实验数据进一步完善和修改激光雷达仿真模型。
参考文献
1 Kamerman G W. Laser Radar . Chapter 1 of Active Electro-Optical System , Vol. 6, The Infrared and Electro-Optical System Handbook , SPIE Press , 1993. 10～99
2 Cassady P , Murata R. Laser Radar Technology for Airborne Theater Missile Defense.
Proc of SPIE , 1995 ,2472: 50～61
3 Sandor Der, Brian Redman, Rama Chellappa. Simulation of error in optics radar
range measurements
[J]. Appl Opt, 1997. 36(27): 6869—6874.
4 R. F. Dillon, D. P. De Gloria, F. M. Pagliughi et al. Low-cost laser radar imaging experiments. SPIE . 1992,1633 :274-280
5 熊辉丰. 激光雷达. 北京: 宇航出版社,1994:285
6 何毅. 外差探测系统的相位匹配研究.中国激光.1997,A24(10): 930-934
7 何毅,吴健. 相干式CO2激光边缘跟踪雷达光学系统. 中国激光,1998,A25(7): 667-671
8 王正清,胡渝,林崇杰. 光电探测技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 1984.
陈金令1, 2，石川1, 2，徐征峰1, 2，谢德林1，陈洪斌1
（1*光电技术研究所，四川 成都 610209
2*研究生院，北京 100039）
摘要: 如何合理而有效地设计激光雷达系统,是进行激光雷达系统研究的关键,设计时必须充分考虑各种参数之间的相互关系,根据所提出的指标,选择激光器和探测器及其它元器件。建立了激光雷达系统的数值仿真模型，模型以激光雷达原理为基础，考虑了激光雷达距离方程、噪声模型、接收信噪比模型，利用LOWTRAN软件分析了各种天气和系统条件下，对激光雷达性能的影响，编制了计算机仿真软件进行雷达系统模拟，结果表明，数值仿真有助于实验系统的方案设计和性能改进。
关键词：激光雷达；激光探测；系统仿真；大气传输；仿真软件
Design of Simulation Software for Lidar System
Chen Jinling1, 2, Shi Chuan1, 2, Xu Zhengfeng1, 2, Xie Delin1,Chen Hongbin1
1. Institute of Optics and Electronics,Chinese Academy of Sciences,Chengdu,China
2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing,100039,China
Abstract: It is crucial to design a rational and effective lidar system for the
research of the lidar. The relationship between many parameters must be considered
adequay. The laser source and the detector and some other components were chosen on
the basis of the required index. In order to analyze the performance of the lidar
system, the numerical simulation model for lidar was presented. This model was based
on the lidar principles, and it concerned lidar range equation, noise model, etc. The
effect on lidar caused by changes of important weather and system variables was
analyzed and discussed with the LOWTRAN. With this model, a simulation software was
built to operate the simulation of lidar system. Results show that numerical
simulation can help scheme designing and performance improving of the lidar system.
Keywords: Lidar; Laser detection; System simulation; Atmosphere transformationp;
Simulation software
1 引言
激光雷达在航空航天、工业和医学等领域有广泛的应用。它与微波和毫米波雷达相比，具有以下*优势：(1)工作频率高、波长短；(2)距离、速度和角位置测量精度高；(3)体积小、重量轻、机动灵活，利于机载和航天器载。
激光雷达系统仿真软件，是激光雷达技术同计算机数字仿真技术相结合的产物，是未来激光雷达系统设计的新手段，是今后激光雷达研究领域方向之一。激光雷达系统的设计须给定各个元器件的参数(包括激光器、探测器和光学元件)、大气传输特性、目标特性等。激光在大气中传输具有复杂的统计特性，激光大气传输模型是在大量实验数据分析基础上建立起来的。本文利用VC软件，对激光雷达进行了建模和仿真。
2 激光雷达原理
激光雷达的基本原理是：发射机发射一束一定功率的激光束，经过大气传输辐射到目标面上，目标面反射回来的回波由接收装置接收，再由信号处理提取回波中的有用信息，激光雷达系统性能分析的基本问题是：在一定的发射功率下，受环境因素、系统参数的影响，确定接收端的接收功率、信噪比。
激光器发出高斯型脉冲波形，经扩束后由二维光学扫描系统指向目标，从目标反射回的回波信号由高灵敏度的硅雪崩二极管(Si—APD)探测，APD的输出由高速数据采集卡送入计算机处理。激光的脉冲能量、重复频率及激光的发射、光学扫描仪的扫描波形、扫描的启动与停止、数据采集卡的采集速率等均由计算机控制。
3 激光雷达仿真模型
3.1 激光雷达方程
一般情况下，对激光雷达系统来说，需要考虑的几个zui主要的指标是：作用距离、距离分辨率、成像速率和图像分辨率等。然后，根据上述指标来确定激光脉冲重复频率、脉冲能量、脉冲宽度、数据采集速率、扫描波形及扫描频率等参数。直接探测激光雷达系统一般可分为四个部分：发射系统、接收系统、信号处理系统和图像显示系统。激光雷达模拟zui简单的方法就是功能模拟，实现这种方法的基础是激光雷达距离方程，即
(1)
式中 为回波信号功率， 为激光器发射功率， 是源到目标的大气传输系数， 为发射光学设备效率， 为束散角， 是发射机到目标的距离， 为目标激光截面， 为目标到接收机的大气传输系数， 是目标到接收机的距离， 为接收孔径， 为接收光学设备效率。
从公式(1)中可以看到，影响激光雷达系统性能的因素很多，除了发射功率外，还有激光的大气传输特性，如大气湍流、云雾和空气中的水、灰尘等的影响；对不同类型的目标(如点目标和延伸目标等)，回波信号的幅度和相位等都会发生较大变化。在激光雷达系统模拟中，zui重要的工作是建立描述环境的数学模型。激光雷达模拟中zui主要的物理现象是激光雷达信号的散射，它包括目标和杂波两个方面，在某些情况下，还包括多散射效应、衰减、折射和色散等。一般情况下，要根据激光雷达系统的功能来建立模型。对成像激光雷达来说，可能需要测量目标的距离、速度和位置等信息。通过所成的目标的强度像和距离像等信息，对目标再进行鉴别、分类和识别等。根据上面的基本原理，所建立的激光雷达系统模型软件分为六大模块：系统发射模块、系统接收模块、目标反射模块、传输介质模块。本模型采用VC语言建立。
3.2大气传输仿真模型
大气传输环境对激光雷达系统性能影响很大，雨、雾、雪等天气会使得激光雷达性能变差。在设计激光雷达仿真软件时，我们应考虑天气因素及大气环境对激光雷达性能的影响。实际中我们采用了已有的大气软件LOWTRAN来计算激光束在大气传输中的损耗。
LOWTRAN是由美国*地球物理实验室(AFGL)开发和研制的宽带、窄带和逐线计算的大气辐射传输模型及其相应的应用软件。模型中的大气传输采用美国标准的LOWTRAN模型数据库，根据目标类型和大气环境参数，调用LOWTRAN数据库得到大气衰减系数。
3.3目标截面仿真模型
目标激光截面(Laser Cross Section ，LCS) 定义为：
(2)
其中ρ为目标表面反射率； G为目标增益；A 是实际投影面积。增益G由下式给出：
(3)
是目标后向散射立体角。假设目标是表面漫反射的大目标( ) ，且激光垂直入射，根据朗伯(Lambert)定理，后向散射立体角取为 ，则
(4)
3.3噪声仿真模型
通用激光雷达仿真模型(GLM) 主要考虑两类噪声：(1) 背景噪声；(2) 探测器噪声。背景噪声，它主要是太阳、大地以及其他辐射源的辐射进入接收视场造成背景“模糊”而引起的噪声。光电探测器固有噪声有：散粒噪声(Shot Noise)、热噪声(Thermal Noise)、产生-复合噪声(Generation-Recombination Noise)及电流噪声(1/ f Noise)等。在激光雷达噪声仿真分析时，我们引入等效噪声功率(NEP) 指标，它反映直接探测系统探测微弱光辐射的能力。根据NEP的定义，直接探测激光雷达系统的NEP为：
(5)
式中 为普朗克常量； 是光波频率； 为量子效率； 是电子电荷； 是探测器的电流倍增因子； 为背景噪声电流均方值； 为探测器噪声电流均方值； 为热噪声电流均方值。激光雷达噪声模型的构成框架见图1。
噪
声
探测器噪声
背景噪 声
近红外光谱区噪 声
远红外
光谱区
噪 声
散粒噪声
热噪声
产生-复合噪声
电流噪声
太阳辐射
月亮辐射（夜晚）
星体辐射（夜晚）
云团后向散射
大地热辐射
目标热辐射
云团后向散射
图1 噪声模型框架
Fig.1 The former figure of noise
3.4 激光雷达信噪比分析
激光雷达经探测器后的输出信噪比定义为：信号的峰值功率比噪声功率的均方根值。直接探测激光雷达系统的噪声等效功率可由(5)式计算得到，其输出信噪比为：
(5)
4 功能介绍
我们用Visual C++6．0可视化开发工具编制了激光雷达系统仿真软件。激光雷达系统仿真包括五个大的模块：系统发射模块、大气传输模块、目标反射模块、系统接收模块、探测器模块。模块化软件架构易于实现功能的扩展。用户可以利用交互式图形用户界面(Graphical User Interfaces，GUI)，在仿真软件中选择环境变量和配置各种模块参数，来模拟各种环境、系统条件对激光雷达性能的影响，它能方便直观地估计和仿真出激光雷达的关键特征数据(如回波功率、接收信噪比等)。激光雷达通用仿真软件框架分为三大部分， 即计算回波功率、计算信噪比、信号处理仿真。实现各部分的功能有计算、图形显示和保存仿真结果。各个部分分别由多个对话框窗口实现。用户可以通过对话框来选择、设置激光雷达的系统参数、传输介质及环境变量等， 以实现对各种条件下激光雷达系统的仿真。
5 仿真结果
通过在仿真软件的可视化界面中选择和配置各种模块参数， 能够模拟和估计激光雷达在各种天气环境和系统条件下的关键特征数据及性能表现。图2、图3为直接探测激光雷达回波功率信噪比的仿真界面图。
图2 计算回波功率仿真界面
Fig.2 The interface for calculation of echo power
图3 噪声计算仿真界面
Fig.3 The interface for calculation of noise
各个模块设定的参数如下:
5.1 系统发射模块
发射功率：10000000W； 波长：1.06 ；
发射孔径：0.2m； 孔径透光常数0.84；
发射效率：0.950；
5.2 系统接收模块：
接收孔径：0.5m； 接收效率：0.900；
5.3 目标反射模块：
目标类型：扩展目标； 半球反射率：0.100；
5.4 传输介质模块：
单程距离100000m；
天气：晴朗（能见度23.5），经过LOWTRAN计算大气传输效率为：0.5139
5.5 探测器参数：
噪声带宽：50MHz； 探测器暗电流：50nA；
探测器负载电阻：1M ； 温度：293K；
放大器等效输入电阻：16M ； 探测器响应率：1.1A/W；
计算结果：
束散角：0.004452(m rad)； 接收面积：0.19634m2；
光斑面积：0.155664； 散射截面：0.062；
大气衰减：5.7824dB； 传输总衰减：128.50397dB；
暗电流噪声：8.0 10-19； 热噪声：5.1 10-20；
放大器噪声：1.87 10-23； 散弹噪声：1.2 10-15；
背景噪声：8.51 10-22；
结束语
激光雷达系统的研究和设计是一项复杂的工作。计算机仿真技术的发展对于激光雷达系统的研究与设计非常重要，已成为激光雷达系统设计和研究的重要环节。本文研究了激光雷达仿真模型， 对大气传输模型、噪声模型、发射与接收模型进行了仿真， 以此模拟各种环境和系统条件对激光雷达性能的影响。系统的仿真能够直接针对系统提出具体的问题，这些问题的解决能够使激光雷达系统的研究在各个分系统方面都能有一个全面深入的考虑，并把系统研制过程中可能遇到的困难先提出来，从而对实际系统的研制起到理论和技术上的指导作用仿真结果说明。仿真软件能够模拟和估计激光雷达的关键特征数据， 但仿真结果还需要对比实际测试结果来加以验证。进一步的研究工作还应包括根据实际实验数据进一步完善和修改激光雷达仿真模型。
参考文献
1 Kamerman G W. Laser Radar . Chapter 1 of Active Electro-Optical System , Vol. 6, The Infrared and Electro-Optical System Handbook , SPIE Press , 1993. 10～99
2 Cassady P , Murata R. Laser Radar Technology for Airborne Theater Missile Defense.
Proc of SPIE , 1995 ,2472: 50～61
3 Sandor Der, Brian Redman, Rama Chellappa. Simulation of error in optics radar
range measurements
[J]. Appl Opt, 1997. 36(27): 6869—6874.
4 R. F. Dillon, D. P. De Gloria, F. M. Pagliughi et al. Low-cost laser radar imaging experiments. SPIE . 1992,1633 :274-280
5 熊辉丰. 激光雷达. 北京: 宇航出版社,1994:285
6 何毅. 外差探测系统的相位匹配研究.中国激光.1997,A24(10): 930-934
7 何毅,吴健. 相干式CO2激光边缘跟踪雷达光学系统. 中国激光,1998,A25(7): 667-671
8 王正清,胡渝,林崇杰. 光电探测技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 1984.
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