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摘要激光雷达已从 20 世纪的探索阶段，发展到了日臻成熟的阶段。相对微波、毫米波雷达，工作频段的迁移使其具有很多独特性的优点，但随之而来的也有一些缺点，例如受雨滴的影响较大，雨滴造成的衰减较为严重。因此雨滴对于光的衰减特性就变得极为重要。本文利用蒙特卡罗方法，将激光光束微观化为光子，建立了光子传输模型。模拟中通过光子与雨滴的相互作用来表现激光在雨中的传播过程，并编写了 Matlab 仿真程序。根据仿真结果得出，雨滴对激光光束的吸收在降雨强度不是很大的情况下可以忽略，而雨滴的散射使激光光束在传播方向的衰减严重不可忽略。雨滴的衰减会使激光雷达的错测率和漏测率增加，测距密集度减小。对激光雷达系统的优化设计具有理论指导意义。60997
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毕业论文关键词 激光雷达 雨滴 蒙特卡罗模拟 Matlab仿真
Title The Ranging Property of Laser Radar in The Rain
Abstract The lidar has reached a maturity stage from the exploration stage in twentieth century. As opposed to the microwave radar, millimeter wave radar, the migrate of the work band make lidar process a lot of advantages, however, some shortcomings are followed, such as severe raindrop attenuation. So it is becoming more important that study on the raindrop attenuation. In this paper, we regarded the laser beam as photon beam and established a photon transport model by Monte-Carlo method. In the simulation, the interaction of photon and raindrops show laser propagation in the rain, and we wrote a Matlab program. According to the simulation results, the absorption of the laser beam is not large in drizzle. Due to raindrops scattering, the attenuation of the laser beam is severe in propagation direction. Raindrop attenuation causes the error ranging probability and missing rate increases, and ranging intensity decreases. It is the theoretical guidance for optimization and design of the laser radar systems.
Keywords Lidar Raindrops Monte-Carlo Simulation Matlab
目次
1绪论1
1.1研究背景和意义1
1.3蒙特卡罗方法3
1.4本论文的主要内容4
2激光雷达测距特性分析的基础知识4
2.1脉冲激光测距原理4
2.2激光雷达测距特性的评价体系5
3激光在雨中的衰减6
3.1雨滴的形状6
3.2雨滴尺寸分布7
3.3雨滴对激光光束的衰减7
4光子传输的蒙特卡罗方法模拟9
4.1光子的多重散射9
4.2蒙特卡罗方法在本模拟中的应用10
4.3光子模型及光子的初始化10
4.4光子步长11
4.5光子的传播过程12
4.6程序流程图13
4.7仿真结果与讨论14
结论19
致谢20
参考文献22
1 绪论 1.1 研究背景和意义 自从激光器问世以来，激光技术应用领域不断扩大和延伸。由于激光具有单色性好、相干性强、准直性高以及高亮度、大功率等特点，因此激光在通信、航天、遥感、测距和监测等多领域得到了广泛应用，激光测距技术作为最早最成熟的技术也不断得到发展。 1960年第一只红宝石激光器问世，仅仅相隔一年以后，世界上第一台红宝石激光测距仪也随之研制成功。1969 年美国首次将激光测距仪用于坦克火控系统，引导坦克对目标实施打击。到了 80 年代中后期，随着半导体激光技术的日趋成熟，使得激光测距仪在民用方面的广泛应用成为可能。 影响激光雷达测距特性的因素，除激光雷达系统自身参数外，还包括气象条件的影响。源]自=751-·论~文"网·www.751com.cn/对于激光雷达系统自身参数（例如阈噪比、信噪比等的设定）对其测距特性的影响[1，2]，国内外已有许多学者进行了研究，也得到了很好的结果。这就使得激光雷达在简单天气环境下的测距精度达到了很高的水平。而将激光雷达用于复杂天气（例如雾、霾、雨、雪等）环境中时，激光雷达的测距误差明显加大。气象的影响是大气从分子到气溶胶的各种组分，各种大气环境条件下的吸收和散射引起的衰减模式的综合效果，而激光传输的规律又反映了气象的规律，因此，引起人们重视，成为激光的大气传输的重要内容。但由于二者之间的相互影响的模式极为复杂，理论研究具有一定难度。在计算大气总透射率时，晴朗、干燥和洁净的大气对激光传输的影响比较简单，并可得到较好的结果。但是对于云、雾、霾、雨和冰雪等天气，对于大风、沙尘暴等天气，各种影响的机理都有不同程度的影响，是一个很复杂的互相关联的过程。目前尚无较好的方法和较精确的结果。但首先可以对典型的雾、云、雨和雪等天气做出简单的分析。国内外学者针对沙尘、云雾、湍流这些复杂气候做了大量的研究，分别从理论分析、数值模拟和实验测试等研究激光信号在散射介质中的传播特性[3，4]，而脉冲激光在降雨环境下的传输特性研究则很少。激光在雨天传输时会受到雨滴的吸收、散射等衰减作用，基于降雨的多变性，研究的实验条件很难满足，难度较大。而降雨会使得激光测距雷达测距精度降低，甚至于无法使用。 因此，我们有必要对激光雷达在雨天的测距特性进行研究，以期通过对激光雷达系统进一步优化，使其能够在降雨环境下进行精确测距。这对提升我国激光雷达技术的研发能力有着重要意义。