激光雷达系统回波能量的计算模型的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达系统回波能量计算模型。
【背景技术】
[0002] 激光雷达是一种具有极高时空分辨率和测量精度的遥感设备，广泛应用于无人导 航车、三维城市建模、地形勘测、大气探测等技术领域。精确计算出预探测区域内的激光回 波能量，对激光雷达系统的整机设计和性能评估具有指导意义。
[0003] 1978年，J.Harms基于光学成像方法提出了典型高斯能量分布的激光回波能量 计算模型，并用于共轴或双轴存有中心遮挡的激光雷达系统；1994年，JinWang和Juha Kostamovaara针对半导体激光器的能量分布，根据辐亮度守恒的原则建立了激光回波能量 计算模型；2005年，KamilStelmaszczyk等人又将光学成像方法扩展到更复杂的牛顿望远 镜系统中。
【发明内容】
[0004] 针对【背景技术】存在的问题，本发明提供一种激光雷达系统回波能量计算模型。本 发明采用如下技术方案：
[0005] 一种激光雷达系统中回波能量计算模型，包括以下步骤：
[0006] 步骤1，获取落入接收光学系统视场内的激光强度二维分布(X，Y，Z);
[0007] 步骤2,计算采样点Ga(X，Y，Z)回波光束的有效立体角$a (Z);
[0008] 步骤3,计算采样点Ga (X，Y，Z)回波主光线与接收光轴的夹角ya (Z);
[0009] 步骤4,计算采样点Ga (X，Y，Z)反射至探测器的激光回波能量Pa (Z);
[0010] 步骤5,计算激光回波总能量Pd(Z)。
[0011] 所述步骤1中，落入接收光学系统视场内的激光强度二维分布G(u(X，Y，Z)为：
[0012] G(i；J) (X,Y,Z) =P〇G(X,Y,Z)A(i；J) (X,Y)
[0013]
【主权项】
1. 一种激光雷达系统中回波能量计算模型，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，获取落入接收光学系统视场内的激光强度二维分布G(ij(X，Y，Z); 步骤2,计算采样点G(i，(X，Y，Z)回波光束的有效立体角$ aj) (Z); 步骤3,计算采样点G(ij(X，Y，Z)回波主光线与接收光轴的夹角y(i ^ (Z); 步骤4，计算采样点6(0(^2)反射至探测器的激光回波能量？(0(2); 步骤5,计算激光回波总能量Pd (Z)。
2. 根据权利要求1所述的激光雷达系统回波能量计算模型，其特征在于，所述步骤1 中，落入接收光学系统视场内的激光强度二维分布G(ij(X，Y，Z)为：
其中，G(X，Y，Z)为任意激光强度二维分布，（Xd，Yd，Rd)为接收光学系统的入瞳圆心坐标 和半径，R为接收视场半径，9接收半视场角，Ptl为入射激光峰值功率；通过定义nXn记录矩 阵A(i;j) (X，Y)判断G(X，Y，Z)是否落入接收视场半径R内：若是，则A(i;j) (X，Y)为1 ;否则， A(U)(XJ)为 0。
3. 根据权利要求1所述的激光雷达系统回波能量计算模型，其特征在于，所述步骤2 中，采样点G(i;j)(X，Y，Z)回波光束的有效立体角的获取方法如下： 若探测器的像面位置为L'，接收光学系统的入窗位置L和半径^为：
其中f为接收光学系统的焦距，rd为探测器的半径； 入窗经采样点Gap(X，Y，Z)在接收光学系统入瞳处的投影轮廓方程巾Qp(Xw，Yw，Rw) 为：
其中（XW，YW，Rw)为入窗投影的圆心坐标和半径； 接收光学系统的入瞳有效面积S(ij(Z)为：
S(u(Z)为去掉中心和边缘圆形遮挡部分后，入窗投影与入瞳的重叠面积，其中 (Xd，Yd，R'd)为中心遮挡部分的圆心坐标和半径，（Xs，Ys，Rs)为边缘遮挡部分的圆心坐标和 半径，通过定义mXm记录矩阵B(i，(X，Y)辅助计算，若B(i，(X，Y)在入瞳有效面积S(i，(Z) 内，则Baj) (X，Y)为 1 ;否则，B(i;j) (X，Y)为 0， 采样点Gaj) (X，Y，Z)回波光束的有效立体角$ (i，(Z)为：
4. 根据权利要求1所述的激光雷达系统回波能量计算模型，其特征在于，所述步骤3 中，采样点G(i，(X，Y，Z)回波主光线与接收光轴的夹角Y(ij(Z)为：
5. 根据权利要求1所述的激光雷达系统回波能量计算模型，其特征在于，所述步骤4 中，采样点6^_)(^2)反射至探测器的激光回波能量？^_ )(2)为：
其中，T为单程大气透射率，e为目标反射率，Ill为发射光学系统的透射率，n2为接 收光学系统的透射率，0为发射光轴与目标面法线的夹角。
6. 根据权利要求1所述的激光雷达系统回波能量计算模型，其特征在于，所述步骤5 中，激光回波总能量Pd (Z)为： Pd(Z) = 2 2P(ij)(Z)。
7. 根据权利要求2所述的激光雷达系统回波能量计算模型，其特征在于，所述的任意 入射激光强度二维分布G(X，Y，Z)通过解析式来描述，或通过CCD相机实测真实的激光光源 来获取。
8. 根据权利要求3所述的激光雷达系统回波能量计算模型，其特征在于，所述的入瞳 有效面积S(ij(Z)的计算方法适用于无遮挡，或多处遮挡且遮挡形状不规则的接收光学系 统。
9. 根据权利要求3所述的激光雷达系统回波能量计算模型，其特征在于，通过改变探 测器的像面位置L'，获取探测器所接收的激光回波能量Pd(Z)。
【专利摘要】本发明涉及一种激光雷达系统回波能量的计算模型。本模型基于光线追迹方法，可用于任意激光强度分布、任意孔径遮挡的共轴或双轴激光雷达系统，获取探测器于任意像面位置处所接收的激光回波能量。本发明提出的激光回波能量计算模型具有普适性强、精度高、速度快等特点。
【IPC分类】G01S7-497
【公开号】CN104714222
【申请号】CN201510165389
【发明人】李松, 史光远, 黄科, 李子乐, 杨晋陵
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年4月9日