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文章关键词:manbetx体育版,朗伯模型

  朗伯圆锥激光二维距离像仿真。朗伯圆锥激光二维距离像仿真 宫彦军 【摘 要】朗伯圆锥体脉冲激光二维散射强度像与时间有关,时间对应距离,所 以称其为激光二维距离像,激光二维距离像能反映目标的形状、姿态、距离分 辨和材料特性,对于目标

  朗伯圆锥激光二维距离像仿真 宫彦军 【摘 要】朗伯圆锥体脉冲激光二维散射强度像与时间有关,时间对应距离,所 以称其为激光二维距离像,激光二维距离像能反映目标的形状、姿态、距离分 辨和材料特性,对于目标识别具有重要的意义。文章建立朗伯圆锥体激光二维 距离像计算模型,利用此模型给出仿真结果,分析了脉冲宽度、入射方向、圆 锥的高度及半锥角对二维距离像的影响。 【期刊名称】湖南科技学院学报 【年(卷),期】2014(000)010 【总页数】3 【关键词】二维成像;朗伯体;圆锥;激光散射;二维距离像 【 文 献 来 源 】 引言 目标一维距离成像最早是在雷达微波波段开展研究工作[1]。当雷达的距离分辨 单元远小于目标尺寸时,目标会占据雷达的多个分辨单元,测量的雷达信号能 反映目标在雷达径向上的投影,即距离剖面图(range profile),也称为一维 距离像[1,2]。它能反映出目标沿雷达径向方向的精密几何结构分布。1989 Knight F.K 等 人 [3] 通 过 一 维 距 离 分 辨 雷 达 数 据 重 构 二 维 图 像 。 1999 年 Youmans D.G.等人[4]研究了利用二维距离像进行目标识别。国内关于激光雷 达测距研究,中国科学院上海天文台首次建立了一套白天卫星激光测距系统[5]。 2007 年 Blanquer E.[6]通过二维距离像(2D range image)仿真了坦克的三维 像。Johan C.van den Heuvel 2005 年实现了舰船的激光距离像[7],并在 2009 年分析了海上目标的激光距离成像[8]。 以上对于距离像的研究基本都是实验,关于距离像的理论计算模型见到的公开 报道很少,瑞典军方[9]在 2008 年对平板、球和圆锥的一维距离像进行了理论 和实验的研究。国内关于激光距离成像的研究较少,大部分集中在激光雷达测 距研究。西安电子科技大学对激光单站一维距离成像做了理论分析并进行了原 理性实验研究[2,10-12]。王明军等[13]进行平板脉冲回波的实验。王彪、吴 振森和宫彦军[14]研究目标表面材料特征对激光三维像影响的理论研究。 1 圆锥的二维距离像成像算法 1.1 坐标变换 激光二维散射强度像是平面波激光成的二维像,对于脉冲激光产生的二维强度 像是随着脉冲波的传播而发生变化,是随时间变化的,时间对应着脉冲传播的 距离,所以脉冲激光的二维散射强度像,称其为激光二维距离像,计算目标的 激光二维距离像,需要计算在成像面上各个接收单元的散射强度,需要计算目 标上的微元在成像面的成像单元接收的强度,设入射激光在目标坐标系下入射 方向的入射天顶角为 θ,入射方位角 φ,是指入射方向反方向在目标坐标下的 方位角和天顶角(见图 1 所示)。建立成像坐标系,需要把目标坐标系变换到成 像坐标系。二维散射强度像的示意图见图 1 所示。目标坐标系坐标 xyz,入射 方向反方向为成像坐标系 Z 轴,成像坐标系坐标为 XYZ,选择 X 轴、Y 轴,坐 标原点相同,满足如下的坐标变换。manbetx体育版 1.2 脉冲激光雷达方程 对于一个雷达接收系统,在忽略各种损耗的情况下,雷达方程给出的接收功率 表达式如下[15]: Pt 为发射机功率,K 是一个与发射天线的增益、接收天线的增益、发射天线和 接收接收天线与目标的距离有关的物理量,σ 为目标的激光雷达散射截面[16]。 当发射机功率 Pt 为脉冲形式的入射功率 S(t),S(t)从光源发出,对于扩展目标, 目标上每一可照射面元(x,y,z)后向散射功率如下[15] fr(β)为目标表面材料的后向双向反射分布函数,与本地入射角 β 和表面材料有 关,当圆锥体为朗伯体时,fr (β)在圆锥上的任何微元处都相同,是常数, fr(β)=ρ/π,ρ 是表面材料的半球反射率,不同的朗伯表面存在差异。Δ A 为面 元的面积。因为圆锥是凸体,所以对于圆锥上的点,满足 cosβ0 就是可照射 点。fr(β)可以测量,也可以理论建模,有的模型直接包含有面材料的介电特性、 粗糙程度信息[15]。 1.3 朗伯圆锥二维距离像计算模型 1.3.1 光强公式 对于朗伯表面,则式(3)变为如下的形式: 式中 β 为微元 Δ A 的向外的法向量和激光入射方向反方向的夹角,γ 为微元 Δ A 的和它在 XY 平面上投影的夹角,即单位法向量的 z 分量,cosγ=z =-sinα, 如成图 1 所示。 1.3.2 成像映射公式 光强公式计算出的是圆锥体表面的总光强。通过引入矩形函数可以计算出成像 面上对应的成像单元的像的强度值。 矩形函数的具体表达如下: 在成像面上(X i iY)的强度如下: Xi, Yi 表示成像面上面元坐标,X,Y 表示通过坐标变换变换到成像坐标系上面 元的坐标。 2 仿真结果与讨论 我们根据公式(6)-(8)利用 C++语言编写代码,给出朗伯圆锥的二维距离像的仿 真结果。下面给出入射脉冲宽度、天顶角、圆锥的高度、圆锥的半锥角等对成 像的影响。 2.1 脉冲宽度和激光入射方向的影响 图 2-图 4 给出朗伯圆锥的高度 h=0.5m,半锥角 α=10o,激光入射方位角 θ=180o,manbetx体育版脉冲宽度 T0 分别为 1ns、0.5ns、0.1ns 和 0.01ns 的二维距离像。 这里 ns 为时间单位是纳秒,为 10-9 秒。 图 2-图 4 给出的是从圆锥的尖端沿着轴的方向入射,图像是圆周对称,可以看 出,随着脉冲宽度的增加,所成的二维距离像,变得越来越窄,这是因为随着 脉冲宽度的减小,脉冲占据目标的单元越少,目标的成像范围变窄,因此图像 越来越窄,距离分辨增加。 图 5-图 8 给出朗伯圆锥的高度 h=0.5m

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