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激光相干探測應用理論方法 版權信息
- ISBN：9787030739759
- 條形碼：9787030739759 ; 978-7-03-073975-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
激光相干探測應用理論方法 本書特色
本書語言簡練、敘述翔實，更配有大量插圖和實例，是一本非常優秀的專業書。
激光相干探測應用理論方法 內容簡介
本書圍繞目標高性能探測領域激光相干探測的新興應用問題，介紹了相關理論與方法。全書共5章，包括激光相干探測基礎、大氣擾動的激光相干探測、距離速度的啁啾調幅激光相干探測、微多普勒效應的激光相干探測以及面向合成孔徑的激光相干探測。本書可供從事激光探測、光電信息獲取、目標探測與識別、激光技術等領域的科學研究和工程技術人員參考，也可以作為光學工程、電子信息工程等專業教師、研究生和高年級本科生的參考用書。
激光相干探測應用理論方法 目錄
目錄
序
前言
第1章 激光相干探測理論基礎 1
1.1 激光探測概述 1
1.2 激光相干探測原理 2
1.2.1 光電探測器平方律特性 2
1.2.2 激光相干探測信號表征 3
1.3 激光相干探測的信噪比 4
1.3.1 光電探測器的噪聲 4
1.3.2 相干探測的信噪比 6
1.4 激光相干探測相干效率 8
1.4.1 信號光場與本振光場 8
1.4.2 相干效率分析 9
1.5 激光相干探測基本特性 10
1.6 激光相干探測典型應用概述 11
1.6.1 大氣擾動激光探測 12
1.6.2 激光測距測速 14
1.6.3 微多普勒效應激光探測 16
1.6.4 合成孔徑激光高分辨率成像 20
參考文獻 22
第2章 大氣擾動的激光相干探測 25
2.1 基本原理 25
2.1.1 激光探測大氣雷達方程 25
2.1.2 大氣 CO2激光相干探測基本原理 27
2.1.3 風場擾動激光相干探測基本原理 33
2.2 大氣擾動激光相干探測實驗系統 36
2.2.1 探測系統總體結構 37
2.2.2 探測系統參數設計 40
2.2.3 探測回波脈沖數據處理 50
2.3激光相干探測大氣擾動實驗 54
2.3.1 大氣 CO2探測實驗 54
2.3.2 大氣風場探測實驗 60參考文獻 65
第3章 距離速度的啁啾調幅激光相干探測 67
3.1 基本原理 67
3.1.1 啁啾調幅測距原理 68
3.1.2 啁啾調幅測速原理 69
3.2 啁啾信號特性及去啁啾處理 70
3.2.1 啁啾信號及其模糊函數 70
3.2.2 匹配濾波脈沖壓縮處理 72
3.2.3 啁啾信號頻域脈沖壓縮 73
3.2.4 距離與速度耦合現象 75
3.3 平衡相干探測 76
3.4 距離速度的啁啾調幅激光相干探測實驗 77
3.4.1 距離的啁啾調幅激光外差相干探測實驗 77
3.4.2 距離速度的啁啾調幅激光零差相干探測實驗 83
參考文獻 88
第4章 微多普勒效應的激光相干探測 90
4.1 激光探測微多普勒效應基本原理 90
4.1.1 多普勒與微多普勒效應 90
4.1.2 目標振動探測回波光電流信號建模 91
4.1.3 目標多散射點回波光電流信號建模 95
4.1.4 激光微多普勒信號特性影響因素分析 98
4.2 激光相干探測目標微多普勒采集實驗系統 104
4.3 基于時頻分析的目標微動特征提取 105
4.3.1 目標微多普勒信號的時頻分析方法 106
4.3.2 基于曲線跟蹤的多分量信號時頻特征分解 109
4.3.3 基于經驗模態分解的微動時頻特征分離提取 112
4.4 基于信號模型的微動參數估計 115
4.4.1 基于靜態參數粒子濾波模型的微動參數估計 115
4.4.2 基于*大似然的微動參數估計 119
參考文獻 133
第5章 面向合成孔徑的激光相干探測 135
5.1 合成孔徑激光雷達基本原理 135
5.1.1 激光雷達的合成孔徑直觀概念 135
5.1.2 激光合成孔徑雷達回波信號模型 137
5.1.3 啁啾信號相干混頻基本原理 139
5.2 合成孔徑激光雷達成像算法 141
5.2.1 距離-多普勒成像算法 141
5.2.2 相位梯度自聚焦成像算法 148
5.3 面向合成孔徑的激光相干探測實驗 151
5.3.1 實驗系統結構 152
5.3.2 數據處理流程 156
5.3.3 實驗結果分析 157
參考文獻 171
彩圖
序
前言
第1章 激光相干探測理論基礎 1
1.1 激光探測概述 1
1.2 激光相干探測原理 2
1.2.1 光電探測器平方律特性 2
1.2.2 激光相干探測信號表征 3
1.3 激光相干探測的信噪比 4
1.3.1 光電探測器的噪聲 4
1.3.2 相干探測的信噪比 6
1.4 激光相干探測相干效率 8
1.4.1 信號光場與本振光場 8
1.4.2 相干效率分析 9
1.5 激光相干探測基本特性 10
1.6 激光相干探測典型應用概述 11
1.6.1 大氣擾動激光探測 12
1.6.2 激光測距測速 14
1.6.3 微多普勒效應激光探測 16
1.6.4 合成孔徑激光高分辨率成像 20
參考文獻 22
第2章 大氣擾動的激光相干探測 25
2.1 基本原理 25
2.1.1 激光探測大氣雷達方程 25
2.1.2 大氣 CO2激光相干探測基本原理 27
2.1.3 風場擾動激光相干探測基本原理 33
2.2 大氣擾動激光相干探測實驗系統 36
2.2.1 探測系統總體結構 37
2.2.2 探測系統參數設計 40
2.2.3 探測回波脈沖數據處理 50
2.3激光相干探測大氣擾動實驗 54
2.3.1 大氣 CO2探測實驗 54
2.3.2 大氣風場探測實驗 60參考文獻 65
第3章 距離速度的啁啾調幅激光相干探測 67
3.1 基本原理 67
3.1.1 啁啾調幅測距原理 68
3.1.2 啁啾調幅測速原理 69
3.2 啁啾信號特性及去啁啾處理 70
3.2.1 啁啾信號及其模糊函數 70
3.2.2 匹配濾波脈沖壓縮處理 72
3.2.3 啁啾信號頻域脈沖壓縮 73
3.2.4 距離與速度耦合現象 75
3.3 平衡相干探測 76
3.4 距離速度的啁啾調幅激光相干探測實驗 77
3.4.1 距離的啁啾調幅激光外差相干探測實驗 77
3.4.2 距離速度的啁啾調幅激光零差相干探測實驗 83
參考文獻 88
第4章 微多普勒效應的激光相干探測 90
4.1 激光探測微多普勒效應基本原理 90
4.1.1 多普勒與微多普勒效應 90
4.1.2 目標振動探測回波光電流信號建模 91
4.1.3 目標多散射點回波光電流信號建模 95
4.1.4 激光微多普勒信號特性影響因素分析 98
4.2 激光相干探測目標微多普勒采集實驗系統 104
4.3 基于時頻分析的目標微動特征提取 105
4.3.1 目標微多普勒信號的時頻分析方法 106
4.3.2 基于曲線跟蹤的多分量信號時頻特征分解 109
4.3.3 基于經驗模態分解的微動時頻特征分離提取 112
4.4 基于信號模型的微動參數估計 115
4.4.1 基于靜態參數粒子濾波模型的微動參數估計 115
4.4.2 基于*大似然的微動參數估計 119
參考文獻 133
第5章 面向合成孔徑的激光相干探測 135
5.1 合成孔徑激光雷達基本原理 135
5.1.1 激光雷達的合成孔徑直觀概念 135
5.1.2 激光合成孔徑雷達回波信號模型 137
5.1.3 啁啾信號相干混頻基本原理 139
5.2 合成孔徑激光雷達成像算法 141
5.2.1 距離-多普勒成像算法 141
5.2.2 相位梯度自聚焦成像算法 148
5.3 面向合成孔徑的激光相干探測實驗 151
5.3.1 實驗系統結構 152
5.3.2 數據處理流程 156
5.3.3 實驗結果分析 157
參考文獻 171
彩圖
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激光相干探測應用理論方法 節選
第1章 激光相干探測理論基礎 激光被譽為“神奇之光”。從1916年愛因斯坦提出“受激輻射”理論，到1960年人類獲得**束激光，激光至今已有了上百年歷史。激光的優點非常明顯：方向性好、發散角非常小，亮度極高、能量密度大，顏色極純、單色性好，相干性好。激光相干探測是激光探測的主要方式之一。相比于直接探測方式，激光相干探測具有轉換增益高、濾波性能良好、可檢測信息特征多、靈敏度高等優點，在目標高精度探測中得到越來越廣泛應用。本章從激光探測基本概念入手，介紹激光相干探測基本原理、主要指標、特點以及典型應用。 1.1 激光探測概述 如同核能、半導體，激光是人類的又一項重大發現。激光英文名為 Laser，是 light amplification by stimulated emission of radiation的首字母縮寫，意思是“通過受激輻射光放大”，這已經完全表達產生激光的主要過程：原子受激輻射的光。 通常將利用激光器作為輻射源進行目標探測的雷達稱為激光雷達，激光雷達是典型的激光探測系統。激光雷達以激光作為載波，用其振幅、波長、相位或偏振來搭載信息，再配合以不同的收發體制，昀終實現目標探測功能 [1]。 光和微波同屬于電磁波，因此激光雷達和微波雷達兩者在探測原理上并無本質差別，不同之處僅在于激光波長遠小于微波，激光的產生、發射、調制、接收方式與微波有較明顯差異。相對微波雷達探測，激光雷達探測的主要優點包括[2]： (1)具有極高的角分辨能力。按照瑞利判據，分辨率與波長成正比，與接收孔徑成反比。激光雷達波長主要在近紅外、可見光及紫外等波段，遠小于微波，即使采用小的接收孔徑也能獲得極高的分辨率。 (2)具有極高的距離分辨能力。如脈沖測距法，由于激光脈沖寬度可做到皮秒量級，對應距離分辨率為毫米級。同時激光波束窄、足印小，也有助于提高距離分辨率。 (3)多普勒測速分辨率高。當目標在雷達視線方向進行相對運動時，所接收到回波產生的多普勒頻移的大小與波長成反比。由于激光雷達波長遠小于微波，因而其多普勒頻移范圍更大，可實現極高的速度分辨率。 激光探測目標類型不同，主要分為兩類：一種是“軟”目標探測，依靠大氣的后向散射，探測激光傳輸路徑中大氣物質的性質，如大氣成分測量、風場測量、湍流測量等；另一種是“硬”目標探測，依靠目標表面對激光的反射，探測目標本體屬性等，例如運動目標偵察。 激光探測按照探測方式不同，又分為直接探測和相干探測兩種。直接探測將激光信號直接轉換成電信號，光電探測器輸出的電信號幅度正比于接收的光功率，不要求信號具有相干性，因此這種探測方法又稱為非相干探測。相干探測利用回波信號和本振信號兩個激光信號在光頻段進行混頻實現中頻外差信號輸出。與直接探測相比，相干探測不僅能獲取光信號的強度，還能獲取頻率、相位等信息。 當前激光探測以它的高測量精度、精細的時間和空間分辨率以及較遠的探測距離，成為一種重要的目標主動遙感探測方式，在民用、軍事領域具有廣闊的應用前景。在民用領域，激光探測主要用于氣象、海洋、環境、測繪、深空探測等方面[3]。在軍事領域，激光探測主要用于激光偵察，包括目標測距、測速、成像識別、跟蹤瞄準、精確制導等方面 [4]。激光相干探測作為激光探測技術發展的重要方向，在各種目標探測領域正發揮著越來越重要的作用。 1.2 激光相干探測原理 激光相干探測相比于直接探測方式，不但可以獲得探測對象的光回波強度信息，還能獲得光回波的相位和頻率信息。本節將主要從光電探測器平方律特性和探測信號表征兩個方面介紹激光相干探測原理。 1.2.1 光電探測器平方律特性 激光相干探測是利用光電探測器的平方律特性，實現光信號的相干混頻。光電探測器將接收到的回波信號轉換為電信號，探測器輸出的光電流*與回波功率 P()t成正比，即 *，其中 t為時間，*為光電探測器的轉換系數(響應率)。假設一個線偏振光波的電場為 et() . Ecos(2πft ) ，其中 E為信號光光場振幅， f為信號光頻率， .為初始相位。由于光的振動周期遠遠小于探測器的響應時間，探測器無法響應光頻分量，只能響應光信號的平均能量或平均功率。平均光功率 P可以表示為 (1-1) 式中，*為*表示*的平均值，那么光電探測器輸出光電流*為 (1-2) 若探測器的負載電阻為 RL，則光電探測器輸出的電功率為 (1-3) 式(1-2)說明，光電探測器輸出的光電流正比于光場振幅的平方；式( 1-3)說明，光電探測器輸出的電功率正比于入射光功率的平方。這就是光電探測器的平方律特性。 1.2.2 激光相干探測信號表征 激光相干探測將待測的信號光和本振光同時入射到光電探測器的光敏面上，形成光的干涉圖樣，光電探測器響應兩束光的干涉光場，從而輸出光混頻所轉換的光電流。光電流信號不僅與入射光的強度有關，還與其頻率和相位相關。圖 1.1為激光相干探測的原理示意圖。 圖1.1 激光相干探測的原理示意圖 設信號光電場為*，本振光電場為*，均為線偏振光且偏振方向相同，如下所示： (1-4) (1-5) 式中，*和*分別為信號光和本振光的振幅； fS 和 f為信號光和本振光的頻率；*和*為信號光和本振光的初始相位。在滿足相干條件下，兩束光同方向入射到光電探測器上且完全匹配，光電探測器光敏面上的電場*為信號光和本振光*的疊加，即 (1-6) 由式(1-2)、式(1D-6)得到S在探測S器上引S起的L光電流*為 (1-7) 由于光電探測器的帶寬限制，上式可以簡化為 (1-8) 式中*分別為由式( 1-1)得到的信號光和本振光的功率，即*、*。從式( 1-8)可知，光電探測器的光電流由兩部分組成，**項為直流PEL/2 功率項，第二項為差頻項。信號光和本振光的頻率差稱為中頻頻率* ，即*。當*時，為外差探測；當*時，為零差探測。*時，探測器輸出的中頻電流為 (1-9) 上述激光外差中頻電流表達式是理想情況下的結果，在本振與回波信號光場完全匹配的情況下成立，要求光斑大小相同且重合、光束波前匹配、照射到探測器上的入射角相同、光束偏振態相同。但在實際過程中，要做到完全的空間相位匹配是不可能的，實際的中頻電流可以表示為 (1-10) 式中，*表示相干探測效率，*，*反映由于光束不匹配(除偏振匹配)造成的相干效率下降，*則為兩光束偏振方向不平行造成的相干效率下降，*為本振與回波偏振方向的夾角。 由式(1-10)可以看出，頻率 fS . fL 和相位*都隨信號光的頻率和相位成比例地變化，探測器輸出的中頻信號電壓 vt為 (1-11) 式中，*表示負載電阻。中頻輸出有效信號功率 PIF是瞬時中頻功率在中頻周期內的平均值，表示為 (1-12) 1.3 激光相干探測的信噪比 1.3.1 光電探測器的噪聲 光信號入射到光電探測器上時的隨機起伏以及光電子產生和收集過程中的統計特性，使得光電流中不僅包含信號成分，還包含噪聲成分。其噪聲主要包括散粒噪聲、熱噪聲以及 1/f噪聲，此外還包括暗電流噪聲、背景噪聲以及倍增噪聲等[5]，光電系統中的噪聲源如圖1.2所示。 圖1.2 光電系統中的噪聲源 h：普朗克常量；v：激光頻率 (1)散粒噪聲。光電探測器的光電轉換過程為一個光電子計數的隨機過程，光電流為這一過程的統計結果，電流隨機起伏，隨機起伏的單元為電子電荷。散粒噪聲為這一隨機起伏的結果，散粒噪聲功率譜為*，式中*為探測器平均電流，M為探測器內增益， e為電子電量。散粒噪聲功率譜不隨頻率變化，為一白噪聲。對于帶寬為 B、連接偏置電阻為 RL的光電探測器，散粒噪聲電流 iN與電壓 vN表示為 (1-13) (2)熱噪聲。探測器等效電阻 R中自由電子的隨機熱碰撞將在電阻兩端產生隨機起伏的電壓，即電阻熱噪聲，其功率譜為 () .2kT / R 熱噪聲也是白噪聲。其中 k為玻爾茲曼常量，k=1.380649×10–23 J/K，T為探測器溫度。熱噪聲電流 iN與噪聲電壓 vN表示為 (1-14) (3)1/f噪聲。1/f噪聲主要出現在 1 kHz以下的低頻，而且功率譜與頻率成反比，此種噪聲源于探測器表面工藝的缺陷，在低頻段為主導噪聲。 (4)暗電流噪聲。無光入射時，由探測器內部熱效應隨機產生空穴-電子對而導致的散粒噪聲。影響暗電流大小的因素包括器件材料、偏置電壓以及工作溫度。 (5)倍增噪聲為雪崩光電二極管倍增過程中隨機產生的附加噪聲，隨倍增增益提高而增大。在雪崩光電二極管中暗電流被倍增，影響更大。 (6)漏電流噪聲為器件表面缺陷所致，與探測器表面積大小和偏置電壓有關。 (7)背景噪聲指光信號中的背景光產生的噪聲。 1.3.2 相干探測的信噪比 直接探測方式下，光電探測器輸出的信號功率為*，iS為信號光電流，α為探測器的響應率， RL為負載電阻， PS為E信號S光L功率。S輸出L噪聲功率為*，式中*分別為信號光、背景光、探測器暗電流的散粒噪聲電流以及電阻熱噪聲電流的均方值。在四種信號不相干的情況下，總噪聲電流的均方值就為四種電流均方值的和，四種電流分別可以表示為( B為光電探測器電路帶寬) (1-15) 式中，*，PS為信號光功率；*，PB為背景雜散光功率； iDC為探測器暗電流。 因此探測器信噪比為 (1-16) 當信噪比* 時，即光信號功率 PS為系統的平均噪聲等效功率 NEP(noise equivalent power)，所以有 (1-17)如只存在光信號散粒噪聲，則為直接探測的量子極限，此時有 (1-18) 于是可得 (1-19) 對相干探測而言，光電探測器輸出的噪聲主要包括散粒噪聲、探測器內阻熱噪聲以及本振光的相對強度噪聲( relative intensity noise)。因此探測器輸出噪聲功率 NO的計算公式為 (1-20)
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