1 引言 激光雷達在航空航天、工業和醫學等領域有廣泛的應用。它與微波和毫米波雷達相比，具有以下獨特優勢：（1）工作頻率高、波長短；（2）距離、速度和角位置測量精度高；（3）體積小、重量輕、機動靈活，利于機載和航天器載。 激光雷達系統仿真軟件，是激光雷達技術同計算機數字仿真技術相結合的產物，是未來激光雷達系統設計的新手段，是今后激光雷達研究領域方向之一。激光雷達系統的設計須給定各個元器件的參數（包括激光器、探測器和光學元件）、大氣傳輸特性、目標特性等。激光在大氣中傳輸具有復雜的統計特性，激光大氣傳輸模型是在大量實驗數據分析基礎上建立起來的。本文利用VC軟件，對激光雷達進行了建模和仿真。 2 激光雷達原理 激光雷達的基本原理是：發射機發射一束一定功率的激光束，經過大氣傳輸輻射到目標面上，目標面反射回來的回波由接收裝置接收，再由信號處理提取回波中的有用信息，激光雷達系統性能分析的基本問題是：在一定的發射功率下，受環境因素、系統參數的影響，確定接收端的接收功率、信噪比。 激光器發出高斯型脈沖波形，經擴束后由二維光學掃描系統指向目標，從目標反射回的回波信號由高靈敏度的硅雪崩二極管（Si—APD）探測，APD的輸出由高速數據采集卡送入計算機處理。激光的脈沖能量、重復頻率及激光的發射、光學掃描儀的掃描波形、掃描的啟動與停止、數據采集卡的采集速率等均由計算機控制。 3 激光雷達仿真模型 3.1 激光雷達方程 一般情況下，對激光雷達系統來說，需要考慮的幾個最主要的指標是：作用距離、距離分辨率、成像速率和圖像分辨率等。然后，根據上述指標來確定激光脈沖重復頻率、脈沖能量、脈沖寬度、數據采集速率、掃描波形及掃描頻率等參數。直接探測激光雷達系統一般可分為四個部分：發射系統、接收系統、信號處理系統和圖像顯示系統。激光雷達模擬最簡單的方法就是功能模擬，實現這種方法的基礎是激光雷達距離方程，即： 從公式（1）中可以看到，影響激光雷達系統性能的因素很多，除了發射功率外，還有激光的大氣傳輸特性，如大氣湍流、云霧和空氣中的水、灰塵等的影響；對不同類型的目標（如點目標和延伸目標等），回波信號的幅度和相位等都會發生較大變化。在激光雷達系統模擬中，最重要的工作是建立描述環境的數學模型。激光雷達模擬中最主要的物理現象是激光雷達信號的散射，它包括目標和雜波兩個方面，在某些情況下，還包括多散射效應、衰減、折射和色散等。一般情況下，要根據激光雷達系統的功能來建立模型。對成像激光雷達來說，可能需要測量目標的距離、速度和位置等信息。通過所成的目標的強度像和距離像等信息，對目標再進行鑒別、分類和識別等。根據上面的基本原理，所建立的激光雷達系統模型軟件分為六大模塊：系統發射模塊、系統接收模塊、目標反射模塊、傳輸介質模塊。本模型采用VC語言建立。 3.2大氣傳輸仿真模型 大氣傳輸環境對激光雷達系統性能影響很大，雨、霧、雪等天氣會使得激光雷達性能變差。在設計激光雷達仿真軟件時，我們應考慮天氣因素及大氣環境對激光雷達性能的影響。實際中我們采用了已有的大氣軟件LOWTRAN來計算激光束在大氣傳輸中的損耗。 LOWTRAN是由美國空軍地球物理實驗室（AFGL）開發和研制的寬帶、窄帶和逐線計算的大氣輻射傳輸模型及其相應的應用軟件。模型中的大氣傳輸采用美國標準的LOWTRAN模型數據庫，根據目標類型和大氣環境參數，調用LOWTRAN數據庫得到大氣衰減系數。 3.3目標截面仿真模型 目標激光截面（Laser Cross Section ，LCS） 定義為： 3.4 激光雷達信噪比分析 激光雷達經探測器后的輸出信噪比定義為：信號的峰值功率比噪聲功率的均方根值。直接探測激光雷達系統的噪聲等效功率可由（5）式計算得到，其輸出信噪比為： [b]4、功能介紹 [/b] 我們用Visual C++6．0可視化開發工具編制了激光雷達系統仿真軟件。激光雷達系統仿真包括五個大的模塊：系統發射模塊、大氣傳輸模塊、目標反射模塊、系統接收模塊、探測器模塊。模塊化軟件架構易于實現功能的擴展。用戶可以利用交互式圖形用戶界面（Graphical User Interfaces，GUI），在仿真軟件中選擇環境變量和配置各種模塊參數，來模擬各種環境、系統條件對激光雷達性能的影響，它能方便直觀地估計和仿真出激光雷達的關鍵特征數據（如回波功率、接收信噪比等）。激光雷達通用仿真軟件框架分為三大部分， 即計算回波功率、計算信噪比、信號處理仿真。實現各部分的功能有計算、圖形顯示和保存仿真結果。各個部分分別由多個對話框窗口實現。用戶可以通過對話框來選擇、設置激光雷達的系統參數、傳輸介質及環境變量等， 以實現對各種條件下激光雷達系統的仿真。 5、仿真結果 通過在仿真軟件的可視化界面中選擇和配置各種模塊參數， 能夠模擬和估計激光雷達在各種天氣環境和系統條件下的關鍵特征數據及性能表現。圖2、圖3為直接探測激光雷達回波功率信噪比的仿真界面圖。 各個模塊設定的參數如下: 5.1 系統發射模塊 發射功率：10000000W； 波長：1.06 ； 發射孔徑：0.2m； 孔徑透光常數0.84； 發射效率：0.950； 5.2 系統接收模塊： 接收孔徑：0.5m； 接收效率：0.900； 5.3 目標反射模塊： 目標類型：擴展目標； 半球反射率：0.100； 5.4 傳輸介質模塊： 單程距離100000m； 天氣：晴朗（能見度23.5），經過LOWTRAN計算大氣傳輸效率為：0.5139 5.5 探測器參數： 噪聲帶寬：50MHz； 探測器暗電流：50nA； 探測器負載電阻：1M ； 絕對溫度：293K； 放大器等效輸入電阻：16M ； 探測器響應率：1.1A/W； 計算結果： 束散角：0.004452（m rad）； 接收面積：0.19634m2； 光斑面積：0.155664； 散射截面：0.062； 大氣衰減：5.7824dB； 傳輸總衰減：128.50397dB； 暗電流噪聲：8.0 10-19； 熱噪聲：5.1 10-20； 放大器噪聲：1.87 10-23； 散彈噪聲：1.2 10-15； 背景噪聲：8.51 10-22 結束語 激光雷達系統的研究和設計是一項復雜的工作。計算機仿真技術的發展對于激光雷達系統的研究與設計非常重要，已成為激光雷達系統設計和研究的重要環節。本文研究了激光雷達仿真模型， 對大氣傳輸模型、噪聲模型、發射與接收模型進行了仿真， 以此模擬各種環境和系統條件對激光雷達性能的影響。系統的仿真能夠直接針對系統提出具體的問題，這些問題的解決能夠使激光雷達系統的研究在各個分系統方面都能有一個全面深入的考慮，并把系統研制過程中可能遇到的困難先提出來，從而對實際系統的研制起到理論和技術上的指導作用仿真結果說明。仿真軟件能夠模擬和估計激光雷達的關鍵特征數據， 但仿真結果還需要對比實際測試結果來加以驗證。進一步的研究工作還應包括根據實際實驗數據進一步完善和修改激光雷達仿真模型。 編輯:何世平