СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ОТРАЖЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА В АЭРОЗОЛЬНО-КАПЕЛЬНОЙ СРЕДЕ
|
РЕФЕРАТ 3
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Физические основы импульсной лазерной локации 8
1.1. Аналитические выражения для распространения и отражения оптического
излучения 8
1.2. Формула лазерной локации 12
1.3. Расчёт мощности, отражённой зеркальной поверхностью 13
1.4. Оптические помехи 15
2. Статистическое моделирование распространения излучения в среде с отражающей поверхностью 19
2.1. Построение алгоритмов для моделирования распространения излучения в среде с
отражающей поверхностью 19
2.2. Принципы моделирования по ценности 20
2.3. Модель и структура алгоритма 22
2.4. Программа расчета ЛЛС 25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 34
ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ 36
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Физические основы импульсной лазерной локации 8
1.1. Аналитические выражения для распространения и отражения оптического
излучения 8
1.2. Формула лазерной локации 12
1.3. Расчёт мощности, отражённой зеркальной поверхностью 13
1.4. Оптические помехи 15
2. Статистическое моделирование распространения излучения в среде с отражающей поверхностью 19
2.1. Построение алгоритмов для моделирования распространения излучения в среде с
отражающей поверхностью 19
2.2. Принципы моделирования по ценности 20
2.3. Модель и структура алгоритма 22
2.4. Программа расчета ЛЛС 25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 33
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 34
ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ 36
К началу 80-х годов XX в. лазерная локация сформировалась в самостоятельное научно-техническое направление [1]. Значительные достижения квантовой электроники позволили не только создать уникальные по своим характеристикам лазерные локационные системы (в английской транскрипции: LiDAR - Laser Detection And Ranging), но и эффективно их использовать в различных областях техники. Достоинством активных оптико-локационных систем является возможность придавать информационную окраску локационному сигналу, что значительно облегчает решение задач обнаружения и идентификации удаленных объектов в атмосфере, в космосе и на земной поверхности в условиях помех аппаратурной и радиационной природы. Область применения лазерных локаторов весьма широка - от дистанционного контроля состояния атмосферы до высокоточных измерений координат и динамических характеристик малоразмерных объектов и лазерного локатора для беспилотного автомобиля [2]. Последние два направления наиболее актуальны в данный момент и на их реализацию брошены значительные усилия со стороны ученых и инженеров.
Таким образом, в настоящее время, лазерный локатор - это широкий круг приборов для получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах [3]. Одним препятствий для работы лазерного локатора является атмосфера, которая создает обратно рассеянное излучение, которое накладывается на изображение наблюдаемого объекта. Контраст изображения значительно снижается, что приводит или к частичной, или полной потере видимости в зависимости от степени прозрачности среды (туман, дождь, снегопад и т.п.). В таких ситуациях для получения 3D изображения на матричных приемниках можно использовать метод стробирования камеры по дальности и регулирования времени экспозиции в зависимости от длительности импульса зондирующего лазера. По аналогии с радиолокационными системами иногда применяют термин «ладар», в основном для 3D локационных систем лазерной дальнометрии. Особенность подобных систем лазерного видения со стробированием камеры по дальности - необходимость использовать лазерные короткие импульсы, поскольку длительность импульса определяет глубину просматриваемого пространства (ладар). Альтернативным подходом к получению изображения цели является использование сканирующего лазерного луча и одноэлементного приемника. При подобной оптической системе лазерного локатора построение 3D картины осуществляется последовательным сканированием пространства лазерным лучом. Каждый импульс лазера соответствует одному направлению, определяемому углами азимута и места. В данном случае изображение - «сшивка» полученных массивов с каждого углового направления. Приборы, которые принято называть лазерными сканерами или «лидарами», можно рассматривать как механическое совмещение двух компонентов - дальномерного (сканирующего) блока и навигационного комплекса типа «GPS/Глонасс + инерциальная система».
Дальномеры, служащие для измерения расстояния до объектов, классифицируются по принципу работы. Дальность, в основном, измеряют с помощью времяпролетного метода, когда дальномером рассчитывается время отправки и получения отраженного луча, и фазовым методом, когда вычисляется разность фаз посланного лазерного излучения и фазы обратно отраженного сигнала. Реализация импульсного метода измерения дальности предполагает определение времени распространения короткого лазерного импульса t от источника излучения до объекта и обратно до приемника. С учетом постоянства скорости распространения света в атмосфере с = 3*108 м/с,
измеренная продолжительность распространения лазерного импульса (время, измеряемое с момента включения лазера до момента приёма отражённого сигнала) At = 1пр - 1л позволяет определить дальность L по формуле L = At /2с. Для развертки по строкам кадра изображения в 3D лидарах применяют различные типы сканирующих систем. Системы лазерного сканирования применяются не только для геодезической съемки при построении цифровых карт местности, но и обеспечения безопасности полета в условиях плохой видимости, так как камеры видимого или ИК-диапазона, а также тепловизионные камеры не позволяют с высокой достоверностью и на больших дистанциях получить картину расположения опасных объектов и их параметров.
В настоящее время существует несколько систем лазерных сканеров, используемых для обнаружения опасных препятствий типа проводов при полете вертолетов. Чтобы на километровых дистанциях заметить тонкие (несколько миллиметров) провода такие сканеры должны иметь очень высокое пространственное разрешение, что вступает в противоречие с ограничением по частоте зондирующих импульсов. В таком случае можно применить несколько одновременно работающих лазеров с отличающимися друг от друга длинами волн. Использование известных в волоконно-оптической технике мультиплексоров и демультиплексоров позволяет улучшить разрешающую способность лазерных сканеров. Для измерения дальности до объекта в лазерных сканерах используется в основном пороговый метод, который заключается в определении сигнала выше детерминированного уровня и вычислении дистанции до этого сигнала. Пороговый метод позволяет определить до четырех значений дальности, что при решении некоторых прикладных задач недостаточно. В случае оцифровки всего сигнала с высокой частотой (~ 1 ГГц и выше) появляется возможность разрешить детали исследуемого объекта с точностью до нескольких сантиметров. Метод полной оцифровки данных позволяет получать детальную информацию об объектах, находящихся за кронами деревьев, кустарниками или другими помехами. 3D лидар также хорошо подходит для идентификации, навигации автономных транспортных средств и топографии [4]. Такие системы могут использоваться для обнаружения целей, спрятанных под камуфляжной сеткой и листвой. Так, с помощью лазерного сканера можно обнаружить скрытый за камуфляжной сеткой объект, в том числе и человека.
Таким образом, в настоящее время, лазерный локатор - это широкий круг приборов для получения и обработки информации об удалённых объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах [3]. Одним препятствий для работы лазерного локатора является атмосфера, которая создает обратно рассеянное излучение, которое накладывается на изображение наблюдаемого объекта. Контраст изображения значительно снижается, что приводит или к частичной, или полной потере видимости в зависимости от степени прозрачности среды (туман, дождь, снегопад и т.п.). В таких ситуациях для получения 3D изображения на матричных приемниках можно использовать метод стробирования камеры по дальности и регулирования времени экспозиции в зависимости от длительности импульса зондирующего лазера. По аналогии с радиолокационными системами иногда применяют термин «ладар», в основном для 3D локационных систем лазерной дальнометрии. Особенность подобных систем лазерного видения со стробированием камеры по дальности - необходимость использовать лазерные короткие импульсы, поскольку длительность импульса определяет глубину просматриваемого пространства (ладар). Альтернативным подходом к получению изображения цели является использование сканирующего лазерного луча и одноэлементного приемника. При подобной оптической системе лазерного локатора построение 3D картины осуществляется последовательным сканированием пространства лазерным лучом. Каждый импульс лазера соответствует одному направлению, определяемому углами азимута и места. В данном случае изображение - «сшивка» полученных массивов с каждого углового направления. Приборы, которые принято называть лазерными сканерами или «лидарами», можно рассматривать как механическое совмещение двух компонентов - дальномерного (сканирующего) блока и навигационного комплекса типа «GPS/Глонасс + инерциальная система».
Дальномеры, служащие для измерения расстояния до объектов, классифицируются по принципу работы. Дальность, в основном, измеряют с помощью времяпролетного метода, когда дальномером рассчитывается время отправки и получения отраженного луча, и фазовым методом, когда вычисляется разность фаз посланного лазерного излучения и фазы обратно отраженного сигнала. Реализация импульсного метода измерения дальности предполагает определение времени распространения короткого лазерного импульса t от источника излучения до объекта и обратно до приемника. С учетом постоянства скорости распространения света в атмосфере с = 3*108 м/с,
измеренная продолжительность распространения лазерного импульса (время, измеряемое с момента включения лазера до момента приёма отражённого сигнала) At = 1пр - 1л позволяет определить дальность L по формуле L = At /2с. Для развертки по строкам кадра изображения в 3D лидарах применяют различные типы сканирующих систем. Системы лазерного сканирования применяются не только для геодезической съемки при построении цифровых карт местности, но и обеспечения безопасности полета в условиях плохой видимости, так как камеры видимого или ИК-диапазона, а также тепловизионные камеры не позволяют с высокой достоверностью и на больших дистанциях получить картину расположения опасных объектов и их параметров.
В настоящее время существует несколько систем лазерных сканеров, используемых для обнаружения опасных препятствий типа проводов при полете вертолетов. Чтобы на километровых дистанциях заметить тонкие (несколько миллиметров) провода такие сканеры должны иметь очень высокое пространственное разрешение, что вступает в противоречие с ограничением по частоте зондирующих импульсов. В таком случае можно применить несколько одновременно работающих лазеров с отличающимися друг от друга длинами волн. Использование известных в волоконно-оптической технике мультиплексоров и демультиплексоров позволяет улучшить разрешающую способность лазерных сканеров. Для измерения дальности до объекта в лазерных сканерах используется в основном пороговый метод, который заключается в определении сигнала выше детерминированного уровня и вычислении дистанции до этого сигнала. Пороговый метод позволяет определить до четырех значений дальности, что при решении некоторых прикладных задач недостаточно. В случае оцифровки всего сигнала с высокой частотой (~ 1 ГГц и выше) появляется возможность разрешить детали исследуемого объекта с точностью до нескольких сантиметров. Метод полной оцифровки данных позволяет получать детальную информацию об объектах, находящихся за кронами деревьев, кустарниками или другими помехами. 3D лидар также хорошо подходит для идентификации, навигации автономных транспортных средств и топографии [4]. Такие системы могут использоваться для обнаружения целей, спрятанных под камуфляжной сеткой и листвой. Так, с помощью лазерного сканера можно обнаружить скрытый за камуфляжной сеткой объект, в том числе и человека.
Разработан алгоритм ММК для моделирования распространения лазерного излучения в среде с отражающей поверхностью.
Написана программа с использованием разработанного алгоритма ММК на языке программирования FORTRAN работы лазерного локатора со сложной геометрией приемопередающей системы с учетом закономерностей прохождения, поглощения и рассеяния оптического излучения на пути источник-среда-объект-среда-приемник
Исследовано влияние метеорологической дальности видимости, типа аэрозольнокапельной среды, геометрии приемо-передающей системы и альбедо отражающей поверхности на лазерный локационный сигнал.
Показано, что параметры импульса на приемнике лазерной локационной системы после отражения от диффузной поверхности и рассеяния в аэрозольно-капельной среде существенно зависят от параметров рассеивающей среды, геометрии приемопередающей системы, отражательной способности поверхности, длины волны источника лазерного излучения. На дине волны 1.06 мкм сигнал обратного рассеянья от среды при прочих равных условиях ниже, чем для длины волны 0.86 мкм. Отраженный от диффузной поверхности сигнал существенно зависит от МДВ и в условиях низкой видимости лазерный локатор будет ограничен по дальности обнаружения и распознавания.
Написана программа с использованием разработанного алгоритма ММК на языке программирования FORTRAN работы лазерного локатора со сложной геометрией приемопередающей системы с учетом закономерностей прохождения, поглощения и рассеяния оптического излучения на пути источник-среда-объект-среда-приемник
Исследовано влияние метеорологической дальности видимости, типа аэрозольнокапельной среды, геометрии приемо-передающей системы и альбедо отражающей поверхности на лазерный локационный сигнал.
Показано, что параметры импульса на приемнике лазерной локационной системы после отражения от диффузной поверхности и рассеяния в аэрозольно-капельной среде существенно зависят от параметров рассеивающей среды, геометрии приемопередающей системы, отражательной способности поверхности, длины волны источника лазерного излучения. На дине волны 1.06 мкм сигнал обратного рассеянья от среды при прочих равных условиях ниже, чем для длины волны 0.86 мкм. Отраженный от диффузной поверхности сигнал существенно зависит от МДВ и в условиях низкой видимости лазерный локатор будет ограничен по дальности обнаружения и распознавания.
