高精度激光定位系统的性能提高研究

论文摘要

高精度激光定位技术是一种以激光作为载波、以光学望远镜作为天线、以光电探测器作为接收器件且收发系统分离的测角技术,目前普遍应用于制造生产、精密机械、航空航天、医疗器材等领域。随着激光器技术、微电子技术、半导体技术以及计算机技术的快速发展与结合,高精度激光定位技术开始向小型化、大视场方向发展。当前的小型激光定位系统由于体积小,有效接收面积窄,导致接收到的信号回波功率低,影响系统的最大探测距离;由于定位系统采用大视场设计,大气对激光信号的后向散射将更多地进入接收系统对目标信号回波产生干扰,导致定位偏差;大气湍流会造成系统探测出的目标方位角不停地抖动,导致定位误差。针对小型化系统的基本工作原理的理论建模,可以为实际系统的设计提供理论基础;对大气后向散射的研究,可以为工程改进提供理论基础;对大气湍流的研究可以明确其对系统的具体影响,便于算法修正。首先本文针对典型的小型化、大视场激光定位系统,建立了分析模型,推导出了激光定位系统在一般情况下的目标探测理论和系统测角原理,并对影响因素进行了仿真分析。接着综合比较了系统普遍采用的三类光电探测器,选取了四象限探测器用作系统光学接收器件,并根据四象限探测器的运作机理建立了光斑质心位置解算模型。然后本文对大气激光后向散射造成的激光定位系统误差进行了分析。创建激光信号的大气后向散射分析模型,推导了后向散射功率计算表达式。接着结合系统基本工作原理进一步推导了光斑质心偏移量误差计算式,并对其进行了MATLAB仿真分析。在时域对激光脉冲信号进行了研究,分析推导了后向散射对脉冲信号的展宽效应。之后设计实验对理论进行了验证,证明了理论分析方法的正确性。最后本文从理论角度分析了大气湍流造成的系统定位误差。根据分析结果,提出了累积平均值修正方法。接着设计外场实验,将实验结果与理论分析结果及累积平均值法处理结果进行了比较,发现两者符合得很好,证明累积平均值法可有效地降低大气湍流对定位系统性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状及分析
•     1.2.1 激光定位技术的发展现状
•     1.2.2 影响激光定位精度的因素研究现状
•     1.2.3 国内外研究现状分析
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 高精度激光定位系统基本工作原理
•   2.1 引言
•   2.2 高精度激光定位系统的结构组成
•     2.2.1 激光信号发射系统
•     2.2.2 激光信号接收系统
•   2.3 高精度激光定位系统目标探测理论
•     2.3.1 大气对激光信号的衰减效应
•     2.3.2 目标信号回波功率
•     2.3.3 系统测角原理
•     2.3.4 系统探测理论仿真分析
•   2.4 光斑质心位置解算模型
•     2.4.1 光电探测器的选取
•     2.4.2 光斑质心位置解算算法
•     2.4.3 四种光斑解算算法的比较
•   2.5 本章小结
• 第3章 大气后向散射对光斑质心位置检测的影响
•   3.1 引言
•   3.2 激光在大气中的米氏散射理论
•   3.3 大气对激光的后向散射理论分析
•     3.3.1 信号激光的后向散射功率
•     3.3.2 后向散射功率仿真分析
•   3.4 后向散射对光斑质心偏移量的影响研究
•     3.4.1 光斑质心偏移量误差理论推导
•     3.4.2 光斑质心偏移量误差仿真分析
•   3.5 后向散射对脉冲信号的展宽效应
•     3.5.1 脉冲信号理论推导
•     3.5.2 脉冲信号理论仿真分析
•   3.6 后向散射对定位系统影响的实验验证
•     3.6.1 实验步骤
•     3.6.2 实验结果及分析
•   3.7 本章小结
• 第4章 大气湍流对光斑质心位置检测的影响
•   4.1 引言
•   4.2 大气湍流对光斑质心偏移量的影响研究
•     4.2.1 大气湍流对激光传输的影响
•     4.2.2 大气湍流中的光传输理论
•     4.2.3 FFT谱反演法构造相位屏
•     4.2.4 大气湍流对光斑质心偏移量影响仿真
•   4.3 累积平均值法对湍流影响的修正
•     4.3.1 累积平均值法
•     4.3.2 累积平均值法仿真实验
•   4.4 大气湍流影响及修正方法实验验证
•     4.4.1 实验方案设计
•     4.4.2 实验结果及分析
•   4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 向振佼

导师: 赵远

关键词: 激光定位系统,基本原理,后向散射,大气湍流,性能提高

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN24

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.003529

总页数: 72

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