1 引 言

激光雷达目标主动探测是指通过向目标发射连续或脉冲激光束,并由光电接收系统接收目标的回波,通过对回波所携带信息的分析,提取感兴趣的目标特征的探测技术。由于激光雷达探测系统具有分辨率高、探测距离远以及能够对暗、小目标探测等方面的优势,已经被广泛地应用于军、民用的多个领域[1]。

从2016年实施《居住证暂行条例》的功能来看，对于城市移民在教育、住房以及就业方面的特别保护措施，实质上趋向于提升城市移民群体的民生利益。

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目标的光散射特性是由其自身表面材质以及几何外形等特征共同决定的,这会对其激光雷达回波特性产生一定的影响,因此,研究目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响是进行目标特性反演及识别的一种有效手段。Ove Steinvall[2]研究了目标自身几何外形和反射率等散射特性对理想目标的激光雷达散射截面的影响,但没有对其激光雷达回波特性进行分析。Steven Johnson[3]等研究了目标表面倾斜角度对高斯脉冲回波展宽的影响。马鹏阁[4]等研究了空中目标激光雷达回波的脉冲展宽特性,并进行建模及数值仿真。寇添[5]等建立了激光成像雷达探测目标的回波数学模型,分析了目标距离、尺寸以及速度等因素对于脉冲时延和展宽的影响。徐孝彬[6]等研究了脉冲激光周向探测平面目标的展宽特性,推导了脉冲展宽理论公式。以上学者均未从目标散射特性对激光雷达回波特性影响的角度开展研究,且主要是基于数值方法仿真目标三维模型,不利于进一步模拟复杂目标。

本文推导了考虑探测激光时空分布的目标激光雷达回波公式,通过3DS MAX三维建模软件建立了三种特定典型目标的三维模型,主要研究分析了不同目标表面材质在理想漫反射、近似镜面反射以及粗糙表面三种情况下的多角度回波峰值序列特性,并基于此分析了目标散射特性对其激光雷达回波特性的影响。

2 目标激光雷达回波模型

参考文献[9]给出的某一时刻、目标上任意一点(x,y,z)的辐照度分布表达式,结合上式可得到目标激光雷达回波功率表达式:

 

(1)

式中,积分范围C是目标上的受激光照射的所有表面元;α为目标表面面元几何中心与系统探测方向的夹角。

由于一般空间目标等都是由比较简单的几何体组合而成的,建立了圆柱体、圆锥体以及球体三种典型的几何目标的三维模型。图2(a)、(b)、(c)给出了某一角度下三种典型几何体的二维距离像；图3(a)、(b)、(c)给出了目标表面法向向量与观测方向夹角余弦值。

 

(2)

激光和微波的本质都是电磁波,因此从微波雷达作用距离方程可以推导得到激光雷达作用距离方程[7-8],考虑扩展目标情况,当激光光斑将目标全部覆盖时,可以得到目标激光雷达回波解析表达式:

 

(3)

由图4可知,由于圆柱体关于其中心轴对称,在通过几何中心与中心轴垂直的直线也是其对称轴,因此其回波峰值序列分别关于90°、180°、270°对称的。当表面散射特性为理想漫反射体时,相邻角度的回波峰值分布具有明显的连续型和对称性,呈现出明显的极大值和极小值点；当表面散射特性为近似镜面反射时,其回波整体幅度明显小于理想漫反射和粗糙表面情况,但仍在90°和270°呈现出较为明显的对称特性,在大部分角度范围内回波峰值相对较小,这是由于当目标表面元法线矢量与探测方向夹角增大时,其回波幅度会很快下降；当表面散射特性为粗糙表面时,目标在各个角度下的回波峰值大小相近,与理想漫反射和镜面反射情况相比,其回波峰值序列的对称性特点减弱。

不远处，佟老板、皮副乡长正掐着腰，一只手点点划划，很像大人物在指点江山的样子，李顺一脸媚笑地垂手而立。

 

表1 目标激光雷达回波公式中的参数Tab.1 Parameters used in target laser radar echo formula

  

AbbreviationMeaningPR接收功率/WPT发射功率/WGT发射系统增益σ激光雷达散射截面D接收光学系统孔径/mR探测距离/mηAtm大气传输系数ηSys光学系统效率因子ρx,y,z()目标表面BRDFP0激光脉冲峰值功率τ脉宽/nsω(z)高斯光束宽度λ波长/nm

3 三维目标及其散射特性建模

3.1 建模流程

进入任何一个单位工作都不可能不面对压力,适当的压力有助于提高医护人员的工作积极性,积极提升业务水平,改善服务态度。因此在政府、院方都在大力度减缓儿科医护人员压力的同时,儿科医护人员自身也有积极调整工作心态,增强自己的工作适应能力,促进身心平衡。

  

图1 建模流程图Fig.1 Flow diagram of modeling

3.2 目标三维模型

高斯激光脉冲的时域波形可表示为:

  

图2 典型几何体的二维距离像Fig.2 3DModel of simple geometric target

  

图3 典型几何体表面法向向量与观测方向夹角值示意图Fig.3 Value of the angle between target surface normal vector and observation orientation

3.3 目标散射特性模型

目标对照射到其表面光辐射的散射特性与表面材料的种类、粗糙度及目标几何外形等多种参数有关。目前,研究人员建立的较为典型的BRDF模型主要有:Davies BRDF模型[10]、Torrance-Sparrow模型[11]、五参数半经验统计模型[12]、Sun BRDF模型[13]以及四参量单站模型等[2],其中,四参量单站探测BRDF模型是瑞典国防研究院(FOI)根据大量实验数据拟合的经验模型,是激光雷达主动探测模型中常用的收发同路BRDF模型:

 

(4)

其中,θ为入射角(因是单站探测,也即反射角);m表示漫反射系数；s表示镜面反射系数；B为漫反射幅度系数；A为镜面反射幅度系数。

4 目标激光雷达回波特性仿真分析

由于目标的散射特性不仅受到其表面材料BRDF特性的影响,还与目标几何外形有关,选取了比较典型的圆柱体、圆锥体以及球体等三种简单几何体作为研究对象。仿真采用脉宽为2 ns激光光源照射目标,分别采用高为1 m、底面半径为0.5 m的圆柱体,高为1 m、底面半径0.5 m的圆锥体以及半径为0.5的球体。通过获取三种目标在BRDF模型参数取值不同的情况下的多角度回波峰值序列,进而分析目标散射特性对其激光回波特性的影响。图4、5、6中的曲线A代表目标散射特性为理想漫反射情况,对应参数取值A=0.2,s=0.5,B=0.2,m=1;曲线B代表粗糙表面情况,对应参数取值A=0.4,s=0.05,B=0.4,m=50;曲线C代表近似镜面反射情况,对应参数取值A=0.05,s=1,B=0.05,m=5,在此统一说明。

4.1 圆柱体

上式参数的含义如表1所示。

  

图4 圆柱体在0°～360°角度下回波峰值序列Fig.4 Peak values of echoes of a cylinder from 0° to 360°

4.2 圆锥体

通过以上对三种典型目标在不同表面散射特性情况下多角度回波峰值序列的分析可以得出以下结论:

  

图5 圆锥体在0°～360°角度下回波峰值序列Fig.5 Peak values of echoes of a cone from 0° to 360°

4.3 球体

由于球体的几何对称特性,在球体自身半径等参数固定的条件下,其各个角度的回波均相同,因此,更便于考虑BRDF参数取值的变化对回波特性的影响。如图6给出了在BRDF参数不同的三种情况下,半径为0.5 m的球体的回波分布；理想漫反射情况下回波幅值最大,粗糙表面其次,近似镜面反射情况最小；三种情况下回波峰值位置也不尽相同,镜面反射情况峰值位置位于最左侧,粗糙表面情况位于最右侧,理想漫反射情况位于二者之间。

首先通过3DS MAX软件建立目标的三维模型,将目标表面划分为多个微小的面元,并获取观测坐标系下每个小面元的顶点坐标以及法向向量,接下来根据所获取的目标表面小面元顶点坐标、法向向量以及光照方向,判断这些小面元在观测方向上的相互遮挡关系,计算得到每个小面元的回波,叠加后即可得到整个目标的回波。建模流程如图1所示。

  

图6 球体回波峰值Fig.6 Peak values of echoes of a sphere

由图5可知,由于圆锥体关于其中心轴是轴对称的,因此其回波峰值序列关于180°对称。当表面散射特性为理想漫反射体时,相邻角度的回波峰值分布具有明显的连续型和对称性,呈现出明显的极大值和极小值点,这与圆柱体的情况较为类似,但不同的是,其回波峰值的最大值出现在180°,这是由于此时圆锥体的底面法向方向平行于观测方向造成的；当表面散射特性为近似镜面反射时,其回波整体幅度明显小于理想漫反射和粗糙表面情况,但仍在180°呈现出较为明显的对称性,而在大多数角度范围内回波峰值较小,圆锥体在某些角度范围如0°～50°呈现出很小的回波幅度,在另外一些角度,粗糙表面情况下的回波反而高于理想漫反射,这是由其外形特征决定的；当表面散射特性为粗糙表面时,与圆柱体情况相比,其回波峰值序列的对称性较为明显。

试验分为3组，即A组、B组、C组，A组设置2种不同条件，对照使用普通农家肥和沼肥作基肥和追肥对农作物产量的影响（见表1）；B组设置3种不同条件，对照沼肥仅用作基肥和沼肥用作基肥和追肥对产量的影响（见表2）；C组设置3种不同条件，在8～9叶、13～14叶、8～9叶和16～17叶展开时分别追施沼肥，观察其对产量的影响(见表3)。试验在4月上旬进行，其余条件同平时生产条件相同。

在当前时代的发展背景下，人们的生活水平不断提高，土木工程建设行业也取得了有目共睹的成就，在此情况下，人们对土木工程施工质量有了更高的要求。因此，为了进一步提升土木工程的施工质量，施工单位应加强土木工程施工管理，从各施工环节入手，如施工流程、管理制度、施工人员安全等方面进行有效进行管理。但在实际的施工管理中，施工内容较多，施工管理难度较大，需要从业人员从多因素，多角度出发，提高管理水平。

(1)目标镜面反射分量可对特定角度下的目标回波产生较大的影响,这是由于当目标表面面元法向向量与观测方向近似垂直或夹角较大时,接收到的由镜面反射提供的回波能量很小,此时的回波成分主要是由漫反射分量组成；

(2)在目标表面BRDF参数所采用的模型以及参数取值相同的情况下,目标的几何外形同样会对目标散射特性产生影响,不同目标的回波特性也不同；在目标外形固定的情况下,目标表面BRDF参数设置不同对应了不同的表面材质,同样会对回波的峰值位置和脉冲展宽产生影响；

(3)对于具有几何对称性的目标体,通过获取其多角度下的回波峰值序列,可以反演其对称轴所对应的观测角度,且不同目标的对称特性可以通过分析其回波峰值序列分布形式得到。

5 结 论

本文通过建立圆锥体、圆锥体以及球体等三种典型目标的三维模型以及目标散射特性模型,仿真分析了目标表面材质以及外形特征对目标激光雷达回波特性的影响。结果表明,目标形状、尺寸等外形特征以及表面材质散射特性会对目标激光雷达回波特性产生不同的影响,由于空间目标通常具有几何对称性,本文研究内容和结论可为空间目标特性反演、激光雷达反射层析成像以及激光雷达三维成像提供参考。如何从目标激光雷达回波中提取有效的特征进行目标识别是下一步需要研究的内容。

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张廷华,倪国强,高昆,等.基于双谱的猫眼目标激光一维距离像特征提取[J].激光与红外,2017,47(3):341-346.

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马鹏阁,齐林,羊毅,等.机载多脉冲激光雷达目标信号模拟器的研究[J].光学学报,2012,32(1):271-276.

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