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基于回波信号的光束瞄准技术研究
【摘要】：主动跟踪照明、自由激光通信等领域要求发射光束精确瞄准目标。但是当激光传输照射目标时，由于跟踪设备的局限性、瞄准系统的机械振动、大气湍流、以及光学未对准引起的光束瞄准误差，会导致光轴偏离视轴和接收探测的信号能量损失。长期以来，估计和校正这些误差一直是光束瞄准的难点；尤其是对非合作目标，大多都处于开环工作状态，瞄准精度很难得到保证。本文主要研究基于回波信号的光束瞄准技术，旨在探索对非合作目标的瞄准误差评估和光束闭环瞄准的方法。
本文首先回顾了基于回波信号的光束瞄准技术的研究历史，结合该瞄准技术的应用目的和发展趋势，指出了相关研究工作的重要意义。然后根据目标主动照明实验引出了基于回波信号的光束瞄准技术理论，给出了主动照明回波信号物理模型，介绍了光束瞄准误差估计理论。
建立了目标主动照明回波信号传输仿真系统。模拟了光信号从发射到接收的整个物理过程，包括：发射光束抖动误差和视轴偏差模拟，激光真空传输，大气湍流模拟，目标反射，散射回波传输，回波信号接收处理及闭环控制模型仿真。并利用数值仿真系统，验证了瞄准误差估计理论，并从样本容量、抖动误差、视轴偏差变化等角度分析了各个瞄准误差估计算法的估计精度和适用范围。仿真结果表明，最大似然估计算法性能优良，估计精度最高；修正的矩估计算法适合于弱湍流大气环境中的瞄准误差估计。
针对当前瞄准误差估计算法视轴偏差方向估计难题，提出三角扫描算法，推导了该算法的闭环瞄准精度克拉美劳(CRLB)下限，并进行了仿真分析和验证。结果表明：三角扫描算法可以实现基于回波信号的光束闭环瞄准，且瞄准精度接近CRLB下限。该算法首次利用瞄准误差估计实现了光束闭环瞄准。
搭建了基于回波信号光束瞄准系统室内平台。提出以回波样本均值作为寻优算法的信号探测点，利用二维爬山算法完成了基于回波信号的光束闭环瞄准实验，分析了爬山算法对光束抖动误差的抗干扰能力。对最大似然估计算法进行了实验验证，利用三角扫描算法完成了基于回波信号的光束闭环瞄准实验，并分析了瞄准残差精度及影响因素。
建立了目标照明回波信号噪声模型。给出回波信号的归一化模型，消除了光源起伏噪声、传输距离变化、跟踪天顶角变化等对回波信号的影响。提出等效光束远场辐射角分布参数，解决了扩展目标对回波信号分布的影响。分析了漫反射目标回波散斑对回波信号测量的影响，给出了基于回波信号的瞄准系统中回波散斑的抑制方案，并进行了仿真验证，为室外实验回波信号处理打下了理论基础。
为了研究大气环境下基于回波信号光束瞄准技术的性能，搭建了目标照明回波瞄准室外实验平台，包括：脉冲激光发射系统，基于距离选通的回波信号接收系统，基于Labview的实验控制系统。在室外大气环境下，验证了瞄准误差估计算法的性能，基于三角扫描算法实现了光束闭环瞄准，分析了瞄准残差精度。
最后，针对基于回波信号的光束瞄准技术的工程应用问题，提出了两种应用设计方案，为今后该技术的工程应用奠定了一定的基础。
【关键词】：
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（光电技术研究所）【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：TN929.1【目录】：
致谢3-5摘要5-7ABSTRACT7-12第1章 绪论12-21 1.1 引言12-13 1.2 光束瞄准系统概述13-16 1.3 基于回波信号的光束瞄准技术发展状况16-18 1.4 本文研究的目的和意义18-19 1.5 本文的内容安排19-21第2章 目标照明回波信号模型及瞄准误差估计理论21-37 2.1 引言21-23 2.2 目标照明回波信号模型23-26 2.3 K 率法及矩估计算法26-29
2.3.1 K 率估计算法26-27
2.3.2 矩估计算法27-29 2.4 基于蒙特卡洛模型的χ~2方分布拟合检验算法29-31 2.5 最大似然估计算法31-33 2.6 大气中的瞄准误差估计理论33-36
2.6.1 大气闪烁理论34-35
2.6.2 大气中的回波信号模型35
2.6.3 修正的矩估计算法35-36 2.7 小结36-37第3章 目标照明回波仿真系统及算法仿真分析37-65 3.1 引言37-38 3.2 目标照明回波瞄准系统仿真38-47
3.2.1 光波传输及多相位屏法38-42
3.2.2 湍流相位屏模拟42-45
3.2.3 目标漫反射及回波传输45-47 3.3 瞄准误差估计算法仿真分析47-64
3.3.1 K 率法及矩估计法仿真48-52
3.3.2 χ~2分布拟合检验算法仿真52-54
3.3.3 最大似然估计法仿真54-57
3.3.4 算法性能比较57-58
3.3.5 大气中的瞄准误差估计仿真58-64 3.4 小结64-65第4章 三角扫描算法及光束闭环瞄准65-82 4.1 引言65 4.2 三角扫描算法基本原理65-71
4.2.1 三角扫描法的基坐标系65-66
4.2.2 目标远离 x 轴时的光束瞄准过程66-69
4.2.3 目标接近 x 轴时的光束瞄准过程69-71 4.3 闭环瞄准残差的克拉美劳下限71-74 4.4 基于三角扫描算法的闭环瞄准仿真及分析74-80
4.4.1 基于三角扫描算法的闭环瞄准仿真系统74-77
4.4.2 闭环瞄准精度仿真分析77-80 4.5 本章小结80-82第5章 基于回波信号的室内闭环光束瞄准实验82-102 5.1 引言82-83 5.2 实验室平台83-84 5.3 基于二维爬山算法的闭环光束瞄准84-91
5.3.1 爬山法模型84-87
5.3.2 基于爬山法的闭环瞄准实验87-91 5.4 基于三角扫描算法的闭环光束瞄准91-100
5.4.1 最大似然算法瞄准误差估计实验验证91-95
5.4.2 基于三角扫描算法的闭环光束瞄准95-100 5.5 本章小结100-102第6章 回波信号的误差分析及抑制102-117 6.1 引言102-103 6.2 目标照明回波信号的归一化103-106 6.3 远场光束相对目标尺寸变化对回波信号的影响106-109 6.4 回波散斑对回波信号的影响109-115 6.5 小结115-117第7章 基于回波信号的光束闭环瞄准室外实验117-132 7.1 引言117 7.2 室外实验方案117-122
7.2.1 系统组成及原理117-119
7.2.2 各分系统方案119-122 7.3 实验结果及分析122-130
7.3.1 回波脉冲信号的距离选通接收123
7.3.2 等效光束角分布参数及瞄准误差估计123-126
7.3.3 基于三角扫描的光束闭环瞄准126-130 7.4 小结130-132第8章 回波瞄准系统应用设想132-139 8.1 引言132 8.2 基于辅助激光的回波瞄准系统132-134 8.3 全口径激光同轴发射和回波接收系统134-138 8.4 小结138-139第9章 全文工作总结及展望139-143 9.1 论文主要研究工作139-141 9.2 论文主要创新点141 9.3 下一步工作及展望141-143参考文献143-148个人简介及主要研究成果148-150 个人简介148 发表文章及申请专利148-150
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