粗糙目标激光散斑统计特性及微运动特征分析

摘要

激光散斑测量技术具有结构简单、全场非接触测量、无损性、实时性等优点，在各光学测量中已逐渐成为理论和应用研究的热点。激光散斑携带的散射体的信息是进行目标探测、识别、特征分析、以及微运动检测的重要依据。本文从粗糙物体的激光波束散射理论出发，数值分析了粗糙物体的激光散射二阶统计特性及四阶统计特性，结合优化理论，提出了用粗糙物体的激光散斑时间-空间统计特性，分析旋转目标的微运动特征。论文的主要成果如下:
　　1.从粗糙面散射的标量近似理论出发，推导出了具有高斯分布随机粗糙面的任意形状凸目标的远区散射场的双频互相干函数的表达式，数值计算了粗糙球和柱的双频互相干函数，分析了目标的形状、尺寸及表面粗糙度参数对双频互相干函数及其相干带宽的影响。有助于进一步研究更为复杂粗糙目标的激光散射统计特性，为雷达系统设计、目标探测和识别、定位及特征提取提供理论依据。
　　2.基于Beckmann理论和高斯矩定理，研究了二维弱起伏粗糙面散射四阶统计特性，严格推导了二维弱起伏粗糙导体和介质面的散射强度起伏互相关函数的解析表达式，并重点分析了入射、观察条件及粗糙面特征参数对散射场强度起伏的双频互相关函数和角度互相关函数的影响。加深了对粗糙面散射特性的理解，为粗糙目标的散斑问题的研究提供理论基础。
　　3.基于标量Helmholtz积分关系，推导了出三维粗糙曲面的散射光经自由空间传输，在垂直于散射方向的远区观察面上所得到的散斑场的空间分布和散斑场强度起伏的空间互相关函数，得到了不同孔径粗糙面、球、柱及锥的散斑的横向尺寸与其形状和大小以及入射波长和传播距离之间关系的表达式。
　　4.研究了粗糙物体平动和转动所产生动态散斑的统计特性，推导出散斑强度起伏空间-时间互相关函数，得到了散斑时间相干长度和因目标平动或旋转而产生的多普勒展宽的表达式，讨论了散斑时间相干长度和多普勒展宽与目标的形状、运动状态及运动速度的关系。
　　5.推导了二维平动微粗糙和大粗糙平面平动所产生的多普勒频移公式，在此基础上，导出了轴对称粗糙体转动产生的多普勒频移的表达式。表明轴对称目标旋转产生的多普勒频移与转速和被照射面元的位置以及视线角正弦成正比，与波长成反比，与粗糙度无关。
　　6.搭建了动态激光散斑实验平台，获得了不同视线角和不同转速下旋转柱和锥动态散斑时序图像，对其进行了统计分析，并将之与理论模拟结果进行了比较，二者吻合得很好。利用实验所得到的散斑时间相干长度，采用粒子群算法，结合动态散斑的理论推导，反演了旋转柱体和锥体的视线角和转动角速度，实现了对倾斜旋转柱体和锥体微运动特征的检测。

目录

作者简介

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摘要

第一章 绪论

§1．1 研究背景和意义

§1．2 国内外研究概况

§1．2．1 粗糙物体散射特性

§1．2．2 粗糙物体散斑统计特性

§1．2．3 目标微运动特征检测

§1．2．4 激光多普勒技术

§1．2．5 动态散斑检测粗糙目标微运动

§1．3 论文主要内容和框架

§1．4 论文创新点

第二章 随机粗糙物体激光脉冲散射特性

§2．1 引言

§2．2 随机粗糙面脉冲波散射

§2．2．1 二维随机粗糙面散射双频互相干函数

§2．2．2 窄带脉冲近似及平均散射功率

§2．2．3 粗糙面脉冲散射影响因素分析

§2．3 粗糙凸物体激光脉冲散射特性

§2．3．1 粗糙凸物体激光散射双频互相干函数

§2．3．2 粗糙凸物体脉冲散射功率

§2．3．3 粗糙凸物体双频散射数值结果

§2．4 本章小结

第三章 随机粗糙面散射四阶统计特性

§3．1 引言

§3．2 任意复高斯随机过程的四阶矩

§3．3 二维微粗糙导体面散射四阶统计特性

§3．3．1 微粗糙导体面强度起伏互相关函数

§3．3．2 导体粗糙面散射四阶矩数值结果

§3．4 二维介质微粗糙面散射四阶矩与强度起伏相关特性

§3．4．1 微粗糙介质面强度起伏互相关函数

§3．4．2 介质粗糙面散射强度双频互相关函数数值结果

§3．5 本章小结

第四章 粗糙物体散斑空间统计特性

§4．1 引言

§4．2 散斑成因及分类

§4．3 粗糙面散斑空间相关函数

§4．3．1 垂直于粗糙面散射方向的观察面上散斑场

§4．3．2 粗糙面散斑三维尺寸

§4．4 三维粗糙物体散斑空间相关函数

§4．4．1 三维粗糙物体散射观察面上的散斑场

§4．4．2 三维粗糙物体散斑横向尺寸

§4．5 本章小结

第五章 粗糙物体动态散斑统计特性

§5．1 引言

§5．2 二维空间平移粗糙面散斑时间-空间-谱密度函数

§5．2．1 平动粗糙面散斑空间相关函数

§5．2．2 平动粗糙面散斑时间相关函数

§5．2．3 平动粗糙面散斑谱密度函数及谱展宽

§5．3 旋转粗糙圆柱散斑空间-时间-谱密度函数

§5．3．1 圆柱表面动态散斑场光强的空间-时间相关函数

§5．3．2 旋转粗糙柱动态散斑空间时间相关函数影响因素分析

§5．3．3 旋转粗糙柱体散斑谱密度函数及谱展宽

§5．4 旋转轴对称粗糙凸体动态散斑时间统计特性

§5．4．1 照射面积远小于目标尺寸

§5．4．2 完全照射旋转轴对称目标

§5．5 本章小结

第六章 运动粗糙物体激光多普勒特性分析

§6．1 引言

§6．2 动态散斑与多普勒频移

§6．2．1 动态散斑场

§6．2．2 光学多普勒效应

§6．2．3 动态散斑和多普勒效应的关系

§6．3 二维平动随机粗糙面多普勒频移

§6．3．1 二维平动大粗糙面多普勒频移

§6．3．2 二维平动微粗糙面多普勒频移

§6．4 轴对称粗糙物体转动激光多普勒频移

§6．5 本章小结

第七章 粗糙物体动态散斑实验及微运动分析

§7．1 引言

§7．2 激光散斑测速方法

§7．3 旋转粗糙物体散斑实验及数据处理

§7．3．1 动态散斑实验原理及光路图

§7．3．2 旋转目标动态散斑图

§7．3．3 实验数据处理

§7．3．4 数据处理结果及分析

§7．4 粗糙目标微运动特征检测

§7．4．1 粒子群算法

§7．4．2 粗糙目标的微运动特征反演

§7．5 小结

结束语

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果