光子自相关仪的软件设计与实现

发布时间：2023-03-29 02:43

　　大气边界层具有明显的湍流特性,温度脉动作为湍流参数中最主要的物理量,可以用短时间内的大气温度平均值叠加微小温度变化量表示。由于湍流的产生与发展都具有高度无序性和随机性,导致不论采用早期的慢响应仪器,还是近期的探空气球搭载超声波温差风速仪和白金丝温度脉快速响应动仪,想要获得1周探测的大气边界层温度脉动廓线上的测量数据都很困难。因此,论文提出了光子相关光谱技术(Photon Correlation Spectroscopy,简称PCS)结合雷达工作机制的动态光散射高光谱激光雷达进行大气边界层内温度脉动廓线探测的新方法:广泛采用高光谱分辨率的PCS技术分辨率可达到10-14,其主要设备光子计数器和相关仪的响应时间均可达到几十皮秒;以法布里-珀罗标准具(Fabry-Perot etalon,简称FPE)和碘分子吸收池作为分光器件的高光谱激光雷达光谱分辨率可达百MHz量级。光子相关仪是PCS技术的核心装置,它的作用是获取雷达回波信号的相关函数。论文详细地分析与对比了光子相关仪的现有实现方式,调研了市场上商品化的光子相关仪的性能参数,最终拟采用LSI相关仪实现动态光散射高光谱激光雷达系统中大气分子...

【文章页数】：58 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 大气边界层内温度脉动廓线探测的研究进展
        1.2.2 PCS技术的研究进展
    1.3 论文主要工作
2 PCS技术应用于大气温度脉动廓线测量的理论依据
    2.1 PCS技术概况
        2.1.1 PCS的基本概念
        2.1.2 PCS法反演大气脉动廓线数据的模型
    2.2 光子相关仪的工作原理
        2.2.1 光子相关仪的典型装置与基本测试原理
        2.2.2 自相关信号的离散化表示
        2.2.3 光子相关仪的工作原理
    2.3 本章小结
3 PCS技术测量大气边界层中温度脉动廓线的方案设计
    3.1 测量方案设计
    3.2 测量方案中的关键技术设计
        3.2.1 脉冲激光动态锁频技术与频移补偿方法
        3.2.2 基于PID闭环控制的高精度温控技术
    3.3 测量方案的可行性分析
        3.3.1 一周探测与全天时探测高度3km
        3.3.2 探测距离分辨率3m
        3.3.3 温度脉动探测灵敏度0.1K
    3.4 本章小结
4 光子自相关仪的软件设计与可行性验证
    4.1 软件的硬件载体LSI Correlator
    4.2 软件系统设计
    4.3 软件模块化设计与仿真
        4.3.1 延迟时间生成模块
        4.3.2 双计数器模块
        4.3.3 自相关运算模块
        4.3.4 通信模块
        4.3.5 自相关算法验证
        4.3.6 软件的整体仿真
    4.4 光子自相关仪软件的可行性验证
        4.4.1 FPGA的设计理念
        4.4.2 FPGA的硬件选择
    4.5 光子自相关仪的验证性原理实验
        4.5.1 原理实验的器件选择
        4.5.2 测试方案
        4.5.3 测试的数据处理与结果分析
    4.6 本章小结
5 总结与展望
致谢
参考文献



本文编号：3773826