激光雷达光电探测及应用软件模块化开发

发布时间：2020-06-11 22:03

【摘要】：社会科学的不断发展推动着人类物质文化建设的改善,从而引发了全球环境问题的恶化,致使科研工作者开始了大气科学的研究。激光雷达利用激光与大气颗粒的相互作用散射回来的信号作为大气参量的载体,以及其高分辨率、高动态范围的特性被广泛应用于大气探测中。光电探测系统是激光雷达进行大气探测的重要环节,其研究与开发对激光雷达的大力推广具有重要研究意义。本论文针对目前激光雷达系统的工程化应用,基于PXI9846采集卡,开发了一套适用于多通道大气参量采集的激光雷达光电探测及应用软件系统。主要进行了以下几方面的工作:1、针对目前激光雷达数据采集的信号探测原理与研究现状,详细分析了数据采集系统的信号探测需求,基于此设计构建了激光雷达光电探测及应用软件框架。2、针对激光雷达回波信号的初步处理,将其划分为信号探测模块与数据采集模块两部分分步集成。前者将微弱的光强信号转换为提供给数据采集模块的电信号,其中光电转换模块的信号放大约106～107量级,信号放大模块约103～105量级;后者将信号进行AD转换后提供给计算机进行处理,可以实现多通道同时并行采集且每通道采样率高达40MS/s,且不存在数据丢失的现象。3、针对激光雷达光电探测系统开发了一套专有的应用软件,设计并实现了 PXI采集卡硬件底层驱动程序的编写以及软件控制界面绘制。与一般激光雷达数据采集系统不同的是,本论文将激光器的控制融入上位机软件控制中,解放了激光器控制面板,实现了激光雷达系统集中化控制思想,并初步实现了激光雷达数据库的组建。经过前期的开发和后期不断的检测与调试,开发的样机已应用于激光雷达系统,实现对低空大气实时有效的长期持续观测,系统未出现任何异常情况。本论文完成了既定的设计任务并具有普遍的应用价值。
【图文】：

(a) 光子计数器 (b) 高速示波器图 1-1 激光雷达探测方式Fig. 1-1 Detection methods of the lidar大气探测中常常需要探测大气参量垂直方向上十几公里的时空分布，具有回波信号的态范围特性，同时，多参量和长时间探测使得激光雷达的数据量极其庞大。由于环境噪本身系统所造成的噪声影响，回波信号高效准确的获取变得尤为重要，数据采集系统作个激光雷达大气探测的核心部分具有重要的研究意义。因此，一套高性能的数据采集模于任何激光雷达探测系统整体性能有着巨大的提升作用。目前，激光雷达的模数转换探测主要由两种手段来实现，一种是通用高速示波器采集一种是开发专用的数据采集卡。前者具有较高的采样精度也能满足激光雷达大动态范围集特点，并且高速示波器产品相对成熟可以保证数据不间断的采集。但一般高速示波器较大并价格昂贵，只适用于资金雄厚的实验室使用，不利于激光雷达回波探测系统朝小、集成化、产品化发展。为了推动激光雷达行业的发展，，科研人员开始针对特定的激光探测系统开发其专有的回波信号探测系统[11]。针对激光雷达系统的通用采集卡企业如 华、研华等公司，部分高校或研究所根据自身激光雷达系统的采集需求选择合适的采集

图 2-1 激光雷达探测原理Fig. 2-1 Principle of lidar detection方式电转换器件将望远镜接收回来的光信号通过光强解调18]。在激光雷达系统中由于要进行多参量的探测，回波信所需要的信号再进入探测器中，分光系统由分光片与滤光 5%的信号损失，并且系统中伴随着一定的系统噪声。最弱，最小光功率可达到 1nW，所以一般光电探测器件带方与电流信号成比例，光电探测器的输出电流 i 为：2i E换因子，E 为光电探测器接收到的回波光信号强度电场分回波信号强度电场分量的振动幅值为 A，则 E 可表示为E Acos t
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP311.52;TN958.98

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本文编号：2708529