用于大功率LED气溶胶探测雷达的发射系统设计及优化研究
发布时间：2021-01-22 21:09
在大气环境监测领域,激光雷达探测技术是测量大气气溶胶粒谱分布、时空分辨率的重要手段之一。但是受限于激光器输出波长数量有限,粒谱的精细探测存在局限性。由于LED具备宽光谱、体积小的特点,将LED光源作为雷达主动探测光源,不仅可弥补激光在精细探测的缺陷,而且有助于实现雷达的小型化。为解决LED雷达探测距离较短的问题,本文对所设计的发射模块分别采用单颗LED和多颗LED的光学方案进行研究。首先,针对单颗LED光源提出采用TIR透镜作为一级,开普勒结构为二级的光束整形的光学整形方案,并对上述方案进行光学仿真。然后,利用光学扩展量分析出该方案的损耗来源,重新设计出一种高传输效率的透镜组代替TIR透镜,并对透镜组方案设计进行误差分析和机械结构的设计。接着,针对多颗LED光源提出采用R、G、B三通道结构,和设计一种而向白光LED阵列的微透镜阵列形式的光学整形结构,并进行光学仿真。仿真结果表明:采用三通道形式的多光源结构,可获得最大的输出光功率为49.9mW,相较于单光源的TIR方案增大2.8mW。最后,根据TIR透镜方案,设计纳秒级的驱动电路,并搭建实验光路验证。搭述的TIR透镜实验结果表明:光束半...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
火山爆发产生气溶胶Fig.1-1Volcaniceruptionproducesaerosol
西安理工大学工程硕士专业学位论文2图1-2人为排放污染物Fig.1-2Anthropogenicemissionsofpollutants大气气溶胶的主动探测激光雷达有地基式、星载式两种形式。搭载在卫星上进行雷达遥感探测获得的数据具有分辨率高、探测范围广等特点，尤其在观测偏远地带和海洋区域具有显著优势[5]。但这种遥感方式获取的局部区域内的气溶胶信息存在偏差较大的问题，而且基本无法提供气溶胶的垂直分布信息。除此之外，探测结果易受到地面反射率改变、天气变化，特别是云层移动带来的影响。相较于前者，地基式雷达虽然探测范围受限，但是可给出气溶胶的垂直分布情况和时间变化的过程，弥补了卫星雷达在时空探测方面的不足，是当前主流的大气气溶胶探测方式。地基式雷达主要是通过接收气溶胶颗粒对激光信号的后向散射信号来反演出大气的微物理特性。由于雷达采用了能量高、定向性好的激光作为其主动探测的光源，通过对激光信号进行调制使其具备短脉冲特性，能做到实时观测并使地基雷达在可达10km范围以内有较高的探测精度和分辨率。虽然采用激光作为探测光源使雷达能够探测大气组分，但由于激光器输出的波长光谱范围较窄，大部分的Nd：YAG激光器发出波长仅为355nm、532nm、1064nm，不利于实现气溶胶特性的精细研究以及获取较为全面的气溶胶粒谱分布信息，尤其当想知道在特定波段如555nm时气溶胶粒谱情况时光源的短板显得尤为明显。同时，从系统稳定性的角度看，大功率脉冲激光器，体积庞大、附属部件众多、移动不便等缺点，导致系统稳定性变差，众多因素的影响极大的限制了该仪器的使用范围。近几年来，随着半导体材料技术的突破，发光二极管LED（LightingEmittingDiode）发光效率在不断提升，使单颗小功率LED输出光能可达到120lm/w以上[6]。加之，LED的光谱范
绪论3在体积较大的问题也表现的很突出。为解决这一问题，本课题对用于气溶胶探测雷达发射模块的LED光源光学系统进行研究。1.2LED光源1.2.1LED光源特点首先，LED即发光二极管通过固体载流子复合放出过剩能量而形成发光。具体而言即为给发光二极管施加正向电压，使P区的空穴和N区的电子，在PN结附进行复合，进行辐射发光，见图1-3。其次，LED的宽光谱是由LED芯片本身和涂抹在芯片上的荧光物质共同决定。产生光谱的原理如下，通过电流驱动LED芯片本身产生某种单一波段的光，然后与荧光粉发生相互作用进而产生不同波段的光，因此也就使得LED芯片能够有较大的光谱范围。图1-3发光二极管发光原理Fig.1-3LEDlightemittingprinciple与传统的光源，例如：卤素灯、白炽灯等相比，LED有以下独特的优点[8]：（1）发光效率高。LED灯光电转换效率高，这使得其在能耗方面占优势。（2）光谱范围宽。得益于荧光粉材料和半导体基底材料的不断更新，LED的光谱范围不断的扩展，覆盖近紫外到近红外。因此，很多新兴领域也开始使用LED，如：水下探测，无线通讯领域。（3）绿色环保。以往采用的汞灯、日光灯都含有水银，而LED是由磷化镓（GAP）等无机化合物制成，对人体危害校由于采用环氧树脂胶作为外壳，不易破碎，保护了裸芯片，加之可回收的特性，对环境造成的污染可控。同时，LED工作电流和电压小，不需要大电压强电流供电，确保了操作者的安全。虽然LED具备以上诸多的优点，但不可否认的是其缺点也很明显[9]：（1）单颗LED输出能量低。虽然单颗小功率LED可以把发光效率做到120lm/w甚至更高，但与传统的高压放电等相比，总的输出能量还是偏低。如果要达到与上述光源有一致的照明效果，就必须采用多颗LED共同工作的方式来弥补单颗LED输出能量有
本文编号：2993908
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
火山爆发产生气溶胶Fig.1-1Volcaniceruptionproducesaerosol
西安理工大学工程硕士专业学位论文2图1-2人为排放污染物Fig.1-2Anthropogenicemissionsofpollutants大气气溶胶的主动探测激光雷达有地基式、星载式两种形式。搭载在卫星上进行雷达遥感探测获得的数据具有分辨率高、探测范围广等特点，尤其在观测偏远地带和海洋区域具有显著优势[5]。但这种遥感方式获取的局部区域内的气溶胶信息存在偏差较大的问题，而且基本无法提供气溶胶的垂直分布信息。除此之外，探测结果易受到地面反射率改变、天气变化，特别是云层移动带来的影响。相较于前者，地基式雷达虽然探测范围受限，但是可给出气溶胶的垂直分布情况和时间变化的过程，弥补了卫星雷达在时空探测方面的不足，是当前主流的大气气溶胶探测方式。地基式雷达主要是通过接收气溶胶颗粒对激光信号的后向散射信号来反演出大气的微物理特性。由于雷达采用了能量高、定向性好的激光作为其主动探测的光源，通过对激光信号进行调制使其具备短脉冲特性，能做到实时观测并使地基雷达在可达10km范围以内有较高的探测精度和分辨率。虽然采用激光作为探测光源使雷达能够探测大气组分，但由于激光器输出的波长光谱范围较窄，大部分的Nd：YAG激光器发出波长仅为355nm、532nm、1064nm，不利于实现气溶胶特性的精细研究以及获取较为全面的气溶胶粒谱分布信息，尤其当想知道在特定波段如555nm时气溶胶粒谱情况时光源的短板显得尤为明显。同时，从系统稳定性的角度看，大功率脉冲激光器，体积庞大、附属部件众多、移动不便等缺点，导致系统稳定性变差，众多因素的影响极大的限制了该仪器的使用范围。近几年来，随着半导体材料技术的突破，发光二极管LED（LightingEmittingDiode）发光效率在不断提升，使单颗小功率LED输出光能可达到120lm/w以上[6]。加之，LED的光谱范
绪论3在体积较大的问题也表现的很突出。为解决这一问题，本课题对用于气溶胶探测雷达发射模块的LED光源光学系统进行研究。1.2LED光源1.2.1LED光源特点首先，LED即发光二极管通过固体载流子复合放出过剩能量而形成发光。具体而言即为给发光二极管施加正向电压，使P区的空穴和N区的电子，在PN结附进行复合，进行辐射发光，见图1-3。其次，LED的宽光谱是由LED芯片本身和涂抹在芯片上的荧光物质共同决定。产生光谱的原理如下，通过电流驱动LED芯片本身产生某种单一波段的光，然后与荧光粉发生相互作用进而产生不同波段的光，因此也就使得LED芯片能够有较大的光谱范围。图1-3发光二极管发光原理Fig.1-3LEDlightemittingprinciple与传统的光源，例如：卤素灯、白炽灯等相比，LED有以下独特的优点[8]：（1）发光效率高。LED灯光电转换效率高，这使得其在能耗方面占优势。（2）光谱范围宽。得益于荧光粉材料和半导体基底材料的不断更新，LED的光谱范围不断的扩展，覆盖近紫外到近红外。因此，很多新兴领域也开始使用LED，如：水下探测，无线通讯领域。（3）绿色环保。以往采用的汞灯、日光灯都含有水银，而LED是由磷化镓（GAP）等无机化合物制成，对人体危害校由于采用环氧树脂胶作为外壳，不易破碎，保护了裸芯片，加之可回收的特性，对环境造成的污染可控。同时，LED工作电流和电压小，不需要大电压强电流供电，确保了操作者的安全。虽然LED具备以上诸多的优点，但不可否认的是其缺点也很明显[9]：（1）单颗LED输出能量低。虽然单颗小功率LED可以把发光效率做到120lm/w甚至更高，但与传统的高压放电等相比，总的输出能量还是偏低。如果要达到与上述光源有一致的照明效果，就必须采用多颗LED共同工作的方式来弥补单颗LED输出能量有
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