發(fā)布時間：2020-06-11 22:03

【摘要】：社會科學(xué)的不斷發(fā)展推動著人類物質(zhì)文化建設(shè)的改善,從而引發(fā)了全球環(huán)境問題的惡化,致使科研工作者開始了大氣科學(xué)的研究。激光雷達利用激光與大氣顆粒的相互作用散射回來的信號作為大氣參量的載體,以及其高分辨率、高動態(tài)范圍的特性被廣泛應(yīng)用于大氣探測中。光電探測系統(tǒng)是激光雷達進行大氣探測的重要環(huán)節(jié),其研究與開發(fā)對激光雷達的大力推廣具有重要研究意義。本論文針對目前激光雷達系統(tǒng)的工程化應(yīng)用,基于PXI9846采集卡,開發(fā)了一套適用于多通道大氣參量采集的激光雷達光電探測及應(yīng)用軟件系統(tǒng)。主要進行了以下幾方面的工作:1、針對目前激光雷達數(shù)據(jù)采集的信號探測原理與研究現(xiàn)狀,詳細(xì)分析了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號探測需求,基于此設(shè)計構(gòu)建了激光雷達光電探測及應(yīng)用軟件框架。2、針對激光雷達回波信號的初步處理,將其劃分為信號探測模塊與數(shù)據(jù)采集模塊兩部分分步集成。前者將微弱的光強信號轉(zhuǎn)換為提供給數(shù)據(jù)采集模塊的電信號,其中光電轉(zhuǎn)換模塊的信號放大約106～107量級,信號放大模塊約103～105量級;后者將信號進行AD轉(zhuǎn)換后提供給計算機進行處理,可以實現(xiàn)多通道同時并行采集且每通道采樣率高達40MS/s,且不存在數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。3、針對激光雷達光電探測系統(tǒng)開發(fā)了一套專有的應(yīng)用軟件,設(shè)計并實現(xiàn)了 PXI采集卡硬件底層驅(qū)動程序的編寫以及軟件控制界面繪制。與一般激光雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不同的是,本論文將激光器的控制融入上位機軟件控制中,解放了激光器控制面板,實現(xiàn)了激光雷達系統(tǒng)集中化控制思想,并初步實現(xiàn)了激光雷達數(shù)據(jù)庫的組建。經(jīng)過前期的開發(fā)和后期不斷的檢測與調(diào)試,開發(fā)的樣機已應(yīng)用于激光雷達系統(tǒng),實現(xiàn)對低空大氣實時有效的長期持續(xù)觀測,系統(tǒng)未出現(xiàn)任何異常情況。本論文完成了既定的設(shè)計任務(wù)并具有普遍的應(yīng)用價值。
【圖文】：

(a) 光子計數(shù)器 (b) 高速示波器圖 1-1 激光雷達探測方式Fig. 1-1 Detection methods of the lidar大氣探測中常常需要探測大氣參量垂直方向上十幾公里的時空分布，具有回波信號的態(tài)范圍特性，同時，多參量和長時間探測使得激光雷達的數(shù)據(jù)量極其龐大。由于環(huán)境噪本身系統(tǒng)所造成的噪聲影響，回波信號高效準(zhǔn)確的獲取變得尤為重要，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作個激光雷達大氣探測的核心部分具有重要的研究意義。因此，一套高性能的數(shù)據(jù)采集模于任何激光雷達探測系統(tǒng)整體性能有著巨大的提升作用。目前，激光雷達的模數(shù)轉(zhuǎn)換探測主要由兩種手段來實現(xiàn)，一種是通用高速示波器采集一種是開發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集卡。前者具有較高的采樣精度也能滿足激光雷達大動態(tài)范圍集特點，并且高速示波器產(chǎn)品相對成熟可以保證數(shù)據(jù)不間斷的采集。但一般高速示波器較大并價格昂貴，只適用于資金雄厚的實驗室使用，不利于激光雷達回波探測系統(tǒng)朝小、集成化、產(chǎn)品化發(fā)展。為了推動激光雷達行業(yè)的發(fā)展，，科研人員開始針對特定的激光探測系統(tǒng)開發(fā)其專有的回波信號探測系統(tǒng)[11]。針對激光雷達系統(tǒng)的通用采集卡企業(yè)如 華、研華等公司，部分高�；蜓芯克鶕�(jù)自身激光雷達系統(tǒng)的采集需求選擇合適的采集

圖 2-1 激光雷達探測原理Fig. 2-1 Principle of lidar detection方式電轉(zhuǎn)換器件將望遠(yuǎn)鏡接收回來的光信號通過光強解調(diào)18]。在激光雷達系統(tǒng)中由于要進行多參量的探測，回波信所需要的信號再進入探測器中，分光系統(tǒng)由分光片與濾光 5%的信號損失，并且系統(tǒng)中伴隨著一定的系統(tǒng)噪聲。最弱，最小光功率可達到 1nW，所以一般光電探測器件帶方與電流信號成比例，光電探測器的輸出電流 i 為：2i E換因子，E 為光電探測器接收到的回波光信號強度電場分回波信號強度電場分量的振動幅值為 A，則 E 可表示為E Acos t
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP311.52;TN958.98

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本文編號：2708529