在大氣環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,激光雷達(dá)探測技術(shù)是測量大氣氣溶膠粒譜分布、時(shí)空分辨率的重要手段之一。但是受限于激光器輸出波長數(shù)量有限,粒譜的精細(xì)探測存在局限性。由于LED具備寬光譜、體積小的特點(diǎn),將LED光源作為雷達(dá)主動(dòng)探測光源,不僅可彌補(bǔ)激光在精細(xì)探測的缺陷,而且有助于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的小型化。為解決LED雷達(dá)探測距離較短的問題,本文對所設(shè)計(jì)的發(fā)射模塊分別采用單顆LED和多顆LED的光學(xué)方案進(jìn)行研究。首先,針對單顆LED光源提出采用TIR透鏡作為一級,開普勒結(jié)構(gòu)為二級的光束整形的光學(xué)整形方案,并對上述方案進(jìn)行光學(xué)仿真。然后,利用光學(xué)擴(kuò)展量分析出該方案的損耗來源,重新設(shè)計(jì)出一種高傳輸效率的透鏡組代替TIR透鏡,并對透鏡組方案設(shè)計(jì)進(jìn)行誤差分析和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。接著,針對多顆LED光源提出采用R、G、B三通道結(jié)構(gòu),和設(shè)計(jì)一種而向白光LED陣列的微透鏡陣列形式的光學(xué)整形結(jié)構(gòu),并進(jìn)行光學(xué)仿真。仿真結(jié)果表明:采用三通道形式的多光源結(jié)構(gòu),可獲得最大的輸出光功率為49.9mW,相較于單光源的TIR方案增大2.8mW。最后,根據(jù)TIR透鏡方案,設(shè)計(jì)納秒級的驅(qū)動(dòng)電路,并搭建實(shí)驗(yàn)光路驗(yàn)證。搭述的TIR透鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:光束半... 

【文章來源】：西安理工大學(xué)陜西省

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【學(xué)位級別】：碩士

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火山爆發(fā)產(chǎn)生氣溶膠Fig.1-1Volcaniceruptionproducesaerosol

西安理工大學(xué)工程碩士專業(yè)學(xué)位論文2圖1-2人為排放污染物Fig.1-2Anthropogenicemissionsofpollutants大氣氣溶膠的主動(dòng)探測激光雷達(dá)有地基式、星載式兩種形式。搭載在衛(wèi)星上進(jìn)行雷達(dá)遙感探測獲得的數(shù)據(jù)具有分辨率高、探測范圍廣等特點(diǎn)，尤其在觀測偏遠(yuǎn)地帶和海洋區(qū)域具有顯著優(yōu)勢[5]。但這種遙感方式獲取的局部區(qū)域內(nèi)的氣溶膠信息存在偏差較大的問題，而且基本無法提供氣溶膠的垂直分布信息。除此之外，探測結(jié)果易受到地面反射率改變、天氣變化，特別是云層移動(dòng)帶來的影響。相較于前者，地基式雷達(dá)雖然探測范圍受限，但是可給出氣溶膠的垂直分布情況和時(shí)間變化的過程，彌補(bǔ)了衛(wèi)星雷達(dá)在時(shí)空探測方面的不足，是當(dāng)前主流的大氣氣溶膠探測方式。地基式雷達(dá)主要是通過接收氣溶膠顆粒對激光信號的后向散射信號來反演出大氣的微物理特性。由于雷達(dá)采用了能量高、定向性好的激光作為其主動(dòng)探測的光源，通過對激光信號進(jìn)行調(diào)制使其具備短脈沖特性，能做到實(shí)時(shí)觀測并使地基雷達(dá)在可達(dá)10km范圍以內(nèi)有較高的探測精度和分辨率。雖然采用激光作為探測光源使雷達(dá)能夠探測大氣組分，但由于激光器輸出的波長光譜范圍較窄，大部分的Nd：YAG激光器發(fā)出波長僅為355nm、532nm、1064nm，不利于實(shí)現(xiàn)氣溶膠特性的精細(xì)研究以及獲取較為全面的氣溶膠粒譜分布信息，尤其當(dāng)想知道在特定波段如555nm時(shí)氣溶膠粒譜情況時(shí)光源的短板顯得尤為明顯。同時(shí)，從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度看，大功率脈沖激光器，體積龐大、附屬部件眾多、移動(dòng)不便等缺點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，眾多因素的影響極大的限制了該儀器的使用范圍。近幾年來，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的突破，發(fā)光二極管LED（LightingEmittingDiode）發(fā)光效率在不斷提升，使單顆小功率LED輸出光能可達(dá)到120lm/w以上[6]。加之，LED的光譜范

緒論3在體積較大的問題也表現(xiàn)的很突出。為解決這一問題，本課題對用于氣溶膠探測雷達(dá)發(fā)射模塊的LED光源光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究。1.2LED光源1.2.1LED光源特點(diǎn)首先，LED即發(fā)光二極管通過固體載流子復(fù)合放出過剩能量而形成發(fā)光。具體而言即為給發(fā)光二極管施加正向電壓，使P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子，在PN結(jié)附進(jìn)行復(fù)合，進(jìn)行輻射發(fā)光，見圖1-3。其次，LED的寬光譜是由LED芯片本身和涂抹在芯片上的熒光物質(zhì)共同決定。產(chǎn)生光譜的原理如下，通過電流驅(qū)動(dòng)LED芯片本身產(chǎn)生某種單一波段的光，然后與熒光粉發(fā)生相互作用進(jìn)而產(chǎn)生不同波段的光，因此也就使得LED芯片能夠有較大的光譜范圍。圖1-3發(fā)光二極管發(fā)光原理Fig.1-3LEDlightemittingprinciple與傳統(tǒng)的光源，例如：鹵素?zé)簟谉霟舻认啾�，LED有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[8]：（1）發(fā)光效率高。LED燈光電轉(zhuǎn)換效率高，這使得其在能耗方面占優(yōu)勢。（2）光譜范圍寬。得益于熒光粉材料和半導(dǎo)體基底材料的不斷更新，LED的光譜范圍不斷的擴(kuò)展，覆蓋近紫外到近紅外。因此，很多新興領(lǐng)域也開始使用LED，如：水下探測，無線通訊領(lǐng)域。（3）綠色環(huán)保。以往采用的汞燈、日光燈都含有水銀，而LED是由磷化鎵（GAP）等無機(jī)化合物制成，對人體危害校由于采用環(huán)氧樹脂膠作為外殼，不易破碎，保護(hù)了裸芯片，加之可回收的特性，對環(huán)境造成的污染可控。同時(shí)，LED工作電流和電壓小，不需要大電壓強(qiáng)電流供電，確保了操作者的安全。雖然LED具備以上諸多的優(yōu)點(diǎn)，但不可否認(rèn)的是其缺點(diǎn)也很明顯[9]：（1）單顆LED輸出能量低。雖然單顆小功率LED可以把發(fā)光效率做到120lm/w甚至更高，但與傳統(tǒng)的高壓放電等相比，總的輸出能量還是偏低。如果要達(dá)到與上述光源有一致的照明效果，就必須采用多顆LED共同工作的方式來彌補(bǔ)單顆LED輸出能量有


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