【摘要】：云作為天氣和大氣狀況的重要表現(xiàn)形式,其研究意義尤為重要。激光云高儀是測量云層高度及反映其狀態(tài)的重要工具。目前,云高儀的設(shè)計絕大多數(shù)是參照雷達(dá)技術(shù),由雷達(dá)技術(shù)所設(shè)計的云高儀,其機(jī)械和電路的組成結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,而且價格昂貴。本文針對以上情況,根據(jù)脈沖法測量原理,采用小功率激光器和PIN探測器設(shè)計了一種基于FPGA的高速信號采集處理系統(tǒng),構(gòu)建便攜式激光云高儀系統(tǒng)。本文設(shè)計的便攜式激光云高儀系統(tǒng)由905nm功率激光發(fā)射器發(fā)射高頻單脈沖,經(jīng)云層反射后由PIN探測器獲取該后向反射信號,然后基于CycloneⅣ FPGA定制了 ADC控制接口并配合系統(tǒng)時序完成高速數(shù)據(jù)采集存儲與處理,最后計算得出云底高度并上傳數(shù)據(jù)。本論文設(shè)計了激光發(fā)射電路、PIN光電探測及調(diào)理電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及FPGA控制處理系統(tǒng)。其中利用CycloneⅣ FPGA定制了激光發(fā)射電路控制接口、數(shù)據(jù)采集控制接口、12864顯示控制接口,并集成了 NIOS Ⅱ處理器IP、MAX232接口 IP。數(shù)據(jù)處理部分將采集到的數(shù)據(jù)依據(jù)曲率分段后,利用C語言編程實現(xiàn)了快速小波除噪的算法,并將結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析,實現(xiàn)了云高的檢測。實驗表明:本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速采集,其系統(tǒng)集成度高,抗干擾能力強(qiáng);本文設(shè)計的激光云高儀系統(tǒng)在實驗中能夠良好地接收激光反射信號,經(jīng)調(diào)試后能夠?qū)崿F(xiàn)對云底高度的測量,且測量結(jié)果一致性較好。
【圖文】：

氣狀況、氣候狀況、環(huán)境狀況等。如何準(zhǔn)確地測量云層高度，對上述領(lǐng)域尤為逡逑重要。因此，測量云底的高度（距離）是本文研究的重點。逡逑目前對云層距離的測量多采用目測法、衛(wèi)星法、毫米波雷達(dá)法［５］（如圖１－１，逡逑圖１－２）等。目測法是選取一個參照目標(biāo)并采用人眼對云層距離進(jìn)行估算，顯然逡逑這個測量方法精度不夠準(zhǔn)確；衛(wèi)星法是通過遙感衛(wèi)星［６］拍攝的云層圖像分析對逡逑比得出云層信息，該方法不僅需要火箭發(fā)送衛(wèi)星，成本高，而且從遙感圖像得逡逑出的信息精度不夠；毫米波雷達(dá)［７］通過發(fā)射波長介于１？１０ｍｍ之間的電磁波，，逡逑通過大氣反射回波得到云層信息，該方法雖然精度較好，但是設(shè)備成本高昂。逡逑大氣激光探測是在原有的雷達(dá)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的新的激光雷達(dá)技術(shù)。激光逡逑云高儀利用激光方向性好、相干性強(qiáng)、單色性好以及高亮度等突出特點，體現(xiàn)逡逑出很高的探測精度和分辨率，基于不同波長激光對不同物質(zhì)吸收、散射率不同逡逑的特性，可以對反射目標(biāo)物質(zhì)的特性進(jìn)行分析。正是由于激光在這些方面的突逡逑出優(yōu)點

Ｌ邐ｒｉ逡逑圖１－３云高儀ＣＳ１３５邐圖１－４邋Ｖａｉｓａｌａ公司的云高儀逡逑國內(nèi)激光器的發(fā)展相對于國外晚十年。我國于１９７２年成功的研制出了邋ＪＣＹ－１逡逑型精密氣體激光測距機(jī)；次年，推出了邋ＪＣＹ－２型精密氣體激光測距機(jī)。１９９６年，逡逑上海光機(jī)所成功研制出了便攜式半導(dǎo)體激光測距機(jī)，測距精度為３ｍ。緊接著幾逡逑年里，體積小、精度高的便攜式測距機(jī)成為研宄的主題。１９９９年，為提高測量逡逑精度，詳細(xì)地判別了誤差來源，認(rèn)為測距的誤差主要是由于受到接收系統(tǒng)響應(yīng)逡逑時間和自量化時鐘的頻率穩(wěn)定度以及脈寬的影響。２００５年，清華大學(xué)趙大龍、逡逑秦來貴等研宄員對激光測距儀接收光信號靈敏度等問題做了初步分析，并提出逡逑了自觸發(fā)測量距離的解決方案，以減少測量誤差。２００７年，中國科學(xué)院上海物逡逑理研究所采用了專用時間間隔測量芯片ＴＤＣ－ＧＰＩ
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TH765.6;TN791

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2526267