【摘要】：社會(huì)科學(xué)的不斷發(fā)展推動(dòng)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(dá)利用激光與大氣顆粒的相互作用散射回來的信號(hào)作為大氣參量的載體,以及其高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍的特性被廣泛應(yīng)用于大氣探測(cè)中。光電探測(cè)系統(tǒng)是激光雷達(dá)進(jìn)行大氣探測(cè)的重要環(huán)節(jié),其研究與開發(fā)對(duì)激光雷達(dá)的大力推廣具有重要研究意義。本論文針對(duì)目前激光雷達(dá)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(dá)光電探測(cè)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)。主要進(jìn)行了以下幾方面的工作:1、針對(duì)目前激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的信號(hào)探測(cè)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(hào)探測(cè)需求,基于此設(shè)計(jì)構(gòu)建了激光雷達(dá)光電探測(cè)及應(yīng)用軟件框架。2、針對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)的初步處理,將其劃分為信號(hào)探測(cè)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(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為提供給數(shù)據(jù)采集模塊的電信號(hào),其中光電轉(zhuǎn)換模塊的信號(hào)放大約106～107量級(jí),信號(hào)放大模塊約103～105量級(jí);后者將信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后提供給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,可以實(shí)現(xiàn)多通道同時(shí)并行采集且每通道采樣率高達(dá)40MS/s,且不存在數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。3、針對(duì)激光雷達(dá)光電探測(cè)系統(tǒng)開發(fā)了一套專有的應(yīng)用軟件,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了 PXI采集卡硬件底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫以及軟件控制界面繪制。與一般激光雷達(dá)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(jī)軟件控制中,解放了激光器控制面板,實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)系統(tǒng)集中化控制思想,并初步實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)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(cè)與調(diào)試,開發(fā)的樣機(jī)已應(yīng)用于激光雷達(dá)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)低空大氣實(shí)時(shí)有效的長(zhǎng)期持續(xù)觀測(cè),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(jì)任務(wù)并具有普遍的應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

(a) 光子計(jì)數(shù)器 (b) 高速示波器圖 1-1 激光雷達(dá)探測(cè)方式Fig. 1-1 Detection methods of the lidar大氣探測(cè)中常常需要探測(cè)大氣參量垂直方向上十幾公里的時(shí)空分布，具有回波信號(hào)的態(tài)范圍特性，同時(shí)，多參量和長(zhǎng)時(shí)間探測(cè)使得激光雷達(dá)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(hào)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(gè)激光雷達(dá)大氣探測(cè)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(dá)探測(cè)系統(tǒng)整體性能有著巨大的提升作用。目前，激光雷達(dá)的模數(shù)轉(zhuǎn)換探測(cè)主要由兩種手段來實(shí)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(dá)大動(dòng)態(tài)范圍集特點(diǎn)，并且高速示波器產(chǎn)品相對(duì)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(jià)格昂貴，只適用于資金雄厚的實(shí)驗(yàn)室使用，不利于激光雷達(dá)回波探測(cè)系統(tǒng)朝小、集成化、產(chǎn)品化發(fā)展。為了推動(dòng)激光雷達(dá)行業(yè)的發(fā)展，，科研人員開始針對(duì)特定的激光探測(cè)系統(tǒng)開發(fā)其專有的回波信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)[11]。針對(duì)激光雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)的采集需求選擇合適的采集

圖 2-1 激光雷達(dá)探測(cè)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(hào)通過光強(qiáng)解調(diào)18]。在激光雷達(dá)系統(tǒng)中由于要進(jìn)行多參量的探測(cè)，回波信所需要的信號(hào)再進(jìn)入探測(cè)器中，分光系統(tǒng)由分光片與濾光 5%的信號(hào)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(dá)到 1nW，所以一般光電探測(cè)器件帶方與電流信號(hào)成比例，光電探測(cè)器的輸出電流 i 為：2i E換因子，E 為光電探測(cè)器接收到的回波光信號(hào)強(qiáng)度電場(chǎng)分回波信號(hào)強(qiáng)度電場(chǎng)分量的振動(dòng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP311.52;TN958.98

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本文編號(hào)：2708529