這是一篇哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012年 物理電子學(xué)工學(xué)博士的畢業(yè)論文。相干多普勒激光雷達(dá)是測量遙感風(fēng)場和運動目標(biāo)速度的有力工具。相干多普勒激光雷達(dá)的發(fā)射源普遍使用單縱模激光器，而鎖模激光所具有的寬頻譜、窄脈寬、高峰值功率等特性使其在作為相干激光雷達(dá)發(fā)射源方面具有潛在的應(yīng)用價值。本文從理論上和實驗上對基于鎖模激光的相干多普勒激光雷達(dá)進行了研究。 理論上，在單頻外差探測原理的基礎(chǔ)上，考慮了具有 m+1 個模式、縱模間隔為 ω 的本振光，與發(fā)生了 Δω 頻移的信號光相干拍頻后的理論模型，證明了相位差恒定的鎖模激光可以實現(xiàn)相干混頻，并可以通過低通濾波或 FFT 頻譜分析的方式檢測出差頻信號。利用這一理論模型進行了數(shù)值模擬計算，分析了信號光在不同的頻移值時的拍頻波形，討論了實現(xiàn)相干探測本振光與信號光應(yīng)滿足的條件。 基于相干多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)對發(fā)射光源的要求，進行了鎖模激光器的實驗研究。通過使用不同的鎖模器件得到鎖模激光輸出，其中主動鎖模和調(diào) Q 主動鎖模都獲得了單脈沖寬度在百皮秒量級、鎖模深度 100%、鎖模幾率 95%以上的穩(wěn)定的鎖模脈沖序列輸出。對被動鎖模、主動鎖模、調(diào) Q 主動鎖模的激光輸出特性進行了對比研究，主動鎖模脈沖序列包絡(luò)時間較長但峰值功率較低，而調(diào) Q 主動鎖模峰值功率高但包絡(luò)時間較短，不同類型的激光輸出為后續(xù)的相干測速實驗提供了多種選擇。 利用聲光移頻器模擬外差探測中信號光發(fā)生的多普勒頻移，進行了鎖模激光拍頻實驗研究，并與單縱模激光拍頻實驗結(jié)果進行了比較。使用鎖模激光在頻移為 30 ~ 80 MHz 的范圍內(nèi)進行了拍頻實驗研究，拍頻波形及信號處理的結(jié)果均與理論分析相符， 測量結(jié)果的相對誤差在 0.5%以下。 分別使用脈寬為 10 ns和 16 ns 的調(diào) Q 單縱模脈沖進行拍頻，在信號光頻移為 150 MHz 時測量結(jié)果的相對誤差分別為 3.7%和 1.6%。對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，調(diào) Q 單縱模脈沖由于有限的脈寬限制了拍頻后包絡(luò)的數(shù)量，導(dǎo)致誤差相對較大，而鎖模脈沖序列由于具有較長包絡(luò)時間，在測量較低頻移值時仍具有較高的精度，即測量低速目標(biāo)時更具有優(yōu)勢。在具有較長包絡(luò)時間的同時，鎖模激光還具有高峰值功率和窄脈寬的特點。使用光纖耦合的方式進行了相干拍頻實驗，得到了穩(wěn)定的相干拍頻波形，F(xiàn)FT 頻譜分析的結(jié)果與設(shè)定值和理論分析相符。
標(biāo)簽： 激光雷達(dá)
上傳時間： 2022-02-12
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隨著光通信的蓬勃發(fā)展，光纖通信技術(shù)廣泛應(yīng)用于電信、電力、廣播等領(lǐng)域，對整個信息產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，光纖已成為當(dāng)前最有前景的傳輸媒介。與此同時，光纖測試技術(shù)在光纖生產(chǎn)、現(xiàn)場鋪設(shè)與后期維護等工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。光時域反射儀（Optical Time Domain Reflectometer），又稱背向散射儀，是一種用于表征光纖鏈路物理特性的精密光學(xué)測試儀器，主要用于測試光纖鏈路長度，精確定位斷點事件，計算光纖損耗，并提供與長度有關(guān)的衰減細(xì)節(jié)。光纖鏈路中待測光纖的測量長度范圍和測量精度，取決于OTDR的激光出纖功率和光脈寬。因此，需要設(shè)計合適的激光脈沖驅(qū)動電源及配套的控制和探測系統(tǒng)，研究激光出纖功率和脈寬對測量長度和測量精度的影響，從而獲得能滿足不同光纖鏈路測量需求的OTDR系統(tǒng)解決方案。文章在具體描述了光時域反射儀的工作機理以及影響其主要性能的關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出以設(shè)計能提供大功率、窄脈沖電流信號的激光驅(qū)動電源作為提高OTDR性能的主要手段。在掌握半導(dǎo)體激光驅(qū)動原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過細(xì)致地比較與方案論證提出以 MOSFET作為激光脈沖驅(qū)動電源的開關(guān)器件，以能量儲存法作為窄脈沖產(chǎn)生機制的脈沖電源設(shè)計方案，設(shè)計實現(xiàn)基于FPGA的觸發(fā)脈沖信號，并通過 Multisim對系統(tǒng)硬件電路仿真優(yōu)化，實現(xiàn)激光脈沖驅(qū)動大功率、窄脈寬輸出。以雪崩二極管作為光電探測系統(tǒng)關(guān)鍵響應(yīng)轉(zhuǎn)換器件驗證驅(qū)動電源性能，并完成光纖測距。最終成功研制出一套基于納秒脈沖激光和對應(yīng)光電探測系統(tǒng)的OTDR系統(tǒng)，并進行了實際測試測試和研究結(jié)果顯示：所研制的脈沖激光電源能輸出的最小脈寬為33n，最小輸出峰值電流為1A，且峰值電流及頻率大小可調(diào)。大電流窄脈寬驅(qū)動電源信號輸出可極大地增強光時域反射儀的動態(tài)范圍以及分辨率，探測器分時調(diào)控測量技術(shù)可以極大地提高系統(tǒng)的測量精度和信噪比。
上傳時間： 2022-03-11
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作為一種全新的探測技術(shù)，激光雷達(dá)已廣泛應(yīng)用于大氣、陸地、海洋探測、空中交會對接、偵察成像、化學(xué)試劑探測等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)相比，激光雷達(dá)是一種通過發(fā)射特定波長的激光，處理并分析回波信號，實現(xiàn)目標(biāo)探測的技術(shù)，具有高測量精度、精細(xì)的時間和空間分辨率，以及極大的探測距離等優(yōu)點，目前已成為一種重要的探測手段。激光雷達(dá)探測系統(tǒng)需采用硬件電路實現(xiàn)系統(tǒng)的控制以及回波信號的處理、分析，從而實現(xiàn)目標(biāo)距離、速度、姿態(tài)等參數(shù)的測量，因此研制高速、高精度、性能穩(wěn)定、性價比高、保密性強的處理電路，對提升激光雷達(dá)探測系統(tǒng)的整體性能有著十分重要的意義。 激光雷達(dá)系統(tǒng)控制及信號處理電路有多種實現(xiàn)方案，傳統(tǒng)的MCU實現(xiàn)方案較為普遍，但受線程的帶寬限制，且難以提高系統(tǒng)的精度與復(fù)雜性；采用 FPGA、ARM或DSP實現(xiàn)信號處理架構(gòu)，一定程度上提高了系統(tǒng)的帶寬與復(fù)雜度，但成本較高，功耗較大，且開發(fā)周期較長。針對目前激光目標(biāo)探測系統(tǒng)中，對系統(tǒng)控制復(fù)雜度，信號處理實時性，整體性能與功耗等要求，論文提出了一種基于 CPLD與MCU架構(gòu)的電路改進方案。該方案采用高速并行的現(xiàn)場可編程PLD器件，完成相關(guān)電路的控制與回波信號的實時處理、分析；同時選用線程處理優(yōu)勢較強的MCU，實現(xiàn)相關(guān)信號的控制與高速串口的收發(fā)，完成PC軟件終端的通信。 本文結(jié)合所提出的基于 CPLD與 MCU架構(gòu)的硬件電路設(shè)計方案，選用了Altera的MAX II CPLD器件EPM240T100C5N，以及宏晶科技公司的增強型單片機STC12LE5A60S2，實現(xiàn)了激光雷達(dá)系統(tǒng)控制及信號處理等功能。文中詳細(xì)介紹了實驗系統(tǒng)的設(shè)備資源與硬件電路的模塊化設(shè)計，完成了相關(guān)外設(shè)的驅(qū)動控制，并采用 CPLD與 MCU完成了回波信號的采集、處理與分析，最終通過與所設(shè)計PC軟件終端的通信，實現(xiàn)與硬件電路板的實時數(shù)據(jù)上傳。 目前板卡在100MHz主頻下工作，可完成10kHz激光器的觸發(fā)，并行實現(xiàn)回波信號的實時處理與分析，以及921600波特率下的高速串口通信。結(jié)合激光雷達(dá)實驗系統(tǒng)，多次進行硬件電路的測試與實驗，表明本文設(shè)計的激光雷達(dá)系統(tǒng)控制及信號處理硬件電路功能正常，性能穩(wěn)定，且功耗低，保密性強，符合設(shè)計的需求，實驗證明本文所提出方案的具有一定的可...
上傳時間： 2022-05-28
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激光探測技術(shù)是激光技術(shù)的一個最重要的方面。激光由于具有高亮度和方向性、單色性好等特點，因此在國防和民用領(lǐng)域中正發(fā)揮著越來越重的作用。脈沖激光探測技術(shù)作為激光探測技術(shù)的一種方式，正在成為世界研究的熱點。本文以激光雷達(dá)為研究背景，在通過增大接收系統(tǒng)口徑提高回波信號信噪比的前提下，從理論和實驗上研究了脈沖激光回波信號特性對探測性能的影響。在理論和設(shè)計方面，本文首先對幾種激光探測技術(shù)進行深入的研究。對脈沖激光測距中回波信號進行分析，并建立信噪比測距方程，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)回波信號功率和系統(tǒng)噪聲公式。定量分析了接收系統(tǒng)三種主要的噪聲，并從接收系統(tǒng)出發(fā)，研究接收口徑和接收視場對探測信噪比的影響，在設(shè)計上，采用大口徑物鏡以提高回波信號強度，采用雪崩光電二極管（APD）作為光電探測器件，通過干涉濾光片和視場光闌降低系統(tǒng)背景噪聲以提高回波信號信噪比。前置放大電路采用跨導(dǎo)放大電路結(jié)構(gòu)，有效地對APD所輸出的微弱電流信號進行放大。在實驗方面，通過大量的實驗和實驗數(shù)據(jù)，研究了回波信號幅值和測距誤差以及測距不確定度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)回波信號幅值越大，系統(tǒng)的測距誤差和測距不確定度越小。研究了脈沖激光回波信號的幅值和上升時間的統(tǒng)計分布。分析了測距系統(tǒng)帶寬對于系統(tǒng)探測概率和漏測率的影響，發(fā)現(xiàn)過小的系統(tǒng)帶寬會使系統(tǒng)探測特性發(fā)生惡化。最后，對信噪比和探測概率的關(guān)系做了實驗研究。本文的研究對脈沖激光探測理論有一定的完善作用，對后續(xù)系統(tǒng)的研制和探測指標(biāo)的改善有很好的參考價值。
上傳時間： 2022-06-20
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壓電器件
標(biāo)簽： 壓電器件
上傳時間： 2013-06-23
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激光測量系統(tǒng)
標(biāo)簽： 激光測量
上傳時間： 2013-04-15
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激光基礎(chǔ)知識
上傳時間： 2013-07-18
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激光測量學(xué)
上傳時間： 2013-04-15
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激光在工藝中的應(yīng)用
標(biāo)簽： 激光 工藝 中的應(yīng)用
上傳時間： 2013-05-20
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相位式激光測距儀的改進設(shè)計
上傳時間： 2013-05-28
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