这是一篇哈尔滨工业大学2012年 物理电子学工学博士的毕业论文。相干多普勒激光雷达是测量遥感风场和运动目标速度的有力工具。相干多普勒激光雷达的发射源普遍使用单纵模激光器，而锁模激光所具有的宽频谱、窄脉宽、高峰值功率等特性使其在作为相干激光雷达发射源方面具有潜在的应用价值。本文从理论上和实验上对基于锁模激光的相干多普勒激光雷达进行了研究。 理论上，在单频外差探测原理的基础上，考虑了具有 m+1 个模式、纵模间隔为 ω 的本振光，与发生了 Δω 频移的信号光相干拍频后的理论模型，证明了相位差恒定的锁模激光可以实现相干混频，并可以通过低通滤波或 FFT 频谱分析的方式检测出差频信号。利用这一理论模型进行了数值模拟计算，分析了信号光在不同的频移值时的拍频波形，讨论了实现相干探测本振光与信号光应满足的条件。 基于相干多普勒激光雷达系统对发射光源的要求，进行了锁模激光器的实验研究。通过使用不同的锁模器件得到锁模激光输出，其中主动锁模和调 Q 主动锁模都获得了单脉冲宽度在百皮秒量级、锁模深度 100%、锁模几率 95%以上的稳定的锁模脉冲序列输出。对被动锁模、主动锁模、调 Q 主动锁模的激光输出特性进行了对比研究，主动锁模脉冲序列包络时间较长但峰值功率较低，而调 Q 主动锁模峰值功率高但包络时间较短，不同类型的激光输出为后续的相干测速实验提供了多种选择。 利用声光移频器模拟外差探测中信号光发生的多普勒频移，进行了锁模激光拍频实验研究，并与单纵模激光拍频实验结果进行了比较。使用锁模激光在频移为 30 ~ 80 MHz 的范围内进行了拍频实验研究，拍频波形及信号处理的结果均与理论分析相符， 测量结果的相对误差在 0.5%以下。 分别使用脉宽为 10 ns和 16 ns 的调 Q 单纵模脉冲进行拍频，在信号光频移为 150 MHz 时测量结果的相对误差分别为 3.7%和 1.6%。对比实验结果发现，调 Q 单纵模脉冲由于有限的脉宽限制了拍频后包络的数量，导致误差相对较大，而锁模脉冲序列由于具有较长包络时间，在测量较低频移值时仍具有较高的精度，即测量低速目标时更具有优势。在具有较长包络时间的同时，锁模激光还具有高峰值功率和窄脉宽的特点。使用光纤耦合的方式进行了相干拍频实验，得到了稳定的相干拍频波形，FFT 频谱分析的结果与设定值和理论分析相符。
标签： 激光雷达
上传时间： 2022-02-12
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随着光通信的蓬勃发展，光纤通信技术广泛应用于电信、电力、广播等领域，对整个信息产业产生了深远影响，光纤已成为当前最有前景的传输媒介。与此同时，光纤測试技术在光纤生产、现场铺设与后期维护等工程领域中得到广泛应用。光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer），又称背向散射仪，是一种用于表征光纤链路物理特性的精密光学测试仪器，主要用于测试光纤链路长度，精确定位断点事件，计算光纤损耗，并提供与长度有关的衰减细节。光纤链路中待测光纤的测量长度范围和测量精度，取决于OTDR的激光出纤功率和光脉宽。因此，需要设计合适的激光脉冲驱动电源及配套的控制和探测系统，研究激光出纤功率和脉宽对测量长度和测量精度的影响，从而获得能满足不同光纤链路测量需求的OTDR系统解决方案。文章在具体描述了光时域反射仪的工作机理以及影响其主要性能的关键参数的基础上，提出以设计能提供大功率、窄脉冲电流信号的激光驱动电源作为提高OTDR性能的主要手段。在掌握半导体激光驱动原理的基础上，经过细致地比较与方案论证提出以 MOSFET作为激光脉冲驱动电源的开关器件，以能量储存法作为窄脉冲产生机制的脉冲电源设计方案，设计实现基于FPGA的触发脉冲信号，并通过 Multisim对系统硬件电路仿真优化，实现激光脉冲驱动大功率、窄脉宽输出。以雪崩二极管作为光电探测系统关键响应转换器件验证驱动电源性能，并完成光纤测距。最终成功研制出一套基于纳秒脉冲激光和对应光电探测系统的OTDR系统，并进行了实际测试测试和研究结果显示：所研制的脉冲激光电源能输出的最小脉宽为33n，最小输出峰值电流为1A，且峰值电流及频率大小可调。大电流窄脉宽驱动电源信号输出可极大地增强光时域反射仪的动态范围以及分辨率，探测器分时调控测量技术可以极大地提高系统的测量精度和信噪比。
上传时间： 2022-03-11
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作为一种全新的探测技术，激光雷达已广泛应用于大气、陆地、海洋探测、空中交会对接、侦察成像、化学试剂探测等领域。与传统雷达技术相比，激光雷达是一种通过发射特定波长的激光，处理并分析回波信号，实现目标探测的技术，具有高测量精度、精细的时间和空间分辨率，以及极大的探测距离等优点，目前已成为一种重要的探测手段。激光雷达探测系统需采用硬件电路实现系统的控制以及回波信号的处理、分析，从而实现目标距离、速度、姿态等参数的测量，因此研制高速、高精度、性能稳定、性价比高、保密性强的处理电路，对提升激光雷达探测系统的整体性能有着十分重要的意义。 激光雷达系统控制及信号处理电路有多种实现方案，传统的MCU实现方案较为普遍，但受线程的带宽限制，且难以提高系统的精度与复杂性；采用 FPGA、ARM或DSP实现信号处理架构，一定程度上提高了系统的带宽与复杂度，但成本较高，功耗较大，且开发周期较长。针对目前激光目标探测系统中，对系统控制复杂度，信号处理实时性，整体性能与功耗等要求，论文提出了一种基于 CPLD与MCU架构的电路改进方案。该方案采用高速并行的现场可编程PLD器件，完成相关电路的控制与回波信号的实时处理、分析；同时选用线程处理优势较强的MCU，实现相关信号的控制与高速串口的收发，完成PC软件终端的通信。 本文结合所提出的基于 CPLD与 MCU架构的硬件电路设计方案，选用了Altera的MAX II CPLD器件EPM240T100C5N，以及宏晶科技公司的增强型单片机STC12LE5A60S2，实现了激光雷达系统控制及信号处理等功能。文中详细介绍了实验系统的设备资源与硬件电路的模块化设计，完成了相关外设的驱动控制，并采用 CPLD与 MCU完成了回波信号的采集、处理与分析，最终通过与所设计PC软件终端的通信，实现与硬件电路板的实时数据上传。 目前板卡在100MHz主频下工作，可完成10kHz激光器的触发，并行实现回波信号的实时处理与分析，以及921600波特率下的高速串口通信。结合激光雷达实验系统，多次进行硬件电路的测试与实验，表明本文设计的激光雷达系统控制及信号处理硬件电路功能正常，性能稳定，且功耗低，保密性强，符合设计的需求，实验证明本文所提出方案的具有一定的可...
上传时间： 2022-05-28
上传用户：xsr1983
激光探测技术是激光技术的一个最重要的方面。激光由于具有高亮度和方向性、单色性好等特点，因此在国防和民用领域中正发挥着越来越重的作用。脉冲激光探测技术作为激光探测技术的一种方式，正在成为世界研究的热点。本文以激光雷达为研究背景，在通过增大接收系统口径提高回波信号信噪比的前提下，从理论和实验上研究了脉冲激光回波信号特性对探测性能的影响。在理论和设计方面，本文首先对几种激光探测技术进行深入的研究。对脉冲激光测距中回波信号进行分析，并建立信噪比测距方程，在此基础上，推导回波信号功率和系统噪声公式。定量分析了接收系统三种主要的噪声，并从接收系统出发，研究接收口径和接收视场对探测信噪比的影响，在设计上，采用大口径物镜以提高回波信号强度，采用雪崩光电二极管（APD）作为光电探测器件，通过干涉滤光片和视场光阑降低系统背景噪声以提高回波信号信噪比。前置放大电路采用跨导放大电路结构，有效地对APD所输出的微弱电流信号进行放大。在实验方面，通过大量的实验和实验数据，研究了回波信号幅值和测距误差以及测距不确定度的关系，发现回波信号幅值越大，系统的测距误差和测距不确定度越小。研究了脉冲激光回波信号的幅值和上升时间的统计分布。分析了测距系统带宽对于系统探测概率和漏测率的影响，发现过小的系统带宽会使系统探测特性发生恶化。最后，对信噪比和探测概率的关系做了实验研究。本文的研究对脉冲激光探测理论有一定的完善作用，对后续系统的研制和探测指标的改善有很好的参考价值。
上传时间： 2022-06-20
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压电器件
标签： 压电器件
上传时间： 2013-06-23
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激光测量系统
标签： 激光测量
上传时间： 2013-04-15
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激光基础知识
上传时间： 2013-07-18
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激光测量学
上传时间： 2013-04-15
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激光在工艺中的应用
上传时间： 2013-05-20
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相位式激光测距仪的改进设计
上传时间： 2013-05-28
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