机载海洋激光荧光雷达软硬件设计与飞行实验

论文题目: 机载海洋激光荧光雷达软硬件设计与飞行实验

论文类型: 硕士论文

论文专业: 计算机技术

作者: 张凯临

导师: 魏振钢

关键词: 机载海洋激光荧光雷达,软硬件设计,计算机工程

文献来源: 中国海洋大学

发表年度: 2005

论文摘要: 机载海洋激光荧光雷达是遥感领域的一项前沿技术,具有高效、实时、测量准确等优点。随着激光雷达技术的完善和它日益广阔的应用前景,2001年,中国海洋大学海洋遥感研究所承担了国家863资源与环境技术领域的“机载海洋激光雷达海洋环境监测技术”课题,开始研制用于测量海表层叶绿素浓度的机载海洋激光荧光雷达。2003年11月,机载海洋激光荧光雷达系统安装在国家海洋局北海分局的中国海监B-3807飞机上,成功的进行了首次飞行实验。 本论文围绕此课题展开讨论,分为四部分:第一部分为基本原理与发展综述,介绍了机载海洋激光雷达的基本测量原理、应用、国内外海洋激光雷达的发展、现状以及未来的发展趋势;第二部分为机载海洋激光荧光雷达系统硬件设计与实现;第三部分为海洋激光荧光雷达系统软件设计与实现;第四部分为实验以及实验结果的分析和讨论,最后是总结。 第一部分首先简述海洋激光雷达测量海表层叶绿素a浓度的原理,然后介绍了机载海洋激光雷达在浅海地形测量、海洋生态环境监测和海色卫星印证领域的应用,最后介绍国内外海洋激光雷达的发展和现状,国外发达国家的机载海洋激光雷达已经比较成熟,然而国内的机载系统还刚起步,相对于海洋环境监测的需求,必须加快发展。而且依据国内海洋激光雷达的现状,总结了海洋激光雷达的发展趋势。 第二部分介绍了运用计算机工程学的原理,进行海洋激光雷达系统的硬件设计和机械结构设计。系统硬件包括激光发射、荧光和喇曼接收、分光系统、光电转换和数据采集处理五大部分,系统使用355nm紫外激光作为激发光源,提高叶绿素a荧光的激发效率,同时分析了激光的人眼安全参数,保证在飞行高度高于150米时,激光对于海面的人眼是安全的;信号接收部分采用光纤作为信号传输方式,望远镜接收的信号经过光纤耦合透镜进入光纤。分析了望远镜接收视场参数,并确定了光纤耦合透镜的参数。然后分析接收视场和激光束的重叠区域受飞机飞行高度的影响,确定了望远镜和激光器的间距。分光系统采用改造的光纤光谱仪,依据对不同波长光学效率的分析选择适合的光栅,分析光谱仪内部光路,确定光谱分辨率,然后根据荧光和喇曼的带宽确定通道狭缝的实际宽度。在荧光和喇曼通道采用干涉滤光片,有效的抑制了背景光和激光的海面反射和水体回向散射光。光电转换采用光电倍增管,该倍增管具有高灵敏度和低噪声,数据采集利用40MHz采样卡完成。机械结构介绍了系统在飞机上的布放、激光雷达头部和

论文目录:

0 前言

1 海洋激光雷达基本原理与发展综述

1．1 海洋激光雷达基本原理

1．1．1 海洋探测的激光雷达方程

1．1．2 海洋激光荧光雷达原理

1．1．3 机载海洋激光荧光雷达接收信号的分析

1．2 机载海洋激光雷达的应用

1．3 海洋激光雷达的发展历史

1．3．1 国外海洋激光雷达的发展

1．3．2 国内海洋激光雷达的发展

1．4 海洋激光雷达发展趋势

2 机载海洋激光雷达的硬件设计

2．1 从计算机工程学的角度进行系统设计

2．2 机载激光雷达主要设计思路

2．3 机载海洋激光雷达的器件选择

2．3．1 激光发射系统

2．3．2 采用光纤的光学接收系统

2．3．3 分光系统

2．3．4 光电转换系统

2．3．5 数据采集和处理系统

2．3．6 供电系统

2．3．7 减震系统与设备外壳

2．4 机载海洋激光雷达的安装调试

2．5 系统进一步改进的方案

2．5．1 激光器的升级方案

2．5．2 光谱仪和分光部分的改进思路

2．5．3 多通道光电倍增管的选择

2．5．4 A/D采集卡升级方案

2．5．5 笔记本电脑USB采集方案设计

3 海洋激光雷达的软件设计

3．1 软件工程的定义与软件工程项目的基本目标

3．2 海洋激光雷达的系统分析

3．3 软件系统流程

3．4 相关算法与数据处理方法

3．4．1 衰减系数反演

3．4．2 太阳背景辐射的影响

3．4．3 喇曼矫正

3．5 软件人机界面

4 初步实验结果

4．1 系统测试结果

4．1．1 荧光和喇曼信号的波长和带宽

4．1．2 叶绿素a浓度和荧光强度的关系

4．1．3 激光波长355nm和532nm荧光效率的比较

4．2 激光雷达出海实验

4．2．1 2003年6月海边实验结果

4．2．2 2003年8月高空模拟机载的实验结果

4．2．3 机载实验结果

4．3 叶绿素浓度测量实验

4．3．1 实验室测量结果

4．3．2 岸边叶绿素浓度同步实验

5 总结与讨论

5．1 本人所承担的工作

5．2 结束语

参考文献

发布时间: 2005-10-26

参考文献

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