大气激光探测电子模拟器及脉冲激光峰值保持器

论文摘要

大气激光探测是将脉冲激光发射到大气中,通过对回波信号的分析,探测大气成分、气溶胶分布、云、温度、湿度、压强和风等大气特征。大气激光雷达由激光发射部分、大气回波信号接收部分和数据处理部分组成。本论文首先介绍了一种可用于大气激光雷达软硬件调试的大气激光探测电子模拟器。模拟器研制之前,我们在调试激光雷达系统中的光电倍增管放大器、信号传输线、数据采集卡和数据处理软件等设备的时候,首先要调试好激光发射光路和接收光路,使用接收到的实际激光大气回波信号来调试上述设备和软件,在雨雪等天气条件下,不能得到激光大气回波信号,调试进度会受到影响,而且频繁的开关激光器会影响激光器的寿命。在研制出大气激光探测电子模拟器之后,我们使用电子模拟器来产生激光大气回波信号,这样上述几种设备的调试工作就可以在不依赖激光发射和接收的条件下进行;而且不受天气条件的影响。我们还可以利用电子模拟器模拟一些在日常探测种不易碰到的极端天气条件,来检测系统中软硬件设备的性能。使用模拟器产生的大气回波信号,气溶胶的厚度和高度,探测距离的远近,回波信号的强度都可以调节。论文的第二部分介绍了一种脉冲激光锁频时使用的可调节脉冲激光峰值保持器,峰值保持器解决了窄脉冲激光的锁频问题。脉冲激光的发射频率可以从10到10000Hz之间调节,单个脉冲的脉宽在20个纳秒左右,使用频率几十兆赫兹的数据采集卡难以采到如此短的脉冲峰值,而市场上的峰值保持器的上升时间要远大于激光脉冲的上升时间。对于重复频率在K量级以上的脉冲激光,利用光电二极管（photodiode）的响应时间长,光电转换之后,电压幅值下降慢的特点,可以探测到脉冲激光的峰值,但精度较低,当脉冲激光的重复频率在K量级以下,甚至是几十赫兹时,必须使用可调节脉冲激光峰值保持器,将20个纳秒的脉宽延伸到毫秒量级,使得数据采集卡能准确的采到激光脉冲峰值强度的变化,从而锁定发射激光的频率。与一般的峰值保持器相比,可调节脉冲激光峰值保持器的最大特点就是响应速度快,最快上升时间可以达到4个ns,而且具有可调节性,对于重复频率在10-10000Hz之间激光脉冲都适用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 激光雷达回波模拟器和峰值保持器的发展动态
• 1.1 国内外大气激光雷达的发展研究
• 1.2 大气激光探测电子模拟器和峰值保持器的研究现状
• 2 大气激光雷达相关理论和原理
• 2.1 Mie-Rayleigh散射激光雷达大气回波方程和高光谱激光雷达气溶胶反演原理
• 2.1.1 激光雷达大气回波方程
• 2.1.2 高光谱激光雷达气溶胶反演原理
• 2.2 碘分子滤波器锁频和鉴频原理
• 3 大气激光探测电子模拟器设计原理、电路构成和实验结果
• 3.1 才电子模拟器电路设计概述
• 3.2 频率输入和显示控制电路
• 3.2.1 电路硬件组成
• 3.2.2 单片机软件流程
• 3.3 大气消光系数和气溶胶后向散射系数调节电路
• 3.4 电子模拟器实验结果分析
• 4 可调节激光脉冲峰值保持器设计原理、电路构成和实验结果
• 4.1 PIN光电二极管的原理和特性
• 4.1.1 半导体二极管的原理和分类
• 4.1.2 PIN二极管的原理和特性
• 4.2 电流反馈型运算放大器AD812 的特点和充放电电容的选择
• 4.2.1 高速运算放大器的分类
• 4.2.2 电压反馈型（VFA）与电流反馈型运算放大器（CFA）的比较
• 4.2.3 电流反馈型运放AD812 的特点
• 4.2.4 峰值保持器充放电电容
• 4.3 峰值保持器电路结构和基本原理
• 4.3.1 电路基本结构
• 4.3.2 电路原理分析
• 4.4 可调节脉冲激光峰值保持器脉冲采集实验结果
• 5 总结与讨论
• 参考文献
• 致谢