一套测量对流层臭氧的差分吸收激光雷达系统

差分吸收激光雷达是探测对流层臭氧分布的一种先进工具。研制了一套车载差分激光雷达系统,系统基于NdYAG四倍频激光和拉曼频移技术产生紫外差分光源,并采用卡塞格林(Cassegrain)型望远镜,利用光栅光谱仪分离四波长的回波信号,使用光子计数和模拟采集相融合的方式采集数据。讨论分析了系统的测量精度并与臭氧探空仪进行了对比验证实验。实验结果表明,两台仪器测量的对流层臭氧具有很好的一致性,证实了车载差分吸收激光雷达系统及臭氧浓度分析软件的可靠性。     

光子计数激光雷达时间-数字转换系统

时间测量系统在激光雷达中主要用于激光脉冲飞行时间的测量,其性能直接影响着激光雷达的各项指标.基于FPGA设计了一种应用于光子计数激光雷达的时间-数字转换(Time-to-Digital Converter,TDC)系统,利用延迟线内插在FPGA内部实现了高精度的时间测量,通过实验分析,研究了TDC系统的性能及其应用于光子计数激光雷达后的效果.实验结果表明,TDC系统的时间分辨率达到29 ps,测时精度37 ps,能够实现9通道的高精度事件计时功能,用于光子计数激光雷达后,整个激光雷达系统的测时精度为421 ps,达到6.3 cm的距离测量精度,能够实现高精度高分辨率的激光三维成像.     

基于转动拉曼测温激光雷达数据采集系统的阈值校正和延时补偿技术

针对转动拉曼测温激光雷达数据采集系统中光子计数卡各通道阈值及延时之间的误差,结合光子计数卡的工作原理以及方波信号幅值电压的波动性,构建阈值测量系统,以方波信号作为通道的输入,通过调整阈值电压设定值,使计数值达到最大的方法对通道的阈值误差进行了测量,并对其进行了曲线拟合。构建延时测量系统,测量各通道之间的延时差,并提出了对其进行补偿的方案。对阈值误差测量数据及拟合结果进行了分析,分析结果表明通过拟合曲线对各通道阈值电压进行设定,可更快地设置所要求的阈值电压。对延时差的补偿可以使温度分布廓线定位精度提高约10m。     

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5 cm,标准差为3.6 cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。     

微脉冲激光雷达A/D卡同步触发的设计与实现

在微脉冲激光雷达对能见度的测量系统中，常采用光子计数和模／数(A／D)转换两种处理方法进行对比测量，但微脉冲激光器没有Q开关，不能输出与激光脉冲同步的信号，来触发A／D卡采集大气会波信号．本文以高频管和高速单稳触发电路解决了该问题，使整形后的TTL信号的触发沿(上升沿)与激光脉冲的延时相盖50ns，可将测量系统的盲区控制在10m以内．     

激光偏振技术压缩激光雷达信号动态范围

为了解决激光雷达信号的大动态范围引起远距离弱信号的失真问题,采用通过压缩信号的动态范围的方法,设计了一个利用电压调制系统透过率进而压缩激光雷达信号动态范围的方案。计算表明,系统最小透过率为4.05×10-5,可以压缩信号的动态范围达到4个数量级。利用激光雷达后向散射信号的两个方向偏振光,避免了时控光衰减器只透过一个方向偏振光的弊端。研究结果为压缩激光雷达信号动态范围提供了有价值的新方法。     

瑞利测风激光雷达接收机校准

介绍了直接探测瑞利测风激光雷达工作及风速反演的原理,说明了激光雷达接收机的内部结构及工作情况。为修正雷达接收机中分光片分束比、单光子计数器探测率等参数与设计值的偏差所导致的风速测量误差,提出了随光强变化比较两信号通道的计数值的接收机校准方案。实验测得了校准系数随信号通道信号强度的变化关系。在弱光下该系统两信号通道性能差异小于25%。在当前系统的标准具透过率条件和对称的风场扫描合成方式下,接收机校准只对系统透过率曲线和径向风速的测量有较大影响,对合成风场没有影响。     

激光偏振技术压缩激光雷达信号动态范围

为了解决激光雷达信号的大动态范围引起远距离弱信号的失真问题,采用通过压缩信号的动态范围的方法,设计了一个利用电压调制系统透过率进而压缩激光雷达信号动态范围的方案.计算表明,系统最小透过率为4.05×10-5,可以压缩信号的动态范围达到4个数量级.利用激光雷达后向散射信号的两个方向偏振光,避免了时控光衰减器只透过一个方向偏振光的弊端.研究结果为压缩激光雷达信号动态范围提供了有价值的新方法.     

基于虚拟仪器的三极管伏安特性测量的研究

本文利用虚拟仪器技术进行了三极管伏安特性测试系统的研究设计。硬件平台选用NI公司的PCI-6251数据采集卡,实现信号的产生与采集;软件设计利用NI LabVIEW8.2开发平台完成。整个测试系统能方便完成三极管测试电路各节点电压信号的采集和通道控制,采集数据的精确处理,以及测试结果的显示和保存。最后利用测试系统对三极管伏安特性进行了测量,实验结果表明所研制的测试系统达到了设计要求,测试精度高,操作灵活方便,且扩展性强。     

可用于激光雷达的量子光学技术

为了研究量子关联测量和Hong-Ou-Mandel干涉测量在激光雷达探测上的潜在应用,采用基于色散位移光纤制备关联双光子源的方法和全同光子的Hong-Ou-Mandel干涉原理,搭建了关联双光子产生平台和Hong-Ou-Mandel干涉平台,进行了理论分析和实验检测。结果表明,制备出的关联双光子源,其双光子产生率最高约8kHz,符合/偶然符合计数比最大值约为15,验证了双光子源的量子关联特性;测试了两路弱相干-单光子源的Hong-Ou-Mandel干涉,干涉可见度为0.41±0.01,若将一路光子信号作为激光雷达的回波信号,Hong-Ou-Mandel干涉测量可以将激光雷达的时间测量精度提升到0.95ps±0.03ps,对应空间分辨率为284.06μm±9.94μm。相关实验结果为后续研究不同体制的量子光学-激光雷达技术奠定了基础。     

高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验

为了验证星载激光三维成像雷达技术,设计研制了一种基于高重频光子计数体制的分视场、无扫描的多通道激光雷达地面原理样机。系统采用两路高重频、微脉冲激光器输出,结合大光斑多元细分阵列光子探测方式实现多通道探测,并采取基于FPGA的时间相关符合计数信号处理技术,对单光子响应时刻进行时间间隔测量和时间相关统计,根据目标响应发生时机一致性和噪声响应的随机性提取目标距离信息。在外场试验中对水平距离大于10 km的楼宇目标进行了有效地测量,单通道的距离测量精度优于0.3 m,探测概率超过99%,并对比不同大气能见度下对测距的影响。该系统验证了星载激光雷达大光斑多元细分、光纤拼接焦面接收方案的可能性,并验证光子计数体制激光雷达测距精度及适应性。     

基于LabVIEW大气激光雷达数据采集与可视化软件的设计

介绍了基于LabVIEW编程语言开发的米散射大气激光雷达数据采集与可视化软件。设计中利用LabVIEW调用光子计数卡（MSA300）的动态链接库,实现了激光雷达软件对大气回波数据的实时采集与显示,根据Fernald方法即时处理回波信号并显示消光系数与回波强度时间高度显示图（THI）。软件采集的数据直接转换并保存为ASCII码文本格式,便于数据的后期处理与分析。初步实验效果表明,软件能够对大气回波信号、消光系数与THI图进行实时可视化显示,便于直观了解大气激光雷达连续探测的大气气溶胶和云时空变化信息。实验表明,软件具有良好的实时性与准确性。     

面向吲哚菁绿药代动力学成像的动态实验系统

为实现小动物吲哚菁绿(ICG)药代动力学成像,设计了一套高灵敏度扩散荧光层析成像系统。该系统采用了基于离散光纤耦合光子计数采集的仿计算机断层成像扫描方式,在保障高灵敏度和大动态范围测量的前提下,可有效提高系统的空间采样分辨率;同时采用了基于光开关切换四通道串-并混和的测量模式,兼顾了测量时间分辨率和系统性价比之间的平衡。为验证实验系统的有效性,设计了可模拟小动物体内ICG代谢规律的动态仿体,并结合实验室开发的荧光剂药代动力学直接重建算法,实现了ICG代谢速率的重建。实验结果表明,该系统具有较高的空间分辨率、灵敏度和量化性。     

基于SiC APD的日盲紫外单光子计数读出电路设计与应用

针对宽禁带半导体SiC APD紫外单光子探测器,本文提出了一种1×8线阵型单光子计数读出电路.根据光强条件并通过合适的时序控制,可选取固定门控或互补门控探测方式,实现宽动态范围紫外光子信号的探测计数.读出电路采用TSMC 0.18μm CMOS工艺制备,测试结果表明,读出电路具备单光子探测功能,性能与仿真分析预期结果吻合.最终,借助微动系统二维转台完成对日盲紫外单波长光子的探测与成像,实现对多个独立紫外光源的准确区分与目标定位.     

不同鉴别阈值条件下SiPM光子计数激光雷达探测模型及性能分析

硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier, SiPM）具有极高的探测灵敏度和响应速度,且在多光子条件下具有较高的动态范围以及线性响应的特性,在光子计数激光雷达应用中有独特的优势。然而,由于SiPM多像元、单时间通道的工作模式,其输出电压信号相较于其他单光子探测器更大概率出现脉冲堆叠现象,不同鉴别阈值条件下的SiPM探测过程更为复杂。针对该问题,本文建立了SiPM光子事件响应模型,以此为基础分析了由脉冲堆叠引发的屏蔽效应和触发效应两种特殊情况的时域分布,最终建立了SiPM半解析的探测概率与虚警概率模型。同时,搭建了基于SiPM探测器的光子计数雷达系统,通过观察实测输出电压波形以及光子点云分布与理论模型相符（R²>0.95）。通过查全率与查准率对不同鉴别阈值的SiPM光子点云分布进行定量评价,并给出最优鉴别阈值区间,这对基于SiPM的光子计数激光雷达系统硬件参数的优化设计以及探测性能的定量分析具有重要的指导意义。     

影响激光雷达测量精度的因素探讨

激光雷达测量中,除要求知道目标的位置信息外更强调了解目标的散射强度信息,正是它包含着目标的物理特征,因此要求精确测量散射回波强度随距离的变化关系.我们对系统的线性、动态范围、测量精度有较高的要求,所以克服各种干扰、提高测量精度是激光雷达测控系统的首要任务.作者总结了激光雷达研究的实际经验,对如何选择和合理使用数据采集卡、解决测量信号基线偏移问题、避免近场大信号等一些重要问题进行了讨论.     

影响激光雷达测量精度的因素探讨

激光雷达测量中,除要求知道目标的位置信息外更强调了解目标的散射强度信息,正是它包含着目标的物理特征,因此要求精确测量散射回波强度随距离的变化关系。我们对系统的线性、动态范围、测量精度有较高的要求,所以克服各种干扰、提高测量精度是激光雷达测控系统的首要任务。作者总结了激光雷达研究的实际经验, 对如何选择和合理使用数据采集卡、解决测量信号基线偏移问题、避免近场大信号等一些重要问题进行了讨论。     

产品撷英

24位输入/输出PXI模块动态信号采集模块为音频和NVH测试应用带来先进的性能用于PXI平台的24位模拟输入/输出数据采集模块NI PXI-4461在进行声音和振动测量时,可同步生成和采集高精度的动态信号。24位Δ-Σ转换器能在204.8KSPS的92kHz输入带宽状态下提供接近120dB动态范围,2个微分输出通道可生成92kHz的频率。为了确保能完成精确音频测量的最高精确度,PXI-4461动态信号采集模块包含了用于麦克风和加速计的微分输入、防混叠保护功能和集成电子压电(IEPE)信号调理。为了加快声音和振动应用的开发速度,可以把PXI-4461模块和NILabV…     

激光雷达多通道高速数据采集系统设计

设计了一款“FPGA+DSP”架构的高速数据采集系统,可对激光雷达的多路回波信号进行同步并行采集,数据反演及远程传输。FPGA在同一触发信号激励下,可对输入的四通道回波信号进行高速采集、累加、存储;DSP读入四个通道的累加结果,求平均后进行反演,并以TCP/IP协议实现数据的远程传输。设计完成的数据采集系统在一台“米”散射激光雷达系统中进行了测试,结果表明：该系统可对脉冲重复频率为1khz的多路回波信号以20 mHZ的频率进行采样,并可对5000次的回波信号进行对应点累计平均,完全满足激光雷达数据采集的特定要求。本系统具有性价比高、便携、可实现数据的远程共享,在多光谱激光雷达及高光谱分辨率激光雷达的数据采集中具有推广价值。     

光纤法珀传感器解调系统的设计

光纤法珀传感器具有测量精度高、动态范围大、可单端检测等优点。针对白光干涉型法珀传感器，设计了一种基于体光栅的光纤传感器解调系统。该系统采用高性能体光栅和线阵CCD阵列实现了光谱的采集，并结合高性能数据采集卡和PC机进行信号的处理和输出。测试结果表明该解调系统的温度测量精度在±1℃以上。