高环境适应性全固态激光器

针对车载激光雷达对激光器光源的应用需求,设计了一种高环境适应性、高重频的全固态激光器。设计上,采用ABCD传输矩阵理论对谐振腔进行计算和分析,实现了激光介质内泵浦光和振荡光最佳的模式匹配;实验上,进行了谐振腔的胶水稳定性测试和局部温控测试,从工艺上提高谐振腔的稳定性。通过测量激光器在高温、低温、振动等不同工况下的功率稳定性,证明了激光器具有高环境适应性。该激光器基于风冷散热实现了整机在-10 oC至55 oC温度范围内和公路谱振动条件下的稳定工作。在泵浦功率为8.31 W、声光调Q模式下,获得了脉宽为7 ns、重复频率为4 kHz、平均功率为0.95 W、单脉冲能量为0.24 mJ的532 nm绿光输出,满足激光雷达车载的应用需求。

基于PCL-839+的二维步进电机运动平台控制系统设计

设计一种"PCL-839+控制卡嵌入PC机"模式的二维步进电机运动平台控制系统;详细分析直线型速度控制算法,提出短距运动时的速度曲线改进方法;插补算法采用逐点比较法并针对直线和圆弧插补进行改进,提出一种圆弧终点校正方法。该二维平台控制系统已成功应用于激光划片机,控制效果较好。

基于DSP的傅里叶变换红外光谱仪动镜控制系统设计

在直线扫描式高精度傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪系统的研制过程中,为了达到光谱图的质量和分辨率要求,提出了一种利用DSP芯片TMS320F28335作为控制器,直线电机运动平台带动动镜的系统设计方法。介绍了FTIR的优点以及TMS320F28335的性能特点,分析了FTIR系统的原理,详细阐述了电机控制系统的设计方案,给出了DSP、电机驱动器以及电机模块之间的硬件接口电路和软件实现方法。实验证明,该电机控制系统具有很好的稳定性和很高的运动精度,其位置运动精度能够达到0.1μm,保证动镜做稳定可靠的直线运动。

基于开放光路傅里叶变换红外光谱技术的偏二甲肼监测方法

介绍了基于开放光路傅里叶变换红外光谱学(OP-FTIR)技术监测偏二甲肼的方法。该方法具有响应速度快,非接触测量,能实时在线监测,测量系统稳定可靠等特点,较其它的方法有很大的优势。利用该测量系统对环境中的偏二甲肼进行测量,得到吸收光谱,再使用Marquardt非线性最小二乘法进行浓度反演。测量结果表明,系统能正确地测量偏二甲肼的浓度变化信息。光谱分辨率为1cm-1,时间分辨率可达4s,并具有很高的信噪比。浓度在1ppm以下,UDMH测量误差为10%左右,能够很好地满足实际应用。通过比对实验,进一步验证了测量原理及测量方法的正确性。

单光子探测器SPAD恒温控制系统设计

分析了单光子雪崩光电二极管(SPAD)探测器雪崩电压的温度特性,得出SPAD的雪崩电压随温度变化约为0.7 V/℃,需要设计恒温控制电路保证SPAD的正常工作。从最优温度控制策略的角度,选用MAX1978温度控制芯片进行电路设计实现SPAD的温度恒定。简要介绍了恒温控制系统的工作原理及各个组成部分。通过恒温控制电路实验验证了电路的可行性,恒温控制电路可以在1 min内使SPAD的工作环境温度恒定在0.06℃内,温度控制速度和精度均能满足SPAD温度恒定的要求,确保单光子探测器SPAD正常工作,使单光子探测器SPAD具有更好的探测性能。

激光雷达的单光子计数器计数实现

单光子计数器作为激光雷达的数据采集部件,目的是实现对PMT输出脉冲信号的计数,并把数据实时上传给计算机。鉴于脉冲信号上升时间短、数据量大,本系统选用CPLD作为计数器和控制器,采用门控双通道无缝计数方法,可实现50 ns的门宽分辨率。用一片32 K×16 bit的SRAM做缓存,可满足每50 ns的时间分辨率最大65535次的计数。采用USB作为数据传输接口,可以很好地满足高速、实时的设计要求。

激光云高仪单光子探测器混合抑制电路研究与设计

简述单光子探测器对于激光云高仪研究的重要作用。在了解单光子探测器SPAD基本工作原理的基础上,搭建SPAD的被动抑制电路,实验得出SPAD的死时间在2μs以上,只能适用于单光子计数率小于500 kHz的场合。为了减少单光子探测器的死时间,提高单光子计数率,设计了雪崩被动淬灭电压主动恢复的混合抑制电路,通过精密的时序控制,探测器的死时间缩短为100 ns,单光子计数率上升至10MHz。理论上激光云高仪的空间分辨率可达15 m,单光子探测器SPAD混合抑制电路对于激光云高仪的工作性能以及顺利研制有着重要意义。

星载差分吸收光谱仪转动部件测试系统设计

基于星载差分吸收光谱仪转动部件控制需求,设计了星载光谱仪转动部件的测试系统。采用微动开关复位加定步的电机运动方式实现电机的精确定位。采用脉冲调制(PWM)的方式实现驱动电流的精细调节。并搭建平台对系统进行重复性测试,实验结果表明,测试系统具有较高的可靠性和稳定性,能够满足光谱仪的精确定位要求,使电机在工作寿命内按计划完成定标工作。

基于FPGA的星载步进电机控制电路设计

针对航天设备在轨运行时间长、不易更换的特点,提出了一种力矩宽且范围可调的步进电机控制电路设计。该电路原理样机以Xilinx公司的XC3S400pq-208型FPGA为核心控制芯片,以LMD18200为步进电机驱动芯片。在对电路总体设计进行介绍的基础上,重点阐述了航天过程中步进电机阻力矩增加的问题,以及通过脉冲频率和PWM控制技术调节输出力矩的方法。试验结果表明,力矩可调范围的最大值能够使力矩裕度达到4,匹配步进电机在轨运行过程中的力矩要求。

基于FPGA的激光雷达回波信号数据采集卡设计

回波信号数据采集设备是激光雷达系统的关键部分。为了提高信噪比,回波信号数据采集设备应当具有滤波和高速数据累加功能,为了满足不同重复频率激光雷达的探测需求,累加过程的采集深度和累加次数等参数应当是可配置的。使用FPGA作为主控设备,实现了一个采样率为20 MHz,具有滤波和硬件累加功能,且参数可配置的通用回波信号数据采集卡(DAQ card)。测试结果表明,在不同重复频率的触发信号下,采集卡实现了基本的参数配置功能和累加功能,信噪比为71.9 dB。与国外某回波信号数据采集设备相比,采集卡在高重复频率激光雷达中具有更远的探测距离和更高的信噪比。

基于AERONET的北京地区气溶胶光学特性分析

利用AERONET北京站点2016年1月-2018年12月的数据产品,分析了北京地区气溶胶光学厚度(AOD)、Angstrom波长指数α、粒径谱分布的季节特性;同时选取典型污染天气条件下的数据,分析了不同季节主控污染物的类型,并使用相应雷达比对比反演激光雷达消光结果。研究结果表明:北京地区AOD季节变化特征明显,主要表现为春、夏季大,秋、冬季小,其中夏季(0.83)显著高于其他季节;α表现出与AOD一致的变化规律,春季最低(α=0.95),表明北京春季受沙尘影响显著,为主要污染物;而夏季最大(α=1.23),表明沙尘影响迅速减弱,细粒子颗粒物占主导,符合温带季风气候的特点;AOD和α关系图中,不同污染物分布特征存在差异,可通过阈值法对污染物进行分类。此外,以两种典型污染情况为例,使用不同雷达比反演激光雷达的消光系数的结果表明,可以使用太阳光度计数据对反演参数进行优化。

模拟与光子计数融合的激光雷达信号采集系统设计

为了扩展激光雷达的测量动态范围,设计了一种基于模拟与光子计数融合方法的信号采集系统。采用多级放大技术设计了用于模拟与光子计数融合方法的双通道前置放大器,并与通用数据采集卡和光子计数卡组成信号采集系统。利用激光雷达信号模拟源搭建了测试系统;通过测量坪特性和脉冲高度分布确定光电倍增管（PMT）的工作高压和鉴别电平;测试了模拟通道和光子计数通道的性能以及两个通道的可拼接性。实验结果表明,设计的信号采集系统性能优于LICEL公司的瞬态记录仪TR20-160;两个通道的信号具有较好的拼接性,通过两个信号的拼接提高了激光雷达信号采集系统的动态范围。

差分吸收激光雷达监测北京灰霾天臭氧时空分布特征

差分吸收激光雷达是测量对流层臭氧时空分布的有力工具,利用差分吸收激光雷达在灰霾条件下开展观测研究,分析了臭氧浓度时空分布特征。结果表明：在夏季副热带高压大气天气条件下,受偏南风气团输送的影响,6月中旬形成一次高浓度的臭氧污染过程。6月14日夜间至6月15日中午离地面1.5～2km高度的臭氧气团浓度（即体积分数）高达1.2×10^-7以上,下午臭氧气团出现下沉,从而引起当日下午近地面臭氧浓度的升高。在灰霾天气过程中,细颗粒物与臭氧分布在不同高度上具有不同的关联特征,地面颗粒物充分参与了光化学反应过程,而高空高浓度的颗粒物和臭氧气体则与输送有关。晴朗天气下的臭氧浓度在整个空间尺度上都有不同程度的下降,并且没有出现明显的外部输入气团。

激光雷达探测气溶胶光学特性的不确定性因素研究

针对环境领域中最常用的米氏散射激光雷达,通过讨论气溶胶光学特性反演方法的流程,分析了影响反演结果准确度的各种不确定性因素。分析结果表明,为获取高稳定性和高可靠性的探测结果,需要采用合理的信号去噪方法,设置合理的累加次数、气溶胶消光后向散射比、标定高度和标定值等。此外,还需要对反演算法进行定期标定,主要包括几何重叠因子标定、球载消光仪标定、瑞利散射标定、能见度仪标定、太阳光度计标定、湿度标定、颗粒物浓度标定等。通过这一系列配置和标定后,多台激光雷达数据可以达到高度的一致性和准确性。

低盲区杂散光对激光雷达系统信号质量的影响

利用ZEMAX软件对透射式米散射激光雷达系统的杂散光进行分析,对激光雷达系统中光学镜片表面的反射和镜筒内壁系统的多次反射、散射进行模拟,得到镜面的多次反射光成像在探测器面源的功率可达3×10-8 W,镜筒散射光成像在探测器面源的功率达到2.8×10-9 W。在测量条件相同的情况下,通过对透射式和反射式激光雷达的连续观测结果进行分析,得出透射式米散射激光雷达的近场杂散光经过光电转换后的回波信号强度可以达到1000mV,比反射式激光雷达系统的高约17倍;用衰减片分别对两种雷达信号进行衰减处理,结果显示:当信号衰减80%时,透射式激光雷达系统的近场信号出现下翘现象。从对信号非线性化处理的结果也可以看出,反射式激光雷达系统优于透射式激光雷达系统。

脉冲激光器高灵敏功率检测系统设计

出射激光脉冲功率的变化对大气激光雷达数据采集的准确度具有很大的影响,因此需要对脉冲激光器功率进行准确的检测。基于出射激光脉冲窄脉宽、高重复频率的特点,提出一种针对窄脉冲激光器的功率检测系统。首先,采用光电二极管构成的光电转换电路实现对激光信号的光电转换;其次,采用跨导型峰值保持电路对激光单脉冲进行峰值保持;最后,通过同步触发信号实现单片机对峰值的采集,测出脉冲激光器出射脉冲的功率。经实验测试,该系统适用于大气激光雷达使用的脉宽为10 ns、重复频率为10 kHz、波长为532 nm的激光脉冲功率检测,且测试结果与标准激光功率计相比具有良好的线性关系和精度,满足应用需求。

一种高线色散率测温激光雷达双光栅光谱仪

与目前广泛应用的532nm波段的发射波长相比,采用355nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高,分光光谱仪的线色散率要达到0.1nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪,通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计,模拟分析结果显示:间隔0.1nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1mm,满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比,验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。