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FM/cw激光雷达关键技术研究

作　者: 尤光茹
导　师: 陆威
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 焦平面成像 大功率宽带调幅激光 MSM自混频探测器 图像信号采集
分类号: TN958.98
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


FM/cw焦平面无扫描激光成像雷达是一种小型化、全固态、高帧频、高精度的三维成像激光雷达,在商业和军事上均具有重要实用价值,因此该激光雷达已经成为国内外的研究热点之一。国外已经取得了一系列的研究进展,而国内还处于初始研究阶段,本课题是国内第一代采用32×32的MSM自混频阵列探测器进行FM/cw非扫描激光雷达成像的探索。本课题的研究工作正是适应焦平面激光成像雷达的发展要求,分析了美国陆军实验室的研究进展及存在的问题,研究并确立雷达系统中的关键技术及实现方法,并进行相应的测试和分析,从多角度深入分析各部分的性能,指出存在的不足,提出改进方法。首先研究FM/cw激光雷达的测距原理,研究并确定了FM/cw无扫描雷达系统的成像方案,理论上分析了影响雷达系统的探测距离、距离分辨率和测距精度的因素,总结了大功率宽带调幅激光发射系统、1.55μm波段焦平面阵列探测器、32路混频信号的读出及鉴频作为雷达系统的三个关键技术。然后研究了功率调制激光发射机需满足的功率、带宽、调制速率、调制深度等要求及各参数对于雷达成像的影响,确立了调制低功率种子光和线性光放大相结合的实现方案。测试了线性扫频信号源、调制种子光源及双级光纤放大系统性能,从时频关系、信噪比、谐波噪声分量等多角度深入激光发射机的性能。接下来研究了MSM焦平面自混频探测器的设计要求、工作原理及关键技术,设计并制作了32×32像元的MSM自混频探测器。测试了探测器的固定光功率下的光响应度、频率响应、混频效率和滤波特性,对其性能进行评价,并从材料和结构两个方面对探测器提出改进方法。最后为实现32路混频信号的读出及鉴频,设计了分时行混频再列合成图像的方案,解决了1024个鉴频系统的庞大问题。设计并制作了基于FPGA的全固化图像信号采集板,用QuartusⅡ逻辑分析软件结合CollectDemo成像显示对图像信号的采集过程进行了调试,并对各个信号处理模块进行定性和定量分析。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章 绪论  8-14
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8
  1.2 国内外非扫描激光雷达的发展  8-13
  1.3 本论文的主要研究内容  13-14
第2章 FM/cw激光成像系统的工作原理  14-25
  2.1 FM/cw激光雷达测距原理  14-16
  2.2 FM/cw激光成像系统的系统结构  16-17
  2.3 雷达成像距离和距离分辨率的影响因素  17-24
    2.3.1 调频非线性对距离分辨率的影响  18-20
    2.3.2 光源发射功率及调制深度对雷达回波载噪比的影响  20-22
    2.3.3 混频过程及中频鉴频对雷达测距的影响  22-24
  2.4 小结  24-25
第3章 大功率激光发射系统的研究及测试  25-33
  3.1 引言  25
  3.2 大功率激光发射机的设计方案  25-28
    3.2.1 宽带扫频信号源  25-26
    3.2.2 低功率种子光调制和光放大结合的调制光源  26-28
  3.3 宽带LFM信号源的测试  28-29
  3.4 调制种子光的性能测试  29-30
  3.5 光放大系统的性能测试  30-32
  3.6 小结  32-33
第4章 MSM自混频探测器的研究及测试  33-46
  4.1 引言  33
  4.2 MSM自混频探测器的设计方案  33-34
  4.3 MSM自混频探测器的性能测试  34-44
    4.3.1 固定光功率下的响应度测试  35-36
    4.3.2 频率响应测试  36-40
    4.3.3 混频特性测试  40-41
    4.3.4 滤波特性测试  41-43
    4.3.5 材料及结构对探测器性能的影响分析  43-44
  4.4 小结  44-46
第5章 高速图像处理板研究及测试  46-61
  5.1 引言  46
  5.2 32 路混频信号的鉴频方案  46-47
  5.3 高速图像处理板的设计  47-52
  5.4 高速图像处理板的测试  52-59
    5.4.1 模拟信号处理电路测试  52-54
    5.4.2 数字信号处理电路调试  54-59
  5.5 小结  59-61
结论  61-63
参考文献  63-67
致谢  67

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 雷达 > 雷达：按体制分 > 光学定位雷达、激光雷达
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