《纯转动喇曼激光雷达的带通滤波参数优化及新型系统设计研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纯转动喇曼激光雷达的带通滤波参数优化及新型系统设计研究（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、r7 7 5 9 3 2纯转动喇曼激光雷达的带通滤波参数优化及新型系统设计研究光学专业研究生万磊指导教师朱建华近年来，全球环境问题日益突出，对人类的生存质量和经济的可持续发展己造成重大影响，大气污染监测已成为各国都十分关注的问题。为了增强环境监测能力，迫切需要开发研制各种新型大气监测设备。激光雷达技术作为一种高效可靠的遥感探测技术已被广泛应用于各种大气环境参数的测量与研究。在各种激光雷达当中，纯转动喇曼激光雷达利用大气中氮分子和氧分子的纯转动喇曼光谱( P R R S ) 的强度分布对环境温度的依赖性，通过计算P R R S 中的两个不同谱带上总散射强度的比值来推算大气中的温度廓线分布，在大气
2、温度探测领域具有重要的应用价值，已受到德美曰俄等发达国家的重视。带通滤波技术是纯转动喇曼激光雷达系统的关键单元技术，非优化的带通滤波参数将直接导致系统探测灵敏度的降低、温度探测精度的恶化等严重后果。本文引入模拟退火算法对普通纯转动喇曼激光雷达的中心滤波波长、滤波波长间隔、滤波带宽等带通滤波参数进行了优化计算，获得了温度探测灵敏度比现有报道结果高3 5 倍的优化设计结果；并针对现有纯转动喇曼激光雷达系统的技术难点，提出了采用声光可调滤波器( A O T F ) 的带通滤波新方案，通过模拟计算获得了高温度探测灵敏度的优化声光带通滤波参数；最后给出了基于A O T F 的新型单通道声光纯转动喇曼激光
3、雷达系统设计方案。这些研究工作对促进纯转动喇曼激光雷达的技术发展及应用均有良好的推动作用。关键词：纯转动喇曼散射；激光雷达：大气温度探测；带通滤波技术；模拟退火算法O p t i m i z a t i o no fB a n d p a s sF i l t e r i n gP a r a m e t e r so fP u r eR o t a t i o n a lR a m a nL i d a ra n dD e s i g no fN e wS y s t e mM a j o rO p t i c sP o s t g r a d u a t o rL e iW a nD i
4、r e c t o rJ i a n h u aZ h uR e c e n t l Ne n v i r o n m e n t a lp r o b l e mh a sm o r ea n dm o r ee f f e c t so nh u m a nr e s i d e n c ea n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t I no r d e rt oe n h a n c et h ec a p a c i t yo fa t m o s p h e r i cp o l l u t i o ni n s p e c t i o n ，
5、r e s e a r c h e so nn e wi n s p e c t i o nd e v i c e sa r er e q u i r e d C u r r e n t l Ma s ae f f i c i e n ta n dr a p i dr e m o t es e n s i n gt e c h n i q u e ，L i d a r ( L i g h tD e t e c t i o na n dR a n g i n g )h a sb e e na p p l i e dt om o n i t o rs o m ea t m o s p h e r
6、i cp a r a m e t e r s I na l lk i n d so f l i d a r , p u r er o t a t i o n a lR a m a nl i d a rh a sb e e nu s e dt om e a s u r ea t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r ee f f e c t i v e l y B a n d p a s sf i l t e r i n gt e c h n i q u ei so n eo ft h ek e yu n i tt e c h n i q u e si np
7、u r er o t a t i o n a lR a l T l a nl i d a rf o ra t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s ，i th a sg r e a te f f e c t so nt h et e m p e r a t u r ed e t e c t i o ns e n s i t i v i t ya n dm e a s u r e m e n tp r e c i s i o no fap r a c t i c a lR a m a nL i d a rs y
8、 s t e m I nt h i sp a p e r , ag l o b a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m , s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mi se m p l o y e df o rt h ed e s i g no fo p t i m u mb a n d - p a s sf i l t e r i n gp a r a m e t e r ss u c ha sc e n t r a lf i l t e r i n gw a v e l e n g
9、 t h ，w a v e l e n g t hi n t e r v a l ，f i l t e r i n gb a n d w i d t h ，e t c ，a n db i g ht e m p e r a t u r ed e t e c t i o ns e n s i t i v i t yw h i c hi s3 - 5t i m e sh i g h e rt h a nc u r r e n t l yr e p o r t e dr e s u l t si so b t a i n e dt h e o r e t i c a l l y F u r t h e
10、 r m o r e ，w ee m p l o ya c o u s t o o p t i ct u n a b l ef i l t e rr A O T F ) a sn a r r o wb a n d p a s sf i l t e ra n dh i g h - s p e e ds i n g l e c h a n n e lw a v e l e n g t hs c a n n e rt op r o p o s ean o v e ll i d a rs y s t e m T h i sn e wt e c h n i q u ec a ns o l v et h
11、ep r o b l e m so fc o n v e n t i o n a lp u r er o t a t i o n a lR a m a nl i d a r , s u c ha sl o ws i g n a ld e t e c t i o ns e n s i t i v i t y , a n t t m a b i l i t yo ff i l t e r i n gp a r a m e t e r s ，a n ds i g n a li n t e r f e r e n c eb e t w e e nd e t e c t i o nc h a n n e
12、 l s I tc a nb ee x p e c t e dt h a tt h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rw i l le f f e c t i v e l yp r o m o t et h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp u r er o t a t i o n a lR a m a nl i d a rt e c h n o l o g y K e y w o r d s ：p u r er o t a t i o n a lR a m a
13、 ns c a t t e r i n g ；L i d a r ；a t m o s p h e r i ct e m p e r a t u r ep r o f i l i n g ：b a n d - p a s sf i l t e r i n g ：s i m u l a t e da n n e a l i n ga l g o r i t h mI I四川太学硕士学位论文1 1 激光雷达简介第一章前言“雷达”( R a d i oD e t e c t i o na n dR a n g i n g ，R a d a r ) 最早出现在第二次世界大战期间，是一种利用电磁波( 微
14、波和毫米波段) 探测目标的位置的电子设备。其功能包含搜索和发现目标；测量其距离、速度、角位置等运动参数；测量目标反射率、散射截面和形状等特征参数。激光雷达( L i g h tD e t e c t i o na n dR a n g i n g ，L i d a r ) 是传统雷达技术与现代激光技术、光机电一体化技术和计算机技术相结合的产物，它以激光作为载波，可以用振幅、频率、相位和偏振来作为搭载信息的载体。激光波长比微波和毫米波短好几个数量级，又有更窄的波束，因此，与微波雷达相比，激光雷达具有以下优点：( 1 ) 角分辨率高、速度分辨率高和距离分辨率高。采用距离一多普勒成像技术可以得到运动
15、目标的高分辨率的清晰图像。( 2 ) 抗干扰能力强、隐蔽性好。激光不受无线电波干扰，低仰角工作时，对地面的多路径效应不敏感：激光束很窄，激光雷达发射的激光被截获率很低。( 3 ) 激光雷达的波长短，可以在分子量级上对目标进行探测。这是微波雷达无能为力的。( 4 ) 在功能相同的情况下，激光雷达比微波雷达体积小、重量轻。1 9 6 1 年在世界上第一台红宝石激光器出现不久，以测距为主要功能的激光雷达便诞生了；1 9 6 7 年美国国际电话和电报公司研制成功第代用于航天器交会对接的星载激光雷达；1 9 7 6 年美国麻省理工学院林肯实验室公布了“火池”C O ：相干激光雷达的实验结果，证明了激光雷
16、达的远距离测量和跟踪能力；1 9 7 6 年美国无线电公司和帕新爱尔莫公司研制成功测量全球对流层风场的C O ：相干激光雷达；1 9 9 2 年美国科学与工程设备公司开发了二极管激光泵浦固态激光器微脉冲激光雷达，1 9 9 6 年实现商品化，在四川大学硕士学位论文此基础上又开发了这种光源的差分吸收激光雷达、多普勒激光雷达和生物激光雷达等，这标志着激光雷达发展进入了实用化、商品化的新阶段。目前激光雷达种类繁多，按照现代的激光雷达的概念，有以下几种分类方法【l l ：( 1 ) 按激光波段分，有紫外激光雷达、可见激光雷达和红外激光雷达。( 2 ) 按激光介质分，由气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达和二极管激光泵浦固体激光雷达等。( 3 ) 按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达。( 4 ) 按显示方式分，有模拟或数字显示激光雷达和成像激光雷达。( 5 ) 按运载方式分，有地基固定式激光雷达、车载激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达、弹载激光雷达和手持式激光雷达等。( 6 ) 按功能分，有激光测距雷达、
