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激光雷达接收系统的噪声特性研究

尚宏博  
【摘要】: 激光雷达的应用十分广泛,无论在军事上还是民用上都具有极高的应用价值,是目前高科技领域研究的热点。激光雷达的研究,不仅需要建立高性能的激光雷达系统装置,还需要进行激光雷达的系统性能及应用研究。影响激光雷达系统性能的因素很多,包括如大气传输特性、目标特性等,对这些特性的研究,一方面可通过实验获取数据,然后进行理论分析,另一方面,可通过计算机仿真的方法,首先建立激光雷达系统理论模型,然后在此基础上,再进行影响激光雷达系统性能的诸因素的研究。计算机仿真,除了节约研究经费外,还具有更大的自主性,可以根据需要合理地设置大气、目标、激光系统等特性参数等。建立激光雷达仿真模型,首先需要建立激光雷达发射、接收系统模型,在接收系统模型中,核心是光电探测器模型的建立,其次还包括信号处理如放大、滤波、脉冲幅度鉴别等部分。本文针对目前激光雷达技术发展的需要,细致地研究了激光雷达接收系统的噪声特性,在理论研究的基础上通过仿真实验对接收系统的各种噪声进行分析并得出结论,进一步地针对具体问题提出了解决的方法及新的设计思想。这对激光雷达技术的发展完善及其它应用领域信号的测量都具有较深远的意义。 论文首先介绍了激光雷达接收系统的组成和原理,并建立了基于理论及仿真的理想高斯脉冲发射模型。在此基础上重点研究了雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD)、跨阻抗前置放大器(Transimpedance Amplifier, TIA)的噪声特性及自动增益控制放大器(Automatic Gain Control, AGC)的设计方法。对于APD,详细讨论了它的噪声特性、温度特性、增益特性、偏压特性及其他一些特征参数,独立研究并设计了一个APD内部的适应温度变化的增益控制系统,此系统采用温度的偏压跟随控制原理,大大减小了由于温度起伏而产生的极强噪声(可把信号淹没),同时稳定了系统的增益,优化APD的探测性能;对于TIA,为尽可能的降低系统的噪声同时又不影响其增益和带宽等性能,参数的选择一直是问题中的难点,本文通过对其噪声特性、温度特性、增益特性及频率特性的研究与讨论得出重要结论,依据激光雷达特点选择了恰当的参数并建立了shunt-shunt feedback TIA仿真模型,得到较好的输出结果;最后通过对不同种类AGC系统的仿真分析与比较,研究并设计了一个基于对数运算法则的负反馈AGC自动增益控制放大器,在理论分析的基础上进行了仿真实验,结果证明了此系统的优越性、有效性及可行性。


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