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短脉冲激光探测技术研究

何初冬  
【摘要】: 短脉冲激光雷达在战区导弹防御系统、地理科学激光测高系统、月球轨道激光测高计、高速三维成像等方面有着重要应用。随着国家的发展,短脉冲激光雷达的作用距离远不能满足国家军事、民用的需要,因此急需发展远距离短脉冲激光雷达。提高脉冲激光雷达作用距离的一个有效的方法就是采用更短的激光脉冲,这也是脉冲激光雷达的一个重要发展方向之一。本论文着重于对短脉冲激光雷达探测系统的研究。 首先根据信号检测中的探测概率和虚警概率理论,推导出了在探测概率至少为99.99%,虚警概率不能超过0.1%的条件下探测系统的最小可接收光功率。通过比较不同激光脉冲宽度(0.1ns、1ns和10ns)条件下,激光雷达接收机的最小接收光能量,激光雷达的最大作用距离和接收机的信噪比,得到激光脉冲越窄,激光雷达接收机的最小接收光能量越小。在激光雷达发射机输出相同光能量下,激光脉冲越窄,激光雷达的最大作用距离越远,信噪比越大,激光雷达的接收灵敏度越高,距离分辨率越高。从理论上验证了采用短脉冲激光的优越性。最后分析了探测概率和虚警概率对探测灵敏度的影响。 在详细研究脉冲激光探测的测距体制和时刻鉴别方式的基础上,提出了一种短脉冲激光探测系统的设计方案。该设计方案采用直接探测脉冲激光测距体制、增益可变主放大电路和高通时刻鉴别方式,利用APD探测器进行探测,能得到回波的强度信号和停止信号。 在理论上分析了热噪声和散弹噪声对系统探测灵敏度的影响,并推导了APD最佳增益,这可为器件的选择提供参考。设计了脉宽为1ns、宽带低噪声短脉冲激光探测系统电路方案。采用分立元件设计了输出电压为228V的APD高压发生电路,在200微秒时,输出电压就进入了稳定输出状态。设计了一种噪声优化的高速跨阻前置放大电路实现方案、宽带低噪声增益可控的主放大电路实现方案和高精度高通时刻鉴别电路实现方案,同时,从理论上对探测系统的最小接收光功率、信噪比等参数进行了计算。设计了峰值保持电路,仿真表明响应速度约为2ns。


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