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脉冲半导体激光器高速三维成像激光雷达研究

胡春生  
【摘要】: 论文系统研究了激光雷达的相关理论和关键技术,详细讨论了成像激光雷达的测距体制和成像方式,在此基础上提出了一种采用半导体激光器的高速三维成像激光雷达研究方案,全面分析了该方案的主要理论问题和关键技术问题,并成功研制出了实验室样机,利用样机进行了大量的系统实验。实验结果表明,所研制的成像激光雷达的主要性能指标与理论设计基本一致,具有成像速率高、图像分辨率高、测距精度高以及可同时获得高精度强度图像等优点。 论文首先对激光雷达的相关理论进行了系统的总结和研究。根据朗伯余弦定律推导出激光雷达方程的一种便于使用的形式,根据统计信号检测理论提出了一种计算作用距离的有效方法。详细研究了APD探测器的输出噪声和信噪比。讨论了激光在大气中的传输特性,计算了波长为905nm的激光在大气近距离范围内的透射率。由朗伯余弦定律计算了目标对激光的散射特性,根据太阳光和满月月光在地面的照度分别计算了目标对太阳光和月光的散射特性,根据普朗克公式计算了目标自身的热辐射特性。 在详细研究成像激光雷达的测距体制和成像方式的基础上,提出了一种高速三维成像激光雷达的研究方案。该研究方案采用直接探测脉冲激光测距体制,以波长为905nm的脉冲半导体激光器作为激光光源,利用单元APD探测器进行探测,采用物空间扫描的光机扫描方式进行扫描成像,能同时获得目标的距离图像和强度图像。 研制了一种重复频率高的脉冲半导体激光器激光雷达发射机,讨论了半导体激光器的功率特性、光谱特性和温度特性。详细研究了半导体激光器驱动电路的工作原理,对驱动电路进行了电路仿真。对发射光学系统进行了详细的理论分析和仿真,通过实验测试了发射光学系统的透过率、输出激光的发散角和光斑形状。 研制了一种宽带低噪声激光雷达接收机。详细分析了接收光学系统的焦距、接收视场角和透过率。设计了一种噪声优化的高速跨阻前置放大电路,根据跨阻放大电路的噪声模型详细分析了输出噪声电压、信噪比和信号动态范围。提出了一种扩展动态范围的自动增益控制方法,按该方法设计了一种宽带低噪声压控放大电路和自动增益放大电路,它能有效克服目标距离变化引起的信号幅度变化。对传统恒比定时的结构和延迟器进行了改进,设计了一种高精度时刻鉴别电路,它的鉴别精度比传统恒比定时方法提高了一倍左右。采用分立元件设计了一种新型高速跨导型峰值保持电路,响应速度约为1.6ns,详细讨论了它的基本原理和电路仿真结果,通过实验测试了该峰值保持电路的主要性能。 研制了一种新型一体化高速二维激光扫描器,采用单一转镜即可实现高速二维扫描,具有扫描速度高和扫描视场角大等优点。推导了该激光扫描器的扫描方程,详细分析和仿真了它的扫描轨迹、扫描视场角、角度分辨率和面积因子,根据激光扫描器的面


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