可重构激光雷达数据采集平台研究
激光雷达以具有极佳方向性、单色性及相干性的高强度激光为探测信号，不仅能够获得更高的探测精度和范围，更重要的是能够探测无线电雷达无法探测到的微小粒子，以及各种分子、原子，并对探测目标进行识别和分类。这些特性使激光雷达在大气环境监测、海洋科学以及生物医学领域获得了广泛的应用，因而激光雷达是一个庞大的类型繁多的综合体系，这也影响了数据采集系统的多样性和复杂性。 当前激光雷达数据采集系统并非由单一器件能够完成，而是多种设备或采集卡的组合，例如高端数字示波器，多通道扫描仪(MCS)，NI集成化设备，以及Licel公司的TR产品等，这些数据采集产品的引入大大提高了采集精度，使用也更为简便。但是鉴于激光雷达的新技术不断出现、需求不断提升，也使许多研究单位为各自的项目专门设计匹配性强的数据采集卡。一方面激光雷达的快速发展和市场化，要求模块化、标准化、集成化的产品使研发成本降低;另一方面，为了保证科学研究的先进性，获得市场竞争优势，期望出现开放式而非定制的数据采集系统允许使用者再开发。这已成为了亟待解决的问题，因此本论文提出建立可重构激光雷达数据采集平台(RLDAP)。RLDAP不仅进一步扩大在激光雷达中的使用范围，而且增强了可移植性和兼容性，为系统升级更新预留资源，最大限度的服务于未来新型激光雷达的研制工作，减少重复的资金投入和人力投入，从而发挥出更大的经济效益和社会效益。 为此，本论文在归纳了激光雷达发展历史和现状的基础之上，深入调研了激光雷达整机尤其是光学接收、光电探测部分的原理，总结了激光雷达数据采集系统的规律性和特异性，从而开展了可重构激光雷达数据采集平台的设计工作，并通过实验室测量和现场对比实验证明了其实用性。 本论文的创新点主要有: (1)首次将可重构仪器的概念引入激光雷达探测领域，并对源于计算机领域的可重构概念实现扩展和延伸。可重构的意义不再局限于软件或是硬件，而是多部件重构、软硬件重构的融合，包括硬件资源的重组，FPGA的逻辑在线重配置，多处理方式并存的通信协议，软件的组合、动态调用等。 (2)在国内率先自主研发分层探测模式的数据采集系统，使信号的线性探测动态范围达到5～6个数量级，达到国际先进水平。尽管国内已有应用于极弱光探测的单光子计数仪器和用于强光探测的AD转换采集卡，但均不具备大动态范围、高信噪比的探测能力。而RLDAP的研制克服了双模式数据拼合区数据探测的难点，打破了长期依赖国外单一产品的限制。 (3)RLDAP在现场实验中被证明可以覆盖近地面和中高空领域的探测，且适用于传统方式和新型微脉冲等多类型的激光雷达。RLDAP已被成功用于Rayleigh多普勒测风激光雷达和大气能见度仪的探测中，特别是对于20-60km临近空间风场的探测实验，RLDAP同步实现了光子计数的高速高增益放大和A/D转换带宽内模拟信号的严格线性放大，提高了模拟探测对弱信号的分辨能力，成功解决了低层强信号非线性堆积和高层微弱信号的低信噪比问题，这是探测技术中的难点。该项实验是在国内首次实现对平流层至中间层底部的风场测量。
激光雷达;可重构;数据采集;线性动态探测范围;光子计数
中国科学技术大学
博士
物理电子学
金革
2014
中文
TN958.98
114
2015-05-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）