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西安理工大学
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[硕士论文] 闫庆
测试计量技术及仪器 西安理工大学 2011(学位年度)
摘要:激光雷达作为一种全新的探测技术,因其具有较高的时空分辨率和测量精度,而广泛应用于大气参数探测、污染物监测、沙尘暴监测等领域。激光雷达的回波信号涵盖了大量的信息,研制具有高速、高精度的数据采集系统,对提升激光雷达系统的整体性能有着十分重要的作用及意义。
   本文依托西安理工大学激光雷达遥测研究中心试验平台,在充分分析激光雷达的探测原理及其回波信号的特点的基础上,设计了一套基于嵌入式技术的用于激光雷达模拟探测的双通道高速数据采集系统。系统采样率为20MSPS,设计分辨率为14位。针对激光雷达回波信号的特点,系统总体设计采用在板存储器方式进行数据传输和采集,采用外部信号触发的方式启动数据采集,数据存储的同时进行必要的数字信号处理。
   本文重点研究分析了系统的设计原理、硬件结构和软件流程。采用Atmel公司AT9ISAM9260处理器作为数据处理器件,AJtera公司CPLD芯片EPM7032AE作为时序逻辑产生器件,AD公司的双通道模数转换器件AD9248作为数据采集器件,以及IDT公司生产的FIFO芯片IDT72V233作为数据缓存器件,构建了系统的硬件结构,并对各模块详细阐述了设计思路和关键技术及其解决方法。在QuartusⅡ平台下结合Verilog语言,编写了该系统的时序逻辑产生程序。利用米散射激光雷达实验原始数据,研究并分析了回波信号信噪比的改善方法,提出了算术平均作为该系统的数据预处理方式。在此基础上,论文也设计了一种利用FPGA代替CPLD和FIFO的系统改进方案。
   本文设计方案为激光雷达采集技术的发展提供了一种设计思路,对于其他不同类型的激光雷达具有通用性和参考性。
[博士论文] 闫庆
机械工程 西安理工大学 2015(学位年度)
摘要:大气边界层是大气的近地面层,是人类活动最为密切的区域,大气边界层内的温度、湿度、风速、气溶胶分布以及下垫面结构,对地气系统有着重要的影响。雾霾天气的形成即是在静稳天气条件下,边界层内悬浮的气溶胶颗粒物浓度增强的直观表现。大气气溶胶作为重要的大气气象及物理参数,通过散射和吸收入射太阳辐射和截获地表长波辐射来影响地气系统的大气能量循环、碳循环、大气环流、水循环,在地气系统中扮演着重要的角色。实时准确地获取气溶胶分布剖面是大气科学研究与环境监测的重要任务。
  论文针对大气边界层内大气气溶胶的激光雷达遥感探测技术展开研究,根据大气气溶胶米散射理论,结合模拟探测技术,设计并搭建了人眼安全的三维扫描微脉冲米散射激光雷达产品级系统以及多波长米散射激光雷达实验系统,以西安西安周边地区为研究对象开展实验观测与分析,获得了特定城市局地的大气边界层内气溶胶时空分布廓线,大气边界层结构,污染物的空间分布与传输特性和不同气溶胶颗粒粒径分布的初步结果。研究结果表明系统在雾霾天气等高密度气溶胶聚集区域对气溶胶的时空分布可进行有效探测,为大气科学以及环境监测提供了探测手段和实验数据。
  研究了人眼安全的气溶胶遥感探测理论与技术,结合三维扫描自动化控制技术设计并研发了光机电一体化集成的人眼安全的扫描式微脉冲米散射激光雷达产品级系统。研究了强背景噪声条件下大动态范围微弱信号检测理论与技术,设计了基于模拟探测技术的激光雷达光电探测系统,保证激光雷达在高密度气溶胶聚集区域具有高时空分辨率和高精度探测能力,避免了使用光子计数近场信号饱和失真的问题。设计了基于光纤和窄带滤光片相结合的光学检测系统,实现了大气气溶胶的全天时探测。设计并编写了集系统控制、数据采集、可视化显示以及数据反演为一体的自动化软件,实现了全天时气溶胶空间分布与传输以及大气边界层结构的高效实时监测。
  研究了激光雷达性能参数测试方法与校正技术,分别从几何解析和高斯分布两个角度重点研究了系统几何重叠因子的计算方法并对设计的激光雷达系统进行了重叠因子校正。引入了激光发射光轴与接收轴夹角变化对系统几何重叠因子的影响并构建了含有夹角变化的重叠因子模型,并利用扫描雷达研究了多角度扫描实验数据拼接校正气溶胶垂直廓线的方法。利用模型和实验拼接方法对全高程大气消光系数廓线进行了理论和实验校正,降低了系统盲区以及常规反演方法引起的低层信号的不确定性,提高了激光雷达系统低层信号的探测能力,对于有效获取近地面大气气溶胶时空分布和传输规律提供较为可靠的实验方法。
  利用扫描激光雷达系统对西安西安周边地区边界层内大气气溶胶进行实验观测与分析,在激光脉冲能量为50μJ,望远镜接收孔径为254mm,信号平均时间40s及距离分辨率为7.5m且天气相对晴朗条件下,系统探测气溶胶的有效距离可达到白天3-5km,夜晚10-15km。研究了水平扫描探测的反演与可视化方法,实现了气溶胶水平分布,污染源判定,污染物扩散方式的有效探测。研究了边界层高度的反演方法,对比分析了各种方法的优缺点,与气象探空仪的温湿度廓线资料进行了对比分析,获得了特定城市局地的边界层结构年变化特征,为研究局部污染传输机理、城区大气边界层特征、区域性气溶胶传输源估计提供方法与手段。
  针对单通道米散射激光雷达系统获得信息单一且反演理论存在假设的不足,设计并搭建了以355nm、532nm和1064nm波长激光为激励源的多波长米散射激光雷达实验系统。设计了基于分色片和干涉滤光片的分光系统,实现不同波段米散射信号的精细分离和有效提取。利用该系统对西安地区的大气气溶胶开展初步观测实验,反演获得不同波长下大气气溶胶廓线、光学厚度廓线以及Angstr?m波长指数等特性参数的初步结果,为进一步研究不同粒径粒子谱分布提供技术手段和理论方法。
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EI CSTPCD 北大核心 SCI
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摘要:由于激光雷达光轴夹角的存在和光束质量分布的非均匀性,导致理论回波信号与实际回波信号有较大差别,需要对其进行校正.基于数学推导和软件仿真,给出了激光雷达重叠因子的数学表达式,分析了光轴夹角导致的系统重叠因子在全程探测空间的变化情况;分析了光束分布为高斯分布和均匀分布时的重叠因子变化情况;对激光雷达的距离校正信号和Klett算法公式进行了重叠因子修正,最后在对激光雷达系统参数标定的基础上,在重叠区域利用修正的Klett公式对其所测得到的回波信号进行了修正,在探测盲区利用斜率法修正距离校正信号,进而得到了符合理论与实际情况的激光雷达在全程上校正的消光系数曲线....
[期刊论文] 闫庆 华灯鑫 李仕春 艾宇
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北大核心 CSTPCD CSCD AJ CA CBST SA
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摘要:采用模拟探测技术研发了具有三维扫描功能的微脉冲米散射激光雷达产品,用于高密度气溶胶聚集地区的大气气溶胶光学特性及云的精确探测.详细介绍了该系统的整体结构、系统控制和数据采集处理软件.利用该系统对西安地区气溶胶及城市边界层特性进行观测研究,实验结果表明:在激光脉冲能量为50 μJ,重复率1 kHz,望远镜接收孔径为254mm,信号平均时间40 s及距离分辨率为7.5m的条件下,系统测量气溶胶的有效距离可达到白天3~5 km左右,夜晚15 km.系统可以为研究大气变化,特别是颗粒污染物的产生、传输和扩散的特性提供科学的测量数据....
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:传统的可视化软件与方法不能够准确地反映受大气湍流以及大气边界层影响的大气参数的细节信息,难以实现连续性的大气参数演变过程.提出了一种基于三次样条函数的激光雷达数据可视化插值法.分析了激光雷达数据的离散型特点,确定影响大气激光雷达数据可视化图形的关键因素,利用一定大气范围内的观测数据相互影响的关系,结合三次样条插值函数对插值数据进行修正并拟合观测数据的整体变化趋势.实验结果表明,该方法能够提高离散激光雷达数据间插值数据的准确性与可视化图形的平滑性,为激光雷达数据分析提供了有力手段....
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具.目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355 nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度.针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里珀罗标准具的266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统.由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266 nm波长的光,只需考虑臭氧对266 nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测.基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266 nm和355 nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析.结果表明,大气分子和气溶胶散射对266 nm波长光的影响远大于对355 nm波长光的影响.白天266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4 km左右,比355 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9 km;夜间266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6 km.探测距离小于5 km时,白天266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10 K.266 nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测....
摘要:激光雷达观测数据的特点是单点测量、数据格式与数值量纲不统一、结构多样.这种数据特点给数据之间的共享与分析利用带来困难.本文针对大气激光雷达数据的异构性,结合大气激光雷达数据的二维结构,将大气激光雷达观测数据处理方式转换为矩阵的运算,借鉴变换矩阵的基本思想,结合线性插值法填补缺失数据,并利用归一化方法对数据进行无量纲处理,给出激光雷达数据统一化转换模型,实现了数据无量纲统一化....
摘要:针对同轴米散射激光雷达,提出了判断出射激光束光轴和望远镜光轴是否同轴的准直判据.以判据最大化为控制目标,以二维电动镜架为执行机构,采用变步长调节算法,设计了同轴米散射激光雷达自准直系统.实验结果表明该系统可实现高精度快速自准直调节,调节精度可达0.05 mrad,验证了准直判据和调节算法的有效性.这有利于实现激光雷达系统的自动化和无人值守....
摘要:基于DDA法研究了复折射率、粒子形状和尺度参数对非球形气溶胶光散射特性的影响.仿真结果表明,气溶胶粒子的消光效率因子和散射效率因子随尺度参数增加呈减幅振荡.当复折射率实部增加时,消光效率因子和散射效率因子的振荡周期减小,而吸收效率因子略微增加;当复折射率虚部增加时,散射效率因子的振荡幅值和振荡中心值减小,而吸收效率因子显著增加.复折射率虚部增大时,椭球气溶胶粒子群的雷达比增大,退偏比减小.在近瑞利散射区,粒子形状对粒子的光散射特性影响较小,在米散射区时,粒子光散射特性与粒子形状密切相关.消光效率因子和散射效率因子随尺度参数变化的振荡幅值、周期和中心值一定程度上也反映了椭球形气溶胶粒子的非球形特征....
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:针对强背景光下,Mie散射激光雷达回波信号所含噪声的特点,提出小波滤波消噪方法.该方法通过小波变换分离出背景光的直流部分,并利用小波软阈值消除来自背景光的白噪声和探测系统的电噪声.为了验证该方法的有效性,提取并反演了Mie散射激光雷达系统实际探测得到的大气回波信号.反演结果显示有效探测距离从2.5 km提高到5 km,表明该方法能够在白天背景下有效降低Mie散射激光雷达回波信号中的电噪声和背景光的噪声污染....
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EI CSTPCD 北大核心 SCI
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摘要:大气温度是描述大气状态的重要基本特征参量之一.目前,基于Rayleigh散射的大气温度探测方法多应用于大气温度的相对探测,即温度反演时需要响应函数和校准程序.本文提出了利用固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪进行大气Rayleigh散射谱型的精细探测方法和残余米散射信号的抑制方法.根据Rayleigh散射谱特点,针对固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体介质类型、半儈全宽、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计.利用优化参数的固体腔扫描式法布里-珀罗干涉仪获取Rayleigh散射谱上离散点信息,并采用多项式插值方法获得拟合谱型,与根据标准大气模型和S6模型获得的理论谱型进行比对,大气温度探测不确定度小于0.8 K.当信噪比为10时,白天与夜晚的探测距离分别为4.5和7.9 km.该方法可实现大气温度廓线的全天时和儈精度绝对探测,并对同类儈光谱激光雷达分光系统研究具有借鉴意义,为我国儈光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的分光系统解决方案....
摘要:拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测.然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量.为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统.该系统选择Nd:YAG脉冲激光器的四倍频输出—266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6 nm的精细提取.计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响.而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测.实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度....
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北大核心 CSTPCD CSCD AJ CA CBST SA
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摘要:为深入研究气溶胶光散射特性,以米散射理论和粒谱分布为基础,仿真计算了多种气溶胶的雷达比和波长指数,研究了二者与入射光波长、气溶胶尺寸及复折射率之间的关系,仿真结果表明水云和雾在355 nm、532 nm和1064 nm波长的激光雷达比均约为19 sr,波长指数的绝对值很小,表明消光系数与波长之间不存在明显的依存关系.大陆型气溶胶的雷达比与其中soot型气溶胶的含量正相关,这与soot型气溶胶的强吸收性有关.大陆型气溶胶在532 nm波长的雷达比最大,在355 nm和1064 nm的雷达比相对较小.大陆型气溶胶的消光系数随波长增加而减小,其波长指数的平均值约为1.3....
摘要:为了准确、直观探测植物水分胁迫及生长状态信息,融合了叶绿素荧光动力学参数及荧光图像对不同干旱胁迫条件下的植物进行了实验观测.以460 nm蓝色LED作为激发光源,EMCCD加装690 nm带通滤光片进行荧光图像采集,对4种不同采样周期下的各1 000幅图像求每幅图的像素平均值,按时间序列绘制荧光强度,可得到信息更全面的叶绿素荧光动力学曲线,并计算得出各个动力学参数.同时,对不同时间产生的荧光图像进行降噪、乘除等运算,并用伪彩色显示,可直观分析各类因素导致的荧光分布不均匀性.对易失水叶片和非易失水叶片分别进行快速水分胁迫和缓慢水分胁迫实验,结果表明,荧光比R付及动力学曲线上次峰值出现的时间随着胁迫的加剧均发生相应变化,且与叶片含水率之间具有较高的拟合决定系数.因此,将叶绿素荧光动力学特征和图像信息相结合,可提高植物干旱胁迫早期预测的准确度和直观性,为现场连续无损地监测植物生长状态、各类胁迫信息、病虫害检测等提供了一种快速的遥测手段....
摘要:利用西安地区太阳光度计(POM-02)的观测数据,根据比尔-朗伯-布格定律计算了西安地区的大气气溶胶光学厚度(AODs),将其作为真值与NASA Terra卫星的MODIS C061产品中气溶胶光学厚度的三种反演结果进行了对比,探讨了三种反演算法在西安地区的精确度及适用性,并结合MODIS气溶胶产品统计分析了西安及周边地区气溶胶光学厚度的空间分布和季节变化特征.结果 表明:Terra卫星MODIS三种反演算法中DT&DB产品与太阳光度计反演的气溶胶光学厚度相关系数最高(0.92),故MODIS中的DT&DB产品最适用于西安地区,可用于西安地区气候变化以及大气污染等研究.分析关中地区AOD的时空分布特征及其可能原因可知:关中地区气溶胶主要包括人类活动产生的气溶胶和沙尘气溶胶,关中地区气溶胶光学厚度整体呈东高西低的分布趋势,高值中心主要分布在西安、渭南和咸阳等地区;气溶胶光学厚度在西安、咸阳地区春季最大、秋季最小,而在关中其他地区整体呈现春夏高、秋冬低的季节变化趋势....
摘要:分析了光纤Mach-Zehnder干涉仪作为鉴频器的多普勒激光雷达风速探测灵敏度及动态范围与光程差的关系.当光纤Mach-Zehnder干涉仪光程差从0.1 m变化到1.5 m时, 对应风速探测范围从±199.5m/s变化到±13.3m/s.光程差为0.45m时, 风速变化1m/s对应的最高灵敏度为2.15%.光程差误差将导致风速反演误差.当光程差为0.145 9m和1.088 9m时, 1nm的光程差误差将导致反演风速误差分别为1.028m/s和0.138m/s.应用激光波长调谐的方法得到光纤Mach-Zehnder干涉仪的透过率曲线, 由自由光谱范围精确确定了光程差的值.应用此干涉仪作为鉴频器的激光雷达完成了实际风速探测, 反演风速与相干探测风速具有较好的一致性, 证明了校准探测的正确性....
摘要:采用 Raman-Mie 激光雷达探测了西安地区夏季气溶胶的光学特性,分析了消光系数、后向散射系数和雷达比在不同天气条件下的变化规律。实验结果表明,强降雨后,气溶胶消光系数在2~5 km 范围内递减,并在5 km 以上趋于稳定;相对于降雨前,降雨后低层气溶胶消光系数明显增大,而3 km 以上高度范围内雷达比减小。这可能是由雨后气溶胶沉降、底层水汽密度增加所引起的。统计结果表明,晴天无云时,2~3 km 范围内气溶胶的消光系数和雷达比均比较稳定,消光系数在0.2~0.3 km-1之间,雷达比的平均值约为50 sr;3~5 km 范围内消光系数和雷达比均随高度递减;5~8 km 范围内,消光系数和雷达比逐渐趋于稳定,消光系数和雷达比的平均值分别约为0.05 km-1和20 sr,表明此范围内仍有微量的气溶胶粒子存在。实验期间,水云的雷达比约为17 sr。...
摘要:多纵模高光谱分辨率激光雷达是一种新型的高光谱分辨率激光雷达.本文在研究典型高功率Nd:YAG脉冲激光器的多纵模模式及其在大气中传输的气溶胶米散射和瑞利散射光谱的基础上,设计紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达系统,采用窄带干涉滤光片滤除太阳背景光的影响,设计可调谐马赫-曾德尔干涉仪,分离提取多纵模激光回波中的气溶胶米散射和瑞利散射光谱,并利用马赫-曾德尔干涉仪双通道输出的互补性原理,精确反演气溶胶光学参量.系统仿真结果表明,所设计的紫外域多纵模高光谱分辨率激光雷达能够实现10 km高度内的气溶胶光学参量精细探测....
摘要:为满足瑞利高光谱激光雷达对脉冲激光发射单元频率稳定性的需求,提出基于分子吸收的脉冲激光锁频方法.基于碘分子吸收光谱原理,采用GHz量级峰值保持电路、比例积分微分(PID)(proportional integration differential控制算法和精度为±0.02 K的控温系统,构建一套脉冲激光锁频系统.首先,利用BBO(β-BaB2 O4)晶体倍频的532 nm连续激光测量精确温控的碘分子吸收池,获得其1109线在不同温度下的吸收光谱,进而确定了鉴频曲线;其次,利用鉴频曲线的拟合方程获得通过碘分子吸收池后脉冲激光能量变化与频移量之间的定量关系及测量灵敏度;最后,利用PID控制算法对比频率设定值与频移量之间的差异,将该差异以电压形式反馈于种子激光器,通过种子激光器的频率改变补偿脉冲激光的频率漂移,继而实现脉冲激光的动态锁频.实验结果表明:在25 min内脉冲激光的频移小于±2.2 MHz,瑞利高光谱激光雷达测风误差小于±0.6 m/s,测温误差小于±0.5 K....
摘要:为实现大气水汽的全天时测量,选用Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励光源,设计日盲紫外域喇曼激光雷达系统.由于低层大气污染造成的臭氧污染,通过增加大气氧气的振动喇曼散射信号测量通道,实时反演近地表臭氧浓度的分布,为修正激光雷达方程中的臭氧吸收提供解决方案.同时,选用高光谱分辨率光栅和窄带宽激光反射镜设计光栅光谱仪作为激光雷达的分光系统.仿真计算表明,入射角为10°时,设计的光栅光谱仪可有效分离并提取氧气、氮气和水汽的振动喇曼散射回波信号,日盲紫外喇曼激光雷达系统可实现全天时状态下2 km高度范围内大气水汽的廓线探测....
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