光学雷达用大功率LED脉冲准直光源设计

摘要

激光雷达是以激光为发射信号的主动式现代光学遥感设备，具有高时空分辨率和连续探测能力，被广泛应用于大气环境监测领域。但是受激光波长的限制，影响了其在气溶胶探测领域的应用。LED作为大气探测雷达的光源比起激光光源有许多优势。利用其波长丰富的特点，可以在特定波长上对气溶胶的光学特性进行探测并使粒谱分布测量得以实现。此外，用LED作为雷达的发射光源可以实现探测雷达的小型化和低成本化。
　　本文设计一种基于大功率LED的光学雷达用脉冲准直光源，论文从光学雷达的探测机理和LED的主要特性出发，主要解决LED光源能量聚集、光束质量和光脉冲调制这三方面问题。
　　本文首先采用能量压缩技术设计纳秒脉冲电路，利用雪崩晶体管的雪崩效应和雪崩电容放电来产生高电压窄脉冲信号，并且根据对LED伏安特性和热学特性的分析，设计恒流式驱动电路，保证大功率LED稳定发光。
　　其次，分析了LED光源模型，针对LED单颗能量不足的缺点，设计由7颗大功率LED构成的阵列式组合光源头，以解决系统大功率输出的问题。同时使用光学设计软件Zemax为LED设计二次配光器件—TIR准直器，以压缩LED芯片的出光发散角和简化后期光路设计。
　　再次，针对LED阵列光源面积较大的问题，采用透镜组与导光棒相结合的方法完成准直系统的设计。使用光学设计软件Zemax对整个准直系统进行优化设计与模拟仿真，结果表明该系统符合雷达要求，证明了该系统设计的合理性。
　　最后，基于系统的优化设计结果，使用脉冲信号驱动大功率LED阵列，进行了准直光路系统的实验测试，实验测得出光发散角为20.75mrad，并对系统进行了分析。

目录

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 大气探测雷达技术

1.3 LED的特点

1.4 LED应用

1.5 国内外研究现状

1.6 课题研究的主要内容

1.7 本章小结

2 LED光源系统总体方案

2.1 LED光学雷达脉冲准直光源设计方案

2.2 大功率LED阵列光源脉冲调制驱动方案

2.3 大功率LED阵列光路准直方案

2.4 本章小结

3 大功率LED阵列光源脉冲调制驱动电路设计

3.1 脉冲触发源

3.2 纳秒脉冲电路设计

3.3 脉冲恒流驱动电路

3.4 本章小结

4 大功率LED阵列准直光源系统设计与仿真

4.1 LED阵列光源头设计

4.2 大功率LED阵列准直系统设计

4.3 本章小结

5 实验与结果分析

5.1 LED阵列脉冲调制驱动实验与结果分析

5.2 LED阵列准直系统实验与结果分析

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文内容总结

6.2 后期工作展望

致谢

参考文献

研究生期间发表的论文