基于CCD成像的激光雷达自动对光技术研究

摘要

激光雷达作为目前最常用、最重要的大气探测手段之一，在探测大气气溶胶、边界层、水汽、CO2等方面发挥着重要的作用。为保证探测数据的准确性与可靠性，激光雷达工作之前进行发射系统光轴与接收系统光轴的平行调整（对光）工作尤为重要。激光雷达实现自动对光，能够有效地提高激光雷达自动化程度与工作效率，还是保障机载和星载激光雷达数据可靠性的唯一途径。
　　本论文主要研究基于CCD成像的激光雷达自动对光技术，对该技术的可行性和对光误差做了分析，并提出了该技术实现中的图像采集处理与硬件设计。全文共分为六章:
　　第一章，阐述了激光雷达技术的基础，以及利用激光雷达进行大气探测的基本原理，对激光雷达方程进行了介绍。还阐述了进行激光雷达自动对光的研究意义，以及目前自动对光技术在国内外的研究进展。
　　第二章，主要介绍利用CCD成像进行自动对光的技术研究。首先介绍了论文所使用的双波长米散射激光雷达系统，对该雷达的基本结构和控制软件进行了介绍，还提出了对该激光雷达结构进行改造的设计。然后介绍了利用成像法进行自动对光技术研究的理论分析，利用Zemax软件对该技术进行仿真以及利用CCD接收回波信号成像的实际观测对该技术进行验证。
　　第三章，介绍了CCD进行图像采集的软件，主要是利用LabVIEW调用图像采集系统自带的OKAPI32.dll接口动态库来实现。图像采集完成之后，最重要的就是对图像进行处理，将处理结果转换为对二维电动调整架的控制。
　　第四章，讲述了自动对光的精度及相应的误差分析，首先分析了CCD采集图像在对光过程中产生的误差，然后讲述了二维电动调整架产生的误差，最后讲述了对光过程中所能容许的对光界线。
　　第五章，在对自动对光技术可行性论证之后，需要搭建相应的硬件系统完成实验验证。介绍了硬件设计思想，主要包括相关的硬件选型和光路改造，发射光路改造重点在于安装二维电动调整架，接收光路改造重点在于CCD和探测器的安装。
　　第六章，总结了论文的主要工作，对主要创新点进行了凝练，也提出了本论文的不足之处，最后对电机调整高效算法和图像处理技术改进做了进一步的展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 激光雷达技术基础

1．2 激光雷达大气探测原理

1．3 激光雷达方程

1．4 激光雷达自动对光意义

1．5 自动对光方法介绍及国内外研究进展

第二章 激光雷达自动对光技术

2．1 双波长米散射激光雷达

2．1．1 激光雷达基本结构

2．1．2 双波长米散射激光雷达

2．1．3 双波长米散射激光雷达的软件控制

2．1．4 双波长米散射激光雷达自动对光结构改造

2．2 自动对光技术理论分析

2．3 自动对光技术软件仿真

2．3．1 Zemax软件介绍

2．3．2 Zemax设计过程

2．3．3 Zemax设计结果

2．4 实验观测结果

2．4．1 CCD摄像机

2．4．2 实验观测结果

第三章 图像采集与处理

3．1 图像采集程序

3．2 CCD图像处理

第四章 自动对光精度及误差分析

4．1 CCD采集图像误差

4．2 二维电动调整架误差

4．3 对光界线分析

第五章 硬件设计和后续工作

5．1 发射光路改造

5．1．1 二维电动调整镜架

5．1．2 控制卡及驱动器的选型

5．1．3 发射光路改造

5．1．4 二维电动调整架调整

5．2 接收光路改造

5．3 后续工作

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果