激光雷达数据采集系统框架研究

摘要

激光雷达拥有极高的时域，频域和空间分辨能力，其在制导、目标跟踪、光学遥感、空间交会对接，弹道修正等多种军事领域，以及交通测速、环境监测、地理测绘等民用领域都有广泛应用。激光雷达的种类繁多，工作原理和体制也各不相同，有成像激光雷达，测距激光雷达，多普勒激光雷达，差分吸收激光雷达等等，因此激光雷达的数据采集方式也是多种多样，目前并未形成统一的标准。
　　 目前，有小部分激光雷达采用了专用数据采集设备，这些设备根据特定需求设计，可复用性不高，无法快速移植到其它激光雷达系统。大部分的激光雷达采用通用数据采集设备或仪器来达到采集目的，但是其缺陷在于:一方面通用设备应用领域过于宽泛，无法很好地契合激光雷达的采集需求;另一方面很难在此基础上进行二次开发，将其整合进入激光雷达系统中。
　　 针对上述情况，在总结激光雷达数据采集特点和规律基础上，建立高可复用的数据采集框架是很有必要的，框架中应包括该大多数激光雷达中常用采集方法和技术，可以快速组合和重构，实现各种激光雷达数据采集应用。本文以此为目标，展开了以下研究工作:
　　 (1)具体分析了激光雷达发展的国内外现状，总结了激光雷达的发展趋势，并从中提炼出对数据采集系统的总体要求。
　　 (2)系统研究了激光雷达的主要工作方式，作用距离，以及各种功能的实现原理，并且讨论了激光雷达发射系统的核心:激光光源，以及接收系统的主要设备:光电探测器。在此基础上，进一步讨论了激光雷达信号探测的主要模式。
　　 (3)深入分析了激光雷达数据采集系统框架的信号采集，数据流控制，时序控制，集中自动化控制，数据库等各项需求。具体阐述了可重构技术，信号调理，模数变换，光子计数，时间测量，数据缓存，数据处理，集中控制，数据通信，虚拟仪器，数据库访问等框架各部分的设计与实现。
　　 (4)在能见度激光雷达、多普勒测风激光雷达、差分吸收激光雷达和强度关联成像激光雷达等多个项目中，成功应用了数据采集系统框架，经测试，该框架满足了项目各项需求，并提高了项目开发效率。
　　 本论文工作的主要创新点在于:
　　 (1)系统研究了激光雷达的工作原理和探测方式，归纳出了激光雷达数据采集的规律和模式，将可重构和高度复用的框架开发概念引入激光雷达数据采集研究领域。
　　 (2)提出了激光雷达数据采集系统框架，并在框架下设计和实现了一系列的软硬件模块，建立起相应通信协议，覆盖了大多数激光雷达常用的数据采集技术和方法，可以满足大多数激光雷达数据采集需求。
　　 (3)成功地将激光雷达数据采集系统框架应用在能见度激光雷达，多普勒测风激光雷达，差分吸收激光雷达和强度关联成像激光雷达等多个项目中，实践证明该框架在激光雷达研究领域中具有很好的应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 激光雷达介绍

1．2．1 基本工作原理

1．2．2 激光雷达特点

1．2．3 激光雷达分类

1．3 激光雷达研究的国内外现状

1．3．1 成像激光雷达

1．3．2 大气激光雷达

1．3．3 激光雷达数据采集系统

1．4 激光雷达发展趋势及采集需求

1．4．1 激光雷达发展趋势

1．4．2 激光雷达数据采集系统需求

1．5 本文主要研究内容

第2章 激光雷达工作原理

2．1 激光雷达探测方式

2．1．1 非相干探测

2．1．2 相干探测

2．2 激光雷达作用距离方程

2．2．1 标准形式

2．2．2 特殊形式

2．3 激光雷达主要功能

2．3．1 距离测量

2．3．2 速度测量

2．3．3 角度测量

2．3．4 成像

2．3．5 大气探测

2．3．6 荧光探测

2．4 激光雷达辐射源

2．4．1 气体激光器

2．4．2 半导体激光器

2．4．3 固体激光器

2．4．4 短脉冲技术

2．5 激光在大气中的传输特性

2．5．1 大气窗口

2．5．2 大气吸收

2．5．3 大气散射

2．6 光电探测器

2．6．1 光电倍增管

2．6．2 雪崩光电二极管

2．6．3 电荷耦合器件

2．6．4 新型光电探测器

2．7 激光雷达信号探测模式

2．7．1 单探测器模式

2．7．2 双探测器模式

2．7．3 阵列探测器模式

第3章 激光雷达数据采集系统框架设计

3．1 激光雷达数据采集需求分析

3．1．1 总体需求分析

3．1．2 信号采集需求

3．1．3 时序控制需求

3．1．4 系统控制需求

3．1．5 数据流控制需求

3．1．6 数据库

3．2 框架概要设计

3．2．1 硬件概要设计

3．2．2 软件概要设计

3．3 信号采集

3．3．1 信号调理

3．3．2 模数变换

3．3．3 光子计数

3．3．4 时间测量

3．4 时序控制

3．4．1 门控信号输入

3．4．2 门控信号输出

3．5 数据缓存

3．5．1 高速缓冲器

3．5．2 SRAM

3．5．3 DDR SDRAM

3．6 数据处理

3．6．1 数据修正

3．6．2 频谱分析

3．7 集中控制

3．7．1 数字I/O

3．7．2 模拟量输出

3．7．3 模拟量输入

3．8 数据接口

3．8．1 USB

3．8．2 以太网

3．8．3 通信协议

3．9 采集软件

3．9．1 数据通信

3．9．2 数据库

第4章 激光雷达数据采集系统框架应用实例

4．1 大气能见度激光雷达

4．1．1 探测原理

4．1．2 系统设计

4．1．3 测试

4．2 多普勒测风激光雷达

4．2．1 探测原理

4．2．2 系统设计

4．2．3 测试

4．3 差分吸收激光雷达

4．3．1 探测原理

4．3．2 系统设计

4．3．3 测试

4．4 强度关联成像激光雷达

4．4．1 探测原理

4．4．2 系统设计

4．4．3 测试

第5章 总结和展望

5．1 总结

5．1 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