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激光雷达接收系统的噪声特性研究

2020-12-06阅读(366)

激光雷达接收系统的噪声特性研究

论文摘要

激光雷达的应用十分广泛,无论在军事上还是民用上都具有极高的应用价值,是目前高科技领域研究的热点。激光雷达的研究,不仅需要建立高性能的激光雷达系统装置,还需要进行激光雷达的系统性能及应用研究。影响激光雷达系统性能的因素很多,包括如大气传输特性、目标特性等,对这些特性的研究,一方面可通过实验获取数据,然后进行理论分析,另一方面,可通过计算机仿真的方法,首先建立激光雷达系统理论模型,然后在此基础上,再进行影响激光雷达系统性能的诸因素的研究。计算机仿真,除了节约研究经费外,还具有更大的自主性,可以根据需要合理地设置大气、目标、激光系统等特性参数等。建立激光雷达仿真模型,首先需要建立激光雷达发射、接收系统模型,在接收系统模型中,核心是光电探测器模型的建立,其次还包括信号处理如放大、滤波、脉冲幅度鉴别等部分。本文针对目前激光雷达技术发展的需要,细致地研究了激光雷达接收系统的噪声特性,在理论研究的基础上通过仿真实验对接收系统的各种噪声进行分析并得出结论,进一步地针对具体问题提出了解决的方法及新的设计思想。这对激光雷达技术的发展完善及其它应用领域信号的测量都具有较深远的意义。论文首先介绍了激光雷达接收系统的组成和原理,并建立了基于理论及仿真的理想高斯脉冲发射模型。在此基础上重点研究了雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）、跨阻抗前置放大器（Transimpedance Amplifier, TIA）的噪声特性及自动增益控制放大器（Automatic Gain Control, AGC）的设计方法。对于APD,详细讨论了它的噪声特性、温度特性、增益特性、偏压特性及其他一些特征参数,独立研究并设计了一个APD内部的适应温度变化的增益控制系统,此系统采用温度的偏压跟随控制原理,大大减小了由于温度起伏而产生的极强噪声（可把信号淹没）,同时稳定了系统的增益,优化APD的探测性能;对于TIA,为尽可能的降低系统的噪声同时又不影响其增益和带宽等性能,参数的选择一直是问题中的难点,本文通过对其噪声特性、温度特性、增益特性及频率特性的研究与讨论得出重要结论,依据激光雷达特点选择了恰当的参数并建立了shunt-shunt feedback TIA仿真模型,得到较好的输出结果;最后通过对不同种类AGC系统的仿真分析与比较,研究并设计了一个基于对数运算法则的负反馈AGC自动增益控制放大器,在理论分析的基础上进行了仿真实验,结果证明了此系统的优越性、有效性及可行性。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 激光雷达的发展
  • 1.2 本课题的现状和发展趋势
  • 1.3 本课题研究的目的和意义
  • 1.4 激光雷达接收系统的组成及工作原理
  • 1.5 本文研究的主要内容和结构安排
  • 第2章 APD 的噪声特性研究
  • 2.1 APD 的工作原理及应用
  • 2.1.1 APD 的工作原理
  • 2.1.2 APD 的分类、性能及应用波段
  • 2.1.3 APD 光电转换定律
  • 2.1.4 APD 的现状及发展
  • 2.1.5 APD 的重要特性参数
  • 2.2 APD 的噪声特性及温度特性研究
  • 2.2.1 APD 的噪声种类及特性
  • 2.2.2 温度特性的研究
  • 2.3 APD 仿真实验分析
  • 2.3.1 APD 模型的建立
  • 2.3.2 仿真实验的分析比较
  • 2.3.3 实验结果分析与讨论
  • 2.4 APD 内部增益控制系统的设计与仿真
  • 2.4.1 适应温度变化的内部增益控制系统设计
  • 2.4.2 Matlab 仿真
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 低噪声前置放大器特性研究
  • 3.1 低噪声前置放大器概述及分类
  • 3.1.1 低噪声前置放大器概述
  • 3.1.2 前置放大器的分类
  • 3.1.3 跨阻抗前置放大器（Transimpedance Amplifier-TIA）
  • 3.2 前置放大器的噪声特性分析
  • 3.2.1 前置放大器的基本噪声
  • 3.2.2 噪声系数
  • 3.2.3 跨阻抗前置放大器的噪声
  • 3.3 适于激光雷达接收系统的低噪声前置放大器的研究
  • 3.3.1 低噪声前置放大器的选择
  • 3.3.2 噪声特性的仿真分析
  • 3.3.3 TIA 模型仿真
  • 3.3.3.2 Matlab 仿真由此我们建立带有噪声的TIA 模型如图3-12
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 AGC 特性研究
  • 4.1 AGC 的工作原理
  • 4.2 AGC 的类型及分析比较
  • 4.2.1 基于线性AGC 的仿真实验分析
  • 4.2.2 基于对数AGC 的仿真实验分析
  • 4.3 适于激光雷达接收系统的AGC 设计与仿真
  • 4.3.1 适于激光雷达接收系统的AGC 设计
  • 4.3.2 Matlab 仿真
  • 4.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文

    • 相关论文文献

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