载波调制高斯脉冲激光水下传输特性的仿真分析

光在水中传输时的吸收和散射效应使得激光的水下传输特性变得复杂,尤其是后向散射会造成目标对比度降低,导致利用激光进行水下探测时面临挑战,而载波调制技术可以用来抑制水下激光雷达的后向散射。利用基于蒙特卡罗方法的计算机仿真技术建立余弦调制高斯脉冲激光水下传输模型,并讨论光载微波脉冲宽度、调制频率和调制深度等参数对探测结果的影响。结果表明:相比于传统脉冲激光雷达的仿真结果,载波调制相关检测技术可以有效提高水下目标对比度;脉冲宽度存在最佳值,调制频率对目标回波信号的信噪比和测距精度有影响,调制深度越大,目标回波信号的信噪比越高。     

水下运动目标激光扫描测距方法研究

相对于传统水下光电成像,水下激光扫描成像系统可以获得更远的作用距离和更好的图像质量.基于激光同步扫描技术,提出了水下运动目标的测距方法,并对测距误差进行了定量分析,为水下目标测距提供了一个新的途径.其中单探测头水下激光扫描测距方法能对合作目标进行测距,在近距离时具有较高的测距精度,双探测头水下激光扫描测距方法能对非合作...     

水下距离选通成像雷达激光照明模型

基于脉冲激光器的水下距离选通成像雷达是水下光电探测的重要手段之一,为了在探测距离内获得有效的照明范围,在小角度散射条件下,推导了水体光束扩展函数,提出了一种水下高斯光束激光照明模型。采用532 nm调Q倍频Nd:YAG脉冲激光器实验测量了不同发散角激光在水下目标平面上的照度分布半径。与其他模型仿真结果进行对比表明,该激光照明模型能够较好地吻合实验结果。模型误差随着照明距离和激光发散角的增加而变大,在目标平面直径为1 m的圆形照明区域条件下,仿真得到的照明光斑半径在8.5个衰减长度范围内与实测值误差不超过0.1 m。     

基于独立元分析的水下激光雷达后向散射噪声去除方法

模拟了调制脉冲激光雷达在水下的探测信号,利用快速独立元分析方法(FastICA)的迭代算法将探测信号中的目标与后向散射信号分离,恢复出浑浊水域被强后向散射淹没的弱目标反射回波信号,极大地提升了信噪比.将解调信号设置为调制频率及三倍调制频率余弦函数之和,目标回波信号只需一次相干解调即可获得,其峰值位置与目标和探测器之间的...     

载波调制激光雷达水下目标探测的仿真分析

激光雷达应用于水下目标探测,光信号受水体后向散射影响,导致目标对比度严重下降。一种以载波调制激光脉冲为探测信号的方法可实现对后向散射信号的抑制。利用基于蒙特卡罗的光子传输模型,模拟载波调制激光雷达水下目标探测的全过程。结果表明该方法对水下目标探测有明显改善,调制参数对探测性能有较大影响。     

激光波长对水中金属元素激光诱导击穿光谱探测的影响

针对激光诱导击穿光谱(LIBS)在海洋应用中的问题,对1 064和532nm两个激发波长下水中LIBS光谱特性进行探测分析,以比较其烧蚀效果。通过激光诱导等离子体的时间分辨光谱,分析水下等离子体电子密度随时间的演化规律,1 064nm激光诱导等离子体寿命约为1 200ns,而532nm激光激发情况下等离子体寿命仅约为600ns。基于光在水中的传输特性和LIBS的实验结果,建立了获得最佳LIBS探测效果所需的入水前激光脉冲能量Eiopt(r)与探测距离r的关系,并应用到水下原位探测的模拟分析。结果表明,当探测距离不大于5cm时,所需的入水前1 064nm激光单脉冲能量小于100mJ,该激发波长可用于LIBS的水下探测;当探测距离增至10cm时,所需的入水前532nm激光单脉冲能量只需30mJ左右。因此,当原位探测距离增加时,则需考虑选择532nm激光作为烧蚀光源。     

532和1 064 nm激光的水下LIBS探测对比研究

海洋是国家可持续发展的战略要地,迫切需要海洋探测技术的快速发展,光谱类的化学传感器由于具有原位、非接触和长期探测的优势日益成为研究热点。为了将激光诱导击穿光谱（LIBS）技术应用于海洋原位探测,采用532和1 064 nm波长激光在能量分别为3和40 mj附近进行烧蚀,对比实验研究了532和1 064 nm激光作用下的LIBS击穿特性,并重点探讨了水下激光传输距离对LIBS信号的影响。结果显示,采用1 064 nm的激光能够获得更高的谱线强度和信背比,以及更长的等离子体寿命,但LIBS信号稳定性较差;受水体对不同波长激光能量衰减不同的影响,在水下传输距离2～5 cm范围内,随着1 064 nm激光能量的衰减LIBS信号衰减也很明显,而位于海水“透射窗口”的532 nm的激光LIBS信号基本保持不变。为今后LIBS海洋原位探测系统的开发提供了有价值的设计依据。     

基于距离选通成像系统的水下目标探测技术研究

 基于距离选通原理,采用波长为532 nm、脉冲宽度为20 ns的Nd∶YAG激光器和距离选通ICCD成像系统,通过脉冲激光照射水下目标,ICCD系统同步选通接收,对漫射衰减系数约为0.45的8 m水深内的水下目标的成像能力进行了实验研究,获得了10 ns的图像选通效果和7 m的探测能力。实验结果表明,距离选通成像方法是一种快速、有效的水下目标探测和识别手段。     

基于受激布里渊散射的宽带宽和高精度的微波频率瞬时测量

提出了一种基于受激布里渊散射效应的瞬时频率测量方法.未知信号经过强度调制作为泵浦光,矢量网络分析仪产生的信号经过相位调制作为扫描信号光,当泵浦光和扫描信号光之间满足相位匹配条件时,受激布里渊散射效应发生并实现相位调制到强度调制的转换,未知信号的频率被测量.实验验证可以测量0.5 GHz-27 GHz的微波信号的频率,最大误差小于20 MHz.     

基于受激布里渊散射的宽带宽和高精度的微波频率瞬时测量（英文）

提出了一种基于受激布里渊散射效应的瞬时频率测量方法.未知信号经过强度调制作为泵浦光,矢量网络分析仪产生的信号经过相位调制作为扫描信号光,当泵浦光和扫描信号光之间满足相位匹配条件时,受激布里渊散射效应发生并实现相位调制到强度调制的转换,未知信号的频率被测量.实验验证可以测量0.5GHz-27GHz的微波信号的频率,最大误差小于20 MHz.     

激光照明水下目标距离选通成像系统的研制

基于水下目标探测的应用需求,研制开发了一套激光水下距离选通成像系统。系统采用波长532 nm、最大单脉冲能量400 mJ的Nd:YAG脉冲激光器作为照明光源,采用最小选通门宽3 ns、像元10241024的ICCD相机作为门选通器件和图像记录器件,利用DG535型数字脉冲发生器作为精确延时和同步控制器件实现激光脉冲和ICCD相机选通门的同步以实现距离选通功能。利用该系统在某水库进行了水下目标探测实验,实验结果表明,该系统可在6.5倍的衰减长度上识别目标,在8倍衰减长度上发现目标。     

圆盘透明度在水下激光成像系统性能评估中的应用

水下激光主动成像系统的探测能力不仅与探测系统自身参数有关,还与水质等环境因素有关。为评估水质对水下激光成像系统探测能力的影响,根据圆盘透明度成像模型,研究了吸收系数、散射系数、漫射衰减系数等水体水质参数与圆盘透明度的关系,给出了圆盘透明度与水下激光主动成像系统最大探测深度的表达式。实验表明,ICCD距离选通水下激光主动成像系统最大探测深度值与理论计算值相对误差小于20%。基于成像理论的圆盘透明度模型反映了水下激光成像系统探测能力与水体水质参数的关系,可用圆盘透明深度来评估水下激光成像系统的探测能力。     

激光告警散射截获距离仿真

针对近地面来袭的激光威胁源,建立基于米氏散射理论的散射探测模型。利用matlab软件对散射光光强随激光探测方向、大气能见度的变化进行了数值分析,结果表明,探测散射光最强的方向是平行于主轴传输方向,大气能见度和散射光强成非线性关系。在分析散射光强受气象条件变化的基础上,得到了不同激光威胁源情况下,激光告警的最大散射截获距离。     

不同光照条件下水下成像背景光的建模与研究

由于光在水中传输时的衰减和散射效应, 水下成像系统通常很难达到令人满意的成像效果, 而成像过程中由于光散射产生的背景光则是造成水下图像退化的主要原因. 本文对自然光照和人工光照两种不同光照条件下的水下成像背景光进行了建模和仿真分析. 结果显示: 自然光照下的无穷远处背景光与衰减系数成反比, 与散射系数成正比; 人工光照下的无穷远处背景光则与衰减系数、散射系数和相机-光源距离有关. 两种光照条件下的背景光都可以用无穷远处背景光的指数衰减表达式来表示. 水下图像背景光的强度主要与水体光学参数、相机-景物的距离、相机-光源的距离及相机成像角等因素有关. 本文的研究结论不仅可用于水下成像系统的设计与优化, 也可用来从水下图像背景光中估计水体光学参数、相机-景物距离等图像信息.     

水下物体激光圆偏振成象实验及与线偏振成象的比较

采用波长532nm激光作光源,面阵CCD作探测器,利用圆偏振技术进行水下物体成象实验研究,对实验结果进行了分析并与线偏振成象技术进行了比较。结果表明无论是采用圆偏振技术还是线偏振技术都可提高水下物体成象的衬比（度）和成象距离;水体较清时圆偏振成象清晰度远远大于线偏振成象清晰度;当水体较混时,圆偏振成象清晰度大大下降和线偏振成象效果相接近。     

激光水中衰减系数的比较测量法研究

研究了激光水下衰减系数的比较测量法,通过在激光传输路径上进行多点测量激光能量或功率,经过数据拟合获得准确的激光水中衰减系数,此方法可以消除一般测量方法容器侧壁的反射及吸收的影响,并可在较长距离测量激光传输路径上不同位置的衰减系数。在实验室中测量了脉冲绿光、连续绿光、连续蓝光在自来水中衰减系数并进行了比较,结果表明蓝光在水中的衰减系数大于绿光。对水下光通信及水下目标探测具有一定参考价值。     

水下Co-60源切伦科夫辐射的蒙卡模拟

随着核应用领域的不断拓宽,放射源丢失事故发生的概率也随之增加。机载伽马谱仪可有效搜寻地面放射源,然而对于放射源丢失于水域的情况,由于伽马射线经由水层屏蔽后可探测性降低,故利用放射源在水中产生的切伦科夫辐射对其进行搜寻显得十分重要。采用MCNP与Geant4相结合的方法,以及在Geant4程序中采用接续计算技巧,对Co-60源在水中的切伦科夫光产生以及传输进行了计算,计算表明,切伦科夫光经水中传播后,主要波段在300~600 nm,强度呈由边缘到中心渐强的特征分布,分布范围大致与放射源在水中的深度一致,在水中传输300 m后其光通量约为100 cm-2,可利用光谱特征和强度分布特征对其进行测量。     

分体式原向反射法水下武器速度测试技术研究

水下动态参数的测试是特种武器、两栖武器、水下专用武器性能考核的必备环节，而水下运动体的速度信息是评价水下武器性能的重要指标之一。针对现有的水下高速目标参数测试系统中存在的成本高、安装调试复杂、设备体积庞大等问题，提出一种以激光光幕为有效区域水上、水下分体式，实时、非接触的测速方法。通过分析Lambert-Beer定律和体散射函数等数学原理，确定了水下光谱传输规律综合考虑性价比获得最佳峰值波长；将1m的圆柱体作为散射体模拟光在水中的散射情况，追迹空间区域内的光线总数为1×105，获得位于传播方向上1，3，5和7 m处的接收面上辐照度的光能量分布，从而获取系统激光光源的最佳峰值功率。以此为依据，采用定距测时原理和一维原向反射技术，由峰值波长为532 nm的半导体光纤耦合绿光激光器、光纤耦合式鲍威尔棱镜防水扩束器、一维原向反射器等构建光学系统。激光光源、光电转换部分和信号调理部分位于水上，激光光幕和原向反射器位于水下，通过光纤束完成两路光信号的发射和反射光的回收。发射端光纤一端与光源耦合，另外一端与鲍威尔棱镜耦合置于水下形成扇形光幕。接收端光纤一端均布于鲍威尔棱镜出口，另一端与PIN型光电传感器耦合。设计齿形一维原向反射器并完成加工制造，光线将沿着入射光方向原向返回，另外一维方向则仍为镜面反射，将接收系统置于发射点垂直光面内附近即可接收大部分光能量，解决了现有原向发射器因水介质折射率不同于空气而导致原向反射特性消失的问题。实验采用波长为(532±5) nm绿光激光器，功率稳定性<1%，光学噪声< 0.5%，准直后耦合至长度为2 m的单模光纤再经过鲍威尔棱镜展宽为60°扇形一字线光幕，扩束模块封装采用尼龙防水材料，接收光纤均布于光源周围形成环形光纤束，光纤另外一端均匀排列与PIN光敏二极管直接耦合。光敏二极管前加中心波长为532 nm的光学滤光片，FWHM=(3±1) nm，透过率为70%。PIN型光敏二极管有效尺寸为5.0 mm×5.0 mm。采用多档可调的光电信号调理电路以适应不同尺寸的测试对象。该系统进行了不同目标速度参数测试实验，以钢弩为发射装置，信号经过光纤回收、信号调理，采集至计算机处理获得波形及区间内平均速度，两激光光幕之间的距离为定值300 mm，波形峰值作为计时时刻。成功获取了较高信噪比的波形信号和目标速度值。利用水下运动体模型与模拟结果进行比较得到其绝对误差。实验结果表明： 本方法结构简单、重复性好，可实现有效区域达到1 m×1 m，最小可测目标尺寸为5 mm，理论测速上限可达1 000 m·s-1，实验数据通过与理论经验公式结果比对表明，系统测试精度可达0.2%。     

相干瑞利散射海水水下温度测量技术的理论研究

海水水下温度的快速大范围测量是海洋监测的重要内容,在民用和军事领域都有着至关重要的意义,本文提出了采用相干瑞利散射方法测量海水水下温度的新方法:用宽带高速光电探测器接收本振激光和海水后向瑞利散射光相干产生的差频信号,进行傅里叶变换分析获取海水瑞利散射展宽谱,从而反演海水温度,首先从海水的热力学特性出发,对利用瑞利散射谱测量海水水下温度的基本原理进行了理论研究和软件模拟;然后对采用相干探测测量海水瑞利散射谱的测量方法进行了理论分析和软件模拟;在此基础上对瑞利散射海水水下温度测量精度进行了分析,得出当水体瑞利散射频谱半宽度测量精度为1 MHz时,测温精度约为0.35 K。