脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号.基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大,且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化;脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回波信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

脉冲宽度对云雾回波的影响研究

云雾后向散射会产生引发激光引信虚警的回波信号,基于蒙特卡罗法,对云雾散射回波进行了模拟仿真,并定量给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉冲宽度的变化规律.研究结果表明,回波峰值功率随着发射脉宽的增大而增大.且当发射脉宽增大到50ns后趋于饱和,峰值功率将不随脉冲宽度的变化而变化:脉冲展宽的程度随发射脉宽的增大而减弱;发射脉宽对云雾散射回波波峰位置的影响较小.给出的回渡信号模拟仿真结果可以为窄脉冲激光引信的目标识别以及探测阈值和脉冲宽度等参量的优化设计提供依据.     

激光雷达湍流大气探测

基于湍流对激光束的扩散和漂移效应,提出了一种采用激光雷达观测湍流强度的方法。湍流对光束产生扩散和飘移作用,使激光光束偏离激光雷达接收视场,造成后向散射光能量损失。对比常规散射回波信号与畸变回波信号的差别可以测量湍流强度。实验表明该方法与其他方法的测量结果具有一致性,证明了该方法的有效性。     

激光在云雾中传输的消光特性（英文）

研究了大气分子和云雾粒子对入射激光的吸收与散射效应.采用Kruse模型、单次散射近似法和蒙特卡洛法计算了谱分布参量不同的三种云雾对0.86μm波长激光的消光特性,结果表明:能见度小于0.5km时,Kruse模型不再适用于云雾消光系数的计算;能见度相同时,消光系数的单次散射近似结果大于蒙特卡洛的仿真结果,导致传输距离相同时,云雾对0.86μm波长激光透过率的单次散射近似结果小于蒙特卡洛的仿真结果;同一能见度下谱分布参量不同的三种云雾,消光特性的差别较小,云雾粒子尺度分布对消光特性的影响不明显.     

炸药爆炸作用下液体破碎后颗粒尺寸分布的研究

 对液体抛撒的液滴尺寸进行研究在军事和民用上是很重要的,国内刚开始使用激光散射仪开展此项研究工作。利用R. A. Dobbins等人的液体颗粒测量技术,研制了一套既简单又实用的测量液体抛撒过程中液滴尺寸的实验装置——激光散射仪。对于激光与液体微粒的相互作用,当微粒的反射与折射和吸收效应可被忽略时,可导出液体微粒对激光散射的光强公式。只要测量激光被微粒散射的光强,就可推算出微粒的Sauter平均直径。在使用激光散射仪测量液体抛撒液滴尺寸的实验中,用水代替爆炸抛撒液体,测量结果表明：液体抛撒二次破碎中,在固定位置测量到的云雾区液滴Sauter平均直径随测量时间的增加呈现出减小的趋势;而云雾区的宽度则随着与抛撒中心距离的增大而呈现出增加的趋势;云雾区前沿的液滴Sauter平均直径随着与抛撒中心距离的增加而呈现出先逐渐增大然后迅速减小的趋势。为便于比较,对燃料抛撒二次破碎进行了回收法测量和数值模拟计算,其测量与计算结果与用激光散射仪测量的结果有较好的一致性。     

激光脉冲宽度对远距离尾流气泡后向检测的影响

为了分析激光脉冲宽度对远距离尾流气泡后向检测的影响,基于Fournier Forand体积散射函数,通过Monte Carlo方法建立了水中激光脉冲后向散射信号时域特征的分析模型.利用该模型研究了初始激光脉冲宽度不同时,水中远距离舰船尾流气泡的激光脉冲后向散射信号变化情况.结果表明:随着初始激光脉冲宽度的增加,后向散射信号中水体散射信号与尾流气泡回波信号的轮廓变得模糊|当脉冲宽度增大到一定程度时,无法从后向散射信号中辨别出回波信号|并且,随着尾流区气泡散射强度的减小以及气泡区与检测器之间距离的减短,这种变化趋势变得更加明显.基于仿真结果,提出一种基于逆卷积运算的尾流气泡回波信号提取方法.     

光子晶体光纤中超连续谱产生的蓝移光谱分析

以理论和实验相结合的方法对光子晶体光纤中超连续谱产生的蓝移光谱进行了研究.实验研究了超连续谱蓝移光谱随入射激光的功率的变化,着重分析了光谱在短波方向展宽的机制.结果表明:在入射激光功率较低的情况下,利用包含色散、自相位调制、自变陡及脉冲内拉曼散射效应的非线性薛定谔方程可以准确地分析光谱的展宽情况,理论和实验结果一致;但是,当功率较高时,光谱展宽的蓝移部分理论和实验结果出现差别.因此,在理论和实验的基础上讨论了四波混频及交叉相位调制效应对超连续谱产生的影响,从而为超连续谱在短波方向的展宽提供了很好的实验和理论依据.     

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。     

水汽探测拉曼激光雷达的新型光谱分光系统设计与分析

提出并设计了一套新型的大气水汽和气溶胶探测用紫外域拉曼激光雷达系统, 以二向色镜和超窄带滤光片构成高效率拉曼光谱分光系统, 实现激光雷达大气回波信号中米-瑞利散射信号、 氮气和水汽的振动拉曼散射信号的精细分离和高效率提取. 利用美国标准大气的分子散射模型和实测的大气米散射信号模型, 对分光系统的米-瑞利散射信号的抑制率、大气水汽测量的信噪比和误差进行数值仿真设计. 搭建实验系统对西安地区夜间的大气水汽进行实验观测, 并利用有云天气下实测的激光雷达回波信号, 反演获得大气后向散射比和水汽混合比的相关特性, 验证了该拉曼光谱分光系统对米-瑞利信号的抑制率达到10^-7以上量级. 理论和实验结果表明, 设计的新型拉曼光谱分光系统可以在大气后向散射比为17时, 实现水汽探测误差小于15%, 满足拉曼激光雷达系统对大气水汽的高效率探测. 关键词： 拉曼激光雷达 水汽混合比 大气后向散射比     

基于多重散射强度和偏振特征的舰船尾流气泡激光探测方法

研究多重散射效应对舰船尾流气泡群光散射强度和偏振特征的影响是舰船光尾流探测以及新型光自导鱼雷研究的基础. 基于矢量Monte Carlo方法建立了舰船尾流气泡群激光后向探测仿真模型, 重点研究了尾流气泡群的多重散射机理,分析了多重散射效应、尾流气泡群密度对回波信号强度和偏振特征的影响规律. 基于粒子碰撞重要性抽样的基本思想, 在传统能量接收方法的基础上, 提出了回波光子偏振贡献接收方法和回波信号偏振信息统计方法, 解决了小视场系统光子返回概率低无法形成回波能量的难题. 构建了模拟尾流气泡群激光散射强度和偏振探测实验平台, 从实验的角度验证了模拟结果的准确性. 实验和模拟结果的一致性表明, 利用回波强度、偏振信息可表征气泡群距离、密度信息, 从而可对舰船尾流特别是低密度尾流进行高精度的探测和辨识. 关键词： Monte Carlo 偏振 多重散射 气泡     

舰船尾流气泡后向光学检测方法研究

为探索舰船尾流后向光学检测方法,研究了尾流气泡对水中激光脉冲后向散射特性的影响。首先基于Fournier Forand 体积散射函数,利用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法理论分析了近距离尾流气泡对激光脉冲后向散射特性的影响。然后,采用蓝绿激光脉冲作为光源,实验研究了模拟尾流气泡对激光脉冲后向散射信号的影响。研究表明,尾流气泡的存在会使得激光脉冲后向散射信号前沿位置在时域左移,后沿位置在时域右移,信号时域宽度增加,能量增强,峰值增大且位置在时域左移。最后根据研究结果提出了一种基于激光脉冲后向散射信号特征变化的舰船尾流气泡后向检测方法。     

KrF激光脉冲整形研究

 实验研究了脉冲堆积法对KrF激光的整形能力。利用受激布里渊散射(SBS)压缩脉冲获得了脉宽为3~5 ns的短脉冲，用4束激光堆积获得了脉宽为10~15 ns、平顶宽度为5~10 ns的整形脉冲。利用实测SBS脉冲数据，对脉冲堆积法进行了数值模拟，模拟的脉冲宽度为12.7 ns，平顶宽度为7.7 ns，该结果与实验相符。对脉冲堆积法的任意整形能力进行了模拟，讨论了脉冲宽度变化对整形的影响，发现脉宽变化在5%以内时，对整形脉冲的影响较小。对整形脉冲的放大进行了定性研究，结果表明：平顶脉冲通过放大器后，前沿部分放大较多，由于饱和作用，后沿放大较少；如果前端整形脉冲前沿为斜坡状，放大后可以得到近平顶的脉冲。     

基于Fournier Forand体积散射函数的水中激光脉冲后向散射特性分析模型

基于Fournier Forand体积散射函数,建立了一种水中激光脉冲后向散射仿真模型.运用该模型可用Monte Carlo方法模拟光子在水中的传播过程,并得到光波后向散射的冲击响应.将初始激光脉冲与冲击响应进行卷积并求其傅里叶谱,即可得到激光脉冲后向散射信号的时域和频域特征.利用该模型分析了入射为高斯型激光脉冲时,水中散射体的尺度分布、散射体与纯水的相对折射率以及水体衰减系数对激光脉冲后向散射特性的影响.结果表明：随着小尺度散射体相对数量的增多、散射体与纯水相对折射率的增加、水体衰减系数的增大,激光脉冲后向散射信号能量增强,宽度增加,低频分量显著增大.     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

Optical limiting effect based on stimulated Brillouin scattering in CCl4

The optical limiting effect based on stimulated Brillouin scattering (SBS) in a nonlinear medium was investigated. We numerically treated the nonlinear propagation process with a theoretical model, which includes the spontaneous nature of the initiation of SBS, and obtained optical limiting effect in the process. Energy limiting, pulse reshaping and stabilization have been demonstrated on SBS mechanism with the nonlinear medium CCl_4. The input optical signals were Nd:YAG nanosecond laser pulses with width varying from 16ns to 7ns then to 2ns, the relationship between the transmitted signal and launched pump signal was shown. In the experimental regime, the most stable pulse and a superior energy stabilization of the transmitted pulse were obtained when the laser pulse-width became as short as 2ns. For the energy variation of laser pulses in a wide range of 14－88mJ, the output energy was limited in a quite narrow range 4.5－5.5mJ.     

探测大气中CO2的Raman激光雷达

基于大气激光后向散射光谱，研究和设计了探测大气CO₂浓度的Raman激光雷达,其发射机采用Nd∶YAG激光的三倍频354.7nm作为工作波长,发射的单脉冲能量350mJ,重复频率20Hz；接收机采用了光电倍增管(量子效率25%)和光子计数器(计数速率200MHz),探测CO₂的Raman散射371.66nm(频移1285cm^-1)信号,(1小时累加)近地面2.5km以内信噪比不小于8.采用组合滤光片来抑制强的354.7nm Mie-Rayleigh后向散射和氧气375.4nm Raman后向散射对信号的严重干扰. 比较分别来自大气CO₂和参考气体N₂的Raman后向散射回波,可反演出大气中CO₂的相对浓度. 关键词： 大气光学 激光雷达 Raman散射光谱 参考气体 Mie-Rayleigh散射     

三倍频Nd∶YAG激光抽运氧气中的受激拉曼和布里渊散射

报道了三倍频脉冲Nd∶YAG激光(355 nm)在两种不同带宽模式下抽运氧气中受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)的实验研究。在宽带(约1 cm-1)抽运模式下,只测到了前向受激拉曼散射,而没有观察到后向散射,其一级和二级斯托克斯最大能量转换效率可达22%和8%。在窄带(约0.003 cm-1)模式下,前向、后向受激拉曼散射和受激布里渊散射都测量到了,但大部分抽运能量都转换到受激布里渊散射,其转换效率可达67%。测量了两种带宽模式下各散射组分在它们最佳转换时的波形;窄带情况下后向受激拉曼散射和受激布里渊散射的脉宽分别可压窄至1.5 ns和2.3 ns,不到抽运脉宽的三分之一,使得受激布里渊散射峰值功率可大大高于抽运功率。对氧气中前向、后向受激拉曼散射和受激布里渊散射之间的竞争进行了讨论。     

三倍频Nd:YAG激光抽运氧气中的受激拉曼和布里渊散射

报道了三倍频脉冲Nd：YAG激光（355nm）在两种不同带宽模式下抽运氧气中受激拉曼散射（SRS）和受激布里渊散射（SBS）的实验研究。在宽带（约1cm^-1）抽运模式下,只测到了前向受激拉曼散射,而没有观察到后向散射,其一级和二级斯托克斯最大能量转换效率可达22％和8％。在窄带（约0．003cm^-1）模式下,前向、后向受激拉曼散射和受激布里渊散射都测量到了,但大部分抽运能量都转换到受激布里渊散射,其转换效率可达67％。测量了两种带宽模式下各散射组分在它们最佳转换时的波形;窄带情况下后向受激拉曼散射和受激布里渊散射的脉宽分别可压窄至1．5ns和2．3ns,不到抽运脉宽的三分之一,使得受激布里渊散射峰值功率可大大高于抽运功率。对氧气中前向、后向受激拉曼散射和受激布里渊散射之间的竞争进行了讨论。