激光雷达信号大气衰减效应

激光雷达信号在大气中传输时,大气中的气体分子和大气气溶胶粒子、尘埃、雨等对激光信号的吸收和散射导致光信号能量的衰减是影响激光雷达信号传输的重要因素。另外,由于大气密度分面目 不均匀导致激光沿光路上的折射,大气湍流效应导致光束横截面上能量分布起伏、光束扩展和漂移等,这些对激光雷光信号的传输产生一定的影响。本文对激光在大气中传输的各种能量衰减机制进行分析和讨论,为激光雷达系统的设计提供理论依据。     

大气信道对激光脉冲延迟时间影响的仿真研究

分析了大气散射和吸收特性,并进一步研究了大气散射所引起的激光脉冲延迟效应,定量分析了在不同能见度、不同脉冲传输距离、不同散射系数和单程散射反照率的条件下,大气信道所产生激光脉冲传输延迟时间,为探测误差的校正提供了理论依据.通过对仿真结果的分析可知,在衰减系数不变的条件下,大气信道的散射越严重,散射所造成的路径延迟就越大,激光脉冲传输延迟时间也就越长;而大气的吸收效应越明显,激光脉冲传输延迟时间越短.     

大气激光通信中多光束传输性能分析和信道建模

多光束传输技术是克服大气激光通信中大气湍流效应的有效途径之一。首先从理论上分析了大气湍流对多光束大气激光通信系统性能的影响和多光束大气传输的光强起伏特性,然后利用统计分析的方法,建立了一个以传输距离z、光束数目n、发射孔径之间的距离St、接收孔径Dr等为参量的多光束大气传输信道模型。最后,结合相关文献提供的实验结果对该信道模型进行了实验验证和误码性能分析。结果表明,当S1≥√λz或Dr远大于大气湍流相干长度ρo时,随着n的增大,接收光强将趋于对数正态分布．降低了大气激光通信系统的误码率,从而验证了多光束传输对于克服大气湍流影响的有效性。     

大气信道对空-地光通信的影响分析

大气随机信道对激光传输性能的影响是制约空-地激光通信的重要因素之一，因此开展对大气信道的研究对实现空-地激光通信具有非常重要的意义。对激光在大气中传输特性的研究，有助于了解激光通过大气信道传输时所产生变化的特征、规律和在空-地激光通信系统设计中寻找到合理的解决方案并很好地修正、补偿其对通信链路的影响。本文对激光在大气信道中的基本传输特性及大气随机信道对激光通信的影响进行了研究，同时提出了一些相应的解决途径。     

聚焦光束大气传输光束扩展定标规律的数值分析

选取多种典型激光传输条件下的计算参量，对平台光束聚焦大气传输湍流热晕相互作用引起的光束扩展进行了数值分析.热畸变的产生是在快速变化的湍流扩束作用之后，在此假定的基础上，建立了描述聚焦光束大气传输光束扩展与大气传输特征物理参量的定标关系.在了解激光发射系统的特征参量和大气传输效应的特征参量之后，即可由定标关系迅速判断激光大气传输的效果，从而为激光工程系统的参量优化设计及其应用效能评估提供依据. 关键词： 湍流效应 热晕效应 光束扩展 定标规律     

基于大气湍流效应的双波长激光传输特性实验研究

为研究大气湍流作用下不同波长激光信号的传输特性,建立了基于双波长条件下的激光光束传输实验测试系统,在此基础上进行了室外实验测量,得到了双波长光束同信道传输时的光束漂移和光强起伏变化的测试数据。实验结果表明,大气湍流对激光信号的传输具有较大的影响,且光强的闪烁系数与波长有很大的关系,选择波长较长的激光束可减少湍流对光强起伏的影响;光束质心漂移具有很大的随机性,且其质心变化与波长之间无明显的直接联系。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合,对空间大气通信具有一定的参考价值。     

大气到海洋激光通信信道仿真

详细分析了蓝绿激光穿过大气海洋信道的信道效应和物理特性,利用理论分析和蒙特卡罗模拟方法完成对光信道仿真。介绍了大气海洋激光通信蒙特卡罗模拟方法及计算步骤。研究了不同厚度云层对光束投影面积的展宽,和光脉冲穿过不同深度海水后的空间分布和时域信号波形,讨论了其不同的展宽机理,并对信道的噪声分布进行了分析。发现云层对光脉冲展宽作用在云层厚度500 m时达到饱和,信号能量的随机起伏随海水深度的增加而增大,但能量分布的半峰全宽并不增加,大气海洋的综合信道效应可以用时延滤波器进行建模。     

大气湍流和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法,大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响,以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明,大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。     

“之字形”光路薄管固体激光大气长程传输光束质量分析

“之字形”光路薄管固体激光是一种结构紧凑、增益高且利于发射的新型激光光源。针对薄管固体激光光源及其大气长程传输过程中的光束质量退化问题,提出了基于直角锥面变形镜的薄管激光校正方法,进而通过建立薄管激光校正模型以及大气长程传输模型,开展了薄管激光大气长程传输光束质量分析。首先,针对大遮拦比窄环宽环形光束与发射系统的匹配问题,提供了一种薄管激光环形光束整形变换方案,有效实现了薄管激光的整形和变换。然后,分析了薄管激光光源光束质量、大气湍流效应和热晕效应等对整形变换后的薄管激光大气长程传输特性的影响,进而明确了薄管激光大气长程传输光束质量退化机理。最后,分析了直角锥面变形镜对薄管激光的光源畸变、大气湍流的低频分量和热晕导致的离焦相位等的校正效果。结果表明,经过直角锥面变形镜的校正,薄管激光光源光束质量明显改善,大气长程传输后的远场光束质量有所提高。若进一步配合常规变形镜进行联合校正,薄管激光大气长程传输后的远场光束质量可得到显著提升。     

高功率激光在非均匀大气中传输的自聚焦效应研究进展

地基激光空间碎片清除和利用激光辐射把转换的太阳能从空间轨道输运到地面等应用中,不可避免地遇到高功率激光在非均匀大气中的传输问题。由于激光功率已远远超过大气非线性自聚焦临界功率,大气自聚焦效应是影响光束质量的一个重要物理因素。概述了近年来国内外高功率激光在非均匀大气中上行或下行传输的自聚焦效应研究进展,主要介绍了高功率激光在非均匀大气中的传输模型、理论基础、数值和解析研究方法,着重介绍了自聚焦效应对激光传输特性和光束质量的影响,并总结了优化靶面光束质量的方案。此外,还介绍了大气群速度色散效应和大气湍流效应等物理因素对激光光束质量的影响。最后,还提出了该领域值得进一步深入研究的一些问题。     

大气湍流对多抖动法相干合成技术中相位调制信号的影响

分析了大气湍流对采用多抖动法实现的相干合成阵列光束中相位调制信号的影响. 文章首先根据广义惠更斯-菲涅耳原理,采用折射率结构函数对大气湍流进行描述,推导了多抖动法相干合成中阵列光束通过大气湍流后相位调制信号的一般表达式. 在此基础上进行数值模拟,分析了传输距离、湍流强度、光束阵列占空比和光斑尺寸等因素对相位调制信号的影响. 研究发现随着传输距离的增大,相位调制信号强度会先增大后减小,存在一个极大值点;随着湍流强度的增强,相位调制信号强度极大值点的出现距离不断缩短;当光束阵列占空比一定时,随着光斑尺寸的增大 关键词： 大气湍流 相干合成 多抖动法 相位调制     

基于密集波分复用的20 Gbit/s大气激光通信

针对目前高速率信息传输的迫切需求,设计并实验了两路数字信号密集波分复用(DWDM)的大气激光通信结构。两路激光波长分别为1 539.76 nm和1 540.55 nm,采用强度调制,光信号经复用和放大后,由光学天线发射,经1 km大气信道传输,在接收端对光谱、波形和眼图进行了测量。实验结果显示,在弱湍流情况下,实现了两路光信号的解复用,并得到了较为清晰的波形图和眼图。两路数字信号的传输速率为20 Gbit/s时,Q因子仍达到5以上。     

激光在准球形边界卷云中传输的衰减和透过特性

高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成,是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性,采用C版本的离散纵标法（CDISORT）,充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素,研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性,并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异,数值计算了三种激光波长（0.65,1.06和3.8 μm）在卷云中传输时的衰减和透过特性。计算结果表明：较小太阳天顶角（小于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小,其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%,较大太阳天顶角（大于80°）入射时,两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大,0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%;卷云粒子单次散射时,激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、传输距离、光学厚度及激光波长等因素有关,随光学厚度的增加,云层的激光透过率减少,1.06 μm激光波长入射时透过率最大,3.8 μm激光波长入射时透过率最小;0.65和1.06 μm激光波长入射时,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加,而3.8 μm波长激光,随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少,随相对方位角的增加,云层的激光透过率减少,且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。该研究工作将为开展地空链路星载、机载激光通信、激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持,同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、制导和预警等应用提供预先理论研究基础。     

激光目标模拟器能量链模型的建立与分析

激光目标模拟器是激光制导武器半实物仿真系统的一个重要组成部分。它主要是用来模拟随气象条件、目标反射特性以及飞行距离的变化而变化的激光脉冲,为激光导引头提供一个与实际工作环境相接近的回波信号。从理论上论证了这种激光目标模拟器的可行性。依据波长为1 06μm的激光在大气中的传输特性,结合各种外界条件对它的影响,建立了激光传输的能量链模型,为激光制导武器半实物仿真系统提供了理论依据。     

大气环境下基于目标照明回光的视轴误差校正实验研究

理论分析了激光瞄准系统中视轴误差与目标照明回光的关系. 介绍了同时具备激光束发射与瞄准偏差校正功能的自适应光学器件––自适应光纤准直器的原理. 搭建了光束经200 m水平大气传输的激光瞄准实验平台. 基于二维目标和三维目标的照明回光, 利用随机并行梯度下降算法分别实现了不同初始视轴误差下的瞄准闭环校正. 实验结果表明, 闭环后二维目标和三维目标的视轴校正残差评价参数分别小于6%和10.8%, 校正精度均在理论范围内. 最后, 分析了算法参数对动目标瞄准的影响.     

激光本振红外光谱干涉成像及其艇载天文应用展望(特邀)

本文分析了红外干涉成像现状和难点,介绍了激光本振红外相干探测的原理,阐述了基于电子学的红外光谱细分和干涉成像原理,讨论了激光本振红外阵列探测器形式。激光本振和相干探测器的设置,可保证两个望远镜的红外信号相位的正确传递,在电子学实施窄带滤波形成的窄带红外信号有利于实现长基线干涉成像。在此基础上,类似微波综合孔径射电望远镜,通过不同空间位置的多个较小孔径,组合形成一个大的光学口径,以红外光谱“射电”望远镜形式实现高分辨率天文成像,可大幅降低红外成像系统的复杂度和体积重量。介绍了平流层飞艇平台的特点,该平台为长基线大衍射口径望远镜的安装提供了有利条件,且可大幅减少大气对天文观测的影响,有望成为天文观测的新型平台。给出了10 m基线、2 m衍射口径红外光谱干涉成像望远镜的布设方案,分析了其探测和成像性能,讨论了关键技术及其可能的技术途径。分析表明,基于平流层飞艇平台,3个2 m衍射口径望远镜的组合在10 m基线下可等效实现口径10 m望远镜的红外天文观测能力。     

Double-pass propagation of laser pulses reflected by a diffuse whiteboard or a corner-cube retroreflector in turbulent atmosphere

Atmospheric turbulence affects the transmission of laser pulses through the atmosphere. The effects mean that the peak power of the laser pulses is not stable. For laser pulses reflected by a cooperative target, the peak power instability is greater because of the double-pass propagation of the laser pulses through the same atmosphere. The atmospheric turbulence can be monitored by detecting the peak power instability of echo laser pulses. This paper presents a method for monitoring atmospheric turbulence based on a cooperative target. Comparative experiments are carried out based on using a diffuse whiteboard and a corner-cube retroreflector (CCR) as the cooperative target. The distance between the two terminals of the experimental system is 1550 m. The size of the diffuse whiteboard is 60×60 cm². The bottom surface of the CCR is a circle with a diameter of 1 in. and the three mirrors of the CCR are coated with silver. Experiment results show that the peak power instability of echo laser pulses retroreflected by the CCR is 28.3%. This is much larger than that diffuse reflected by the whiteboard (11.2%). This indicates that the method based on the CCR has higher atmospheric sensitivity. In addition, the peak power of the echo laser pulses retroreflected by the CCR is also much larger. Therefore, the system based on the CCR is more suitable for monitoring of atmospheric turbulence.     

基于激光外差技术的高分辨率整层大气透过率测量

激光外差技术是一种高灵敏度的光谱探测技术,利用该技术研制的装置易于集成化小型化,可以进行地基或星载的地球大气或天文观测。基于激光外差光谱测量技术,结合自研的太阳跟踪仪建立了一套高分辨率整层大气透过率测量系统,系统分辨率约为0.006 cm-1。该系统利用太阳光和红外激光在非线性探测器中进行光学混频,通过对获取的混频信号进行电子学滤波和平方率探测,获得了高光谱分辨率的外差信号。采用Langley-plot定标法对测量系统进行定标,获取了仪器标定常数和对应的大气总光学厚度,实现了中红外波段整层大气透过率的实时测量。同时,将实测整层大气透过率与MODTRAN5.0软件仿真计算的结果进行对比分析,两者的一致性较好。分析表明该测量系统具有很高的分辨率并且性能稳定可靠,在大气科学、天文观测和激光大气传输等研究领域具有广阔的应用前景。     

Pulse shaping by a discrete microstrip

Method for laser pulse shaping by a discrete transmission line has been improvedand simplified.Some calculations are given about deformation of the shaped pulse,passingthrough a laser amplifier.The required profile of electrical pulse can be deduced from the newcalculation when the amplified driving pulse profile is defined.The noise effect is estimated.     

月球激光测距中的关键物理与技术问题

根据国际上公开发表利用的1969—1972年美国Apollo 11、14、15宇航员放置在月球上的三个角反射器以及1970—1971年苏联无人登月车放置的两个角反射器进行的月球激光测距的论文和技术文献,讨论了月球激光测距中的几个关键物理和技术问题,主要包括:1)角反射器阵列指向与其月面位置的精确定位;2)角反射器激光回波信号的确认;3)接收信号强度与信噪比;4)测距结果的精度;5)满月时为什么不适于测距;6)地球大气对激光测月及其精度的影响。现有技术文献对一些关键的技术细节描述尚不完备,判定接收信号来自角反射器对激光的反射缺乏直接的物理证据,现在声称的距离测量精度与激光本身特性的关系尚需进一步分析。