相干激光雷达中望远镜的优化及探测性能分析EI北大核心CSCD

利用脉冲能量为110μJ、重复频率为20 k Hz及脉冲宽度为300 ns的光纤激光器设计了一套工作波长为1.55μm的相干测风激光雷达,给出了系统的性能参数。根据后向传播本振的原理计算出当望远镜对发射高斯光束的截断比为最优值0.823时,激光雷达的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比条件下分析了望远镜口径对相干激光雷达载噪比的影响,优化了望远镜设计。从理论上计算出激光雷达的探测性能指标:探测距离大于3 km,风速测量范围为±62 m/s,距离分辨率为84 m,风速测量精度优于0.1 m/s,时间分辨率为0.5 s。     

相干激光雷达中望远镜的优化及探测性能分析

利用脉冲能量为110μJ、重复频率为20 k Hz及脉冲宽度为300 ns的光纤激光器设计了一套工作波长为1.55μm的相干测风激光雷达,给出了系统的性能参数。根据后向传播本振的原理计算出当望远镜对发射高斯光束的截断比为最优值0.823时,激光雷达的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比条件下分析了望远镜口径对相干激光雷达载噪比的影响,优化了望远镜设计。从理论上计算出激光雷达的探测性能指标:探测距离大于3 km,风速测量范围为±62 m/s,距离分辨率为84 m,风速测量精度优于0.1 m/s,时间分辨率为0.5 s。     

基于自适应窗的合成孔径激光雷达联合时频成像方法

传统距离-多普勒算法中观测期间多普勒频率为常量的假设在合成孔径激光雷达系统中不再成立.根据合成孔径激光雷达回波信号模型,推导计算了振动对合成孔径激光雷达回波相位的影响.根据实际情况引入振动频率不超过500Hz、振幅不超过0.2mm的机载平台微振动参量,结果表明载机微振动对合成孔径激光雷达成像的方位分辨率影响很大,而对距离分辨率影响不大.采用时频分析成像方法,能够有效克服传统距离-多普勒算法对时变信号处理的局限性.分析比较Wigner-Ville分布、伪WWigner-Ville分布和平滑伪Wigner-Ville分布作为核函数的时频成像结果,均无法兼顾成像分辨率和成像效率.据此本文提出了一种基于自适应窗的联合时频成像方法,根据变异系数和变异阈值的比较自适应地调整子区域窗口大小,从而达到成像分辨率和算法效率的平衡优化.仿真结果表明,本算法对成像分辨率影响不大,成像时间减少近69.87%,适用于合成孔径激光雷达对成像高分辨率和成像效率的要求.     

基于自适应窗的合成孔径激光雷达联合时频成像方法

传统距离-多普勒算法中观测期间多普勒频率为常量的假设在合成孔径激光雷达系统中不再成立.根据合成孔径激光雷达回波信号模型,推导计算了振动对合成孔径激光雷达回波相位的影响.根据实际情况引入振动频率不超过500 Hz、振幅不超过0.2 mm的机载平台微振动参量,结果表明载机微振动对合成孔径激光雷达成像的方位分辨率影响很大,而对距离分辨率影响不大.采用时频分析成像方法,能够有效克服传统距离-多普勒算法对时变信号处理的局限性.分析比较Wigner-Ville分布、伪WWigner-Ville分布和平滑伪Wigner-Ville分布作为核函数的时频成像结果,均无法兼顾成像分辨率和成像效率.据此本文提出了一种基于自适应窗的联合时频成像方法,根据变异系数和变异阈值的比较自适应地调整子区域窗口大小,从而达到成像分辨率和算法效率的平衡优化.仿真结果表明,本算法对成像分辨率影响不大,成像时间减少近69.87%,适用于合成孔径激光雷达对成像高分辨率和成像效率的要求.     

全光纤差分吸收激光雷达大气成分探测精度分析

为了提高全光纤差分吸收激光雷达的探测精度,研究近距离探测条件下使用光环形器的差分吸收激光雷达,这对提高气体探测精度具有重要的意义。分析了差分吸收激光雷达的探测精度与激光回波能量测量的关系,发现近距离条件下的气体探测精度将会受到环形器"串音"的影响,分析了不同探测高度下串音对探测精度的影响程度。结合CO2浓度探测的实例并通过仿真计算,得到了信噪比与探测相对误差随探测高度的变化曲线。结果表明,环形器中存在的"串音"会干扰激光回波信号,对探测信噪比与精度产生严重影响。该研究对设计与完善全光纤差分吸收激光雷达系统具有重要的借鉴意义。     

差分吸收激光雷达测量NO2浓度的实验

差分吸收激光雷达的探测机理是被探测气体对激光束能量的吸收。选择两束波长相近的激光，其中一束激光的波长选在被探测组分的吸收峰的中心，使其受到最大的吸收，该波长记为λon，另一束激光的波长选在吸收峰的边缘，使其受到吸收尽可能小，或者不吸收，该波长记为λeff。根据激光雷达方程可以推导出被探测组分随高度或距离的分布，可计算出被探测气体的浓度。     

差分像移湍流廓线激光雷达测量误差分析

差分像移激光雷达可以测量随距离分布的大气湍流廓线。在结合测量原理和定性分析的基础上,经过严格的数学推导得到了差分像移激光雷达测量湍流的误差公式,提供了定量分析和改进系统性能的基础:在系统参数确定后,通过合理分配探测点间距以及每个探测点的探测时间可以达到最好的测量效果。根据模拟分析的结果,测量误差主要来源于光斑质心计算误差和有限样本引起的统计误差。近距离测量时,由于接收到的光子信号很强,光斑质心计算误差的影响很小,此时样本统计误差起主导作用;随着距离的增加,光斑质心计算误差的影响越来越大。     

空间目标共视观测定位的误差分析

合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提出采用光学锁相环(OPLL)技术抑制编码合成孔径激光雷达的系统随机相位噪声。在发射端,激光信号经编码信号驱动的电光调制器调制后用于探测目标;在接收端,对接收到的回波信号与本振光进行正交解调。所提出的基于OPLL的编码合成孔径激光雷达工作在1550 nm波段,调制带宽为1.25 GHz,脉冲重复频率最高可达1.2 MHz/s。实验结果表明,在没有OPLL时,系统随机相位波动大于100 rad,采用OPLL后,系统内部相位稳定度优于0.1 rad,大幅度提高了系统自身的相位稳定度和方位向合成成像精度。     

基于2D微电子机械系统(MEMS)镜全向激光雷达光学系统设计

为了满足全向激光探测的需求,提出一种基于2DMEMS镜扫描的激光雷达结构。激光器通过1×6高速光开关分时地给6个扫描子系统提供光信号,6个扫描子系统探测视场叠加起来可实现360°激光探测。每个扫描子系统的扫描范围为60°×30°,其中包含一个扩展MEMS镜扫描角度的发射光学天线和一个大视场有增益的接收光学天线。发射光学天线将MEMS镜±10°的扫描角扩展到±30°,发散度小于0.2mrad;接收视场内的激光波经过接收天线在探测器上所成的半像高小于1mm,接收增益为3.65。通过计算修正后的激光雷达方程可得到发射功率20 W的激光束在工作距离100 m内的回波功率≥1 nW,结果表明该光学系统可适用于激光雷达系统。     

基于相关计算的激光雷达二维风场探测

提出了一种基于相关计算的激光雷达三光束二维风场反演方法。三束激光从同一平面发射,通过计算三束激光时间序列上的回波信号相关性反演二维风场信息。详细阐述了三光束二维风场反演方法的原理和计算过程,基于此方法搭建了相关二维测风激光雷达系统,实现了30 m距离分辨率和1 s时间分辨率的二维风场探测。分析了系统中激光雷达夹角对测量结果的影响和相关计算时不同时间序列长度下相关系数曲线的变化,给出了合适的激光雷达夹角和时间序列长度。用该系统进行了水平测风实验,对比了系统探测数据和探测路径上风塔的风速、风向传感器数据,结果表明系统和传感器的数据具有较好的一致性。     

强度调制532 nm激光水下测距

激光水下探测在水下目标搜寻、资源勘探等领域具有重要的应用,而散射是激光水下探测面临的主要挑战.载波调制激光雷达具有抗散射、抗干扰的优点,本文利用自行研制的532 nm强度调制激光源,在3 m长的水箱中搭建激光水下探测系统. 532 nm激光源最大输出功率为2.56 W,强度调制范围为10.0 MHz—2.1 GHz,光束发散角约0.5 mrad.通过在水箱中添加氢氧化镁(Mg(OH)_2)粉末,测量了不同浑浊度下水的衰减系数.采用相位测距的方法,目标反射光的调制信号为探测信号,对激光源进行调制的电信号作为参考信号,利用相关运算获得激光的延时时间,进而可以获得水下目标的距离.最大调制频率为500 MHz时,实现了距离为4.3个衰减长度目标的探测,测距误差约12 cm.探测距离越远,测距误差越大,调制频率越高,测距精度越高.     

大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统设计与性能仿真

为持续获得对流层低层高精度、高时空分辨率的水汽浓度分布数据,提出了一套改进的大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统方案.详细描述了系统主要组成部分,对主要误差进行了分析与估计,并提出了一种差分吸收截面实时测量装置用于补偿发射激光器带来的测量误差.针对该系统,并结合上海地区不同季节的水汽浓度状况,对935 nm水汽吸收带中四个水汽吸收峰的差分光学厚度、雪崩二极管的倍增系数M与回波信噪比的关系、水汽浓度随机测量误差等进行了详细的仿真与分析.仿真结果表明,根据不同的季节和天气状况,可以选择不同的吸收峰以达到最佳探测效果;在300—5000 m高度范围内,最大可以达到300 m的垂直分辨率与5 min的时间分辨率,水汽浓度随机测量误差不超过18%.     

一种新型高精度甲烷浓度检测系统的研究

在气体浓度检测过程中采用特征光谱吸收法时,提高气体浓度检测精度常常需要采用高质量窄带激光器并调制其波长使其对准被测气体特征吸收峰的方法,这样大大增加了对激光器的要求及系统成本。为了在采用原有便携式、低成本固体激光器的条件下获取更高的检测精度,设计了转换窗差分吸收光学结构以及特征吸收差分比例算法。分析了特征波长位置选择的依据,给出了实现该处理算法的步骤。系统利用转换窗与吸收气室组合的方法,将非特征吸收峰位置上的光强响应通过求比值的方法约掉,从而实现了与采用窄带激光器对准特征吸收峰位置相近的检测效果。实验采用MW-IR-1650型红外激光器、SSM17-2型步进电机控制模块、C30659型红外探测器等器件,对不同浓度的甲烷气体进行测试,结果显示在200～5 000 ppm之间测量相对误差基本在2.0%以内。证明了该系统具有较高的检测精度及稳定性。     

Impact of Brillouin amplification on the spatial resolution of noise-correlated Brillouin optical reflectometry

To obtain high spatial resolution over a long sensing distance in Brillouin optical correlation domain reflectometry(BOCDR), a broad laser spectrum and high pump power are used to improve the signal-to-noise ratio(SNR). In this Letter, we use a noise-modulated laser to study the variation of the Brillouin spectrum bandwidth and its impact on the coherent length of BOCDR quantitatively. The result shows that the best spatial resolution(lowest coherent length) is achieved by the lowest pump power with the highest noise-modulation spectrum. Temperature-induced changes in the Brillouin frequency shift along a 253.1 m fiber are demonstrated with a 19 cm spatial resolution.     

基于多特征波长光谱分析的天然气泄漏遥测系统

为快速地、 大范围地对天然气管道进行泄漏监测,设计了基于静态傅里叶变换干涉系统的甲烷气体浓度遥测系统。 采用对准甲烷分子吸收峰的红外光源照射被测区域,再由聚光准直系统和干涉模块完成干涉条纹的获取。 最后,通过多特征波长光谱分析算法计算被测区域的浓度程长积,进而反演相应的甲烷浓度。 通过HITRAN光谱数据库选择了1.65 μm的主特征吸收峰,从而光源使用1.65 μm的DFB激光器。 为了在不增加系统硬件结构的基础上提高检测精度及稳定性,引入辅助波长求解吸光度比值,进而通过多特征波长比例运算的方法获得被测气体的浓度程长积。 实验针对泄漏速度恒定的标准甲烷液化气罐检测,采用PN1000型便携式甲烷检测仪的检测数据作为标准数据与本系统的测试数据进行对比,测试距离分别为100,200和500 m。 实验结果显示,甲烷浓度检测值在泄漏一段时间稳定后,系统检测值也基本保持稳定。 对100 m的检测距离而言,浓度程长积的检测误差小于1.0%。 随着测试距离的增大,检测误差也相应的增大,距离500 m的检测误差小于4.5%。 总之,在气体泄露稳定后系统检测误差均小于5.0%,满足野外天然气泄漏遥测要求,该方法采用差分思想,在求解吸光度比率的过程中将误差消除,降低了外界干扰造成的误差,从而提高系统的检测精度及稳定性。     

相位补偿算法对提高太赫兹雷达距离像分辨率的研究

介绍了0.2 THz频率步进雷达系统以及获得一维距离像的方法,并利用0.2 THz雷达对角反射器进行距离像分辨率实验,分析了频率步进信号相位不一致对一维距离像以及分辨率的影响,提出了回波相位补偿的方法.经过相位补偿后,目标距离像分辨率和信噪比都显著提高,分辨率达到了厘米量级.仿真和实验结果表明,宽带太赫兹频率步进雷达经过相位补偿,可以对目标进行高分辨率成像,从而为太赫兹雷达二维和三维成像奠定了基础.     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

光电雷达红外调制检测技术

因红外调制检测技术用于检测扫描积分型光电雷达调制器的工作性能,为此设计一套与调制器固有属性匹配的光学传递和激光准直系统。运用标准伺服控制理论为调制脉码信号建立Ⅲ型条件稳定的轴系扫描模型,通过截获、跟踪视场切换及驱动电压调幅,使模拟红外汇聚的激光扫描光束与3°×3°、40′×40′十字靶标重合,计量扫描视场及零位精度偏差,采集标定反射镜振动位置和扫描频率的过零脉冲,用以实现红外信号调制性能的检测。测试结果表明,该红外调制检测技术对调制器扫描视场的精度测量优于0.5′(1σ),零位误差的精度测量不大于5′(1σ),系统检测的相对误差不大于±1%,满足光电雷达红外光轴瞄准线工艺装配的精度要求,可应用于线列扫积型调制器的性能检测。     

TDLAS波长调制法中调制深度与高次谐波中心幅值关系的研究

可调谐半导体激光光谱技术（TDLAS）是近年来发展十分迅速的光谱检测技术,相较于其他光谱检测技术,它具有高灵敏度、高分辨率、实时监测、便携性好、小型化等优点,在工业环保、医疗检测、气象监测等领域得到了广泛的应用。TDLAS波长调制法中谐波信号易受气压影响,经研究发现气压的影响是调制深度对谐波信号的影响,基于TDLAS技术谐波法的原理,研究了各次谐波与调制深度的关系,通过计算四次谐波与二次谐波中心幅值比,利用调制深度函数推算当前气压环境的调制深度,调整调制频率幅度,使得调制深度接近各次谐波最佳调制深度值,使谐波信号信噪比最佳,提高检测精度。实验通过国瑞智GRZ5031湿度发生器产生固定为1 000 ppm的水汽,调节气阀控制密封箱内不同的气压环境,采用TDLAS水汽检测系统获得了10.2~177.9 kPa气压条件下的二次谐波和四次谐波信号,并进行了仿真与实验分析。仿真结果显示：四次谐波与二次谐波中心幅值比的理论值和仿真值最大相对误差为-1.44%,调制深度的理论值与仿真值最大相对误差为1.78%,说明了仿真下的调制深度函数曲线与理论一致。实验结果显示：根据调制深度函数推算调制深度值,当m=2.226 7时,实测的二次谐波中心频率幅值达到最大值,当m=4.061 0时,实测的四次谐波中心频率幅值达到最大值,与理论结果一致;在30.2 kPa<p<177.9 kPa时,调制深度与气压乘积mp值相对误差较小,最大相对误差不超过±3.2%,说明了此气压条件下的mp值波动不大,通过调制深度函数推算的调制深度值与实际值近似,验证了调制深度函数理论的准确性。     

High resolution emission spectra of laser-excited molecular iodine as the excitation frequency is tuned through and away from resonance

We have studied the ΔJ = 2 rotationally shifted emission lines in the region of the strong absorption of molecular iodine which occurs within the 5145 Å argon ion laser line. We used an etalon tuned, single frequency argon ion laser with a linewidth of 20 MHz to excite the iodine emission and recorded the spectra of the rotational lines with Fabry-Perot spectrometers having resolutions up to 70 MHz (0.0023 cm^-1). To overcome Doppler linewidth limitations we took spectra of the emission at small angles to the exciting beam and found the lines to have widths less than our instrumental resolution and frequencies which accurately tuned with the incident laser frequency. We recorded the emission lines for laser frequencies in the absorption line center and out into the absorption wing. Our spectra show that the intensity of the emission lines follows the absorption line profile while the frequency of the emission lines is determined by the laser frequency; the intensity is maximum at the absorption line center, falling by 10⁴ as the laser frequency is moved off the line center, while the line position maintains a constant frequency shift from the laser frequency.