8×8APD阵列激光三维成像接收机研制

为了实现对目标的无扫描阵列激光三维成像并研究系统参数对三维成像距离分辨率的影响,研制了8×8 pixel激光三维成像接收机。接收机采用线性模式APD阵列,设计了模拟信号放大、阈值处理将回波光信号转换为数字信号后,利用FPGA设计实现64通道高精度阵列计时系统,实现了对目标的无扫描实时三维成像功能。首先对设计完成的三维成像接收机组成及成像原理进行了介绍,对三维成像接收机中APD探测器阵列信号的模拟处理和数字处理流程和实现方式进行了说明。随后分别对三维成像的核心FPGA计时系统及探测器整体进行了电子学测试和实验测试。测试结果表明,FPGA计时子系统的时间分辨率优于140 ps,三维成像系统整体距离分辨率在0.2 m左右。最后对分辨率的误差进行了分析,结果表明,激光回波强度波动是影响此接收机距离分辨率的最主要因素。     

非相干合成孔径激光成像雷达:体系结构和算法

基于计算机层析投影成像原理,提出了非相干合成孔径激光成像雷达(SAIL)概念以及体系结构和算法,给出了详细的原理说明和数学分析,特点是信号收集和数据处理的技术难度低。该激光雷达包含三种工作模式即传统的聚束模式,逆聚束模式和层析聚束模式,具有两种传感方式即距离分辨成像和多普勒频移成像,提供多种维度变换成像,不仅可用于平面目标的距离或多普勒分辨二维成像,也可实施三维物体的距离分辨三维层析成像以及深度压缩的距离分辨和多普勒分辨二维成像。该雷达结构简单且具有操作多样性,扩展了合成孔径激光成像雷达的应用范围。     

水下同步扫描三角测距成像理论建模及仿真分析

针对激光同步扫描三角测距成像系统水下应用时,考虑不同介质界面的折射效应,通过理论建模,得出水下同步扫描三角测距成像系统的空间三维坐标测量关系表达式。分析了基线距离、接收透镜焦距等系统主要参数对距离测量分辨率的影响,以及成像探测器长度对测量范围的影响。仿真结果表明:增大基线距离和接收透镜焦距,有利于提高距离测量分辨率,增加成像探测器长度,有利于增大系统测量范围,为水下同步扫描三角测距成像系统的设计提供了理论依据。     

光电观察系统对海作用距离测试与评价方法

通过分析光电观察系统的使用方法、工作过程以及对海上目标作用距离的影响因素,探讨了使用探测距离、识别距离和辨识距离等三项测量指标作为评价成像系统作用距离性能的合理性,研究了成像系统对海上目标作用距离测试方法和数据处理方法。     

大量程激光位移传感器的成像系统设计

为了解决目前国内自主研发的激光位移传感器基准工作距离短和测量范围小的问题,设计了一种适用于远距离测量的大量程激光位移传感器成像光学系统。基于激光三角测量原理,结合具体使用要求计算了大量程激光位移传感器的性能指标和成像光学系统的设计参数。选择5片式透镜结构作为系统的初始结构,利用光学设计软件对大量程激光位移传感器成像光学系统进行了仿真,完成了系统优化和性能分析,实现了基准工作距离为1 000 mm、量程为±500 mm、分辨率为0.4 mm的大量程激光位移传感器成像系统设计。结果表明,在测量范围±500 mm内,系统均可以满足成像质量要求。该激光位移传感器成像系统具有工作距离远、测量量程大、结构简单的特点,可满足1 000 mm远距离处大量程范围的测量使用要求。     

人眼视网膜成像自适应光学系统设计

设计一套基于液晶空间光调制器的人眼视网膜成像自适应光学系统,以获得高分辨率视网膜图像,并且使该系统实现体积小,功耗低,成本低等优点.采用夏克-哈特曼探测器和基于硅基板上的液晶器件分别作为波前探测器和波前校正器.系统采用双对准光源以主观方式来使人眼对准,近红外光探测成像以减小对人眼的刺激.使人眼对有限距离对焦,以减小离焦对成像的影响,使该系统既可用于正常眼,又可用于近视眼.用ZEMAX软件对系统进行了模拟分析,认为该系统可获得高于3 μm的视网膜分辨率,该系统设计是合理可行的.     

人眼视网膜成像自适应光学系统设计

设计一套基于液晶空间光调制器的人眼视网膜成像自适应光学系统,以获得高分辨率视网膜图像,并且使该系统实现体积小,功耗低,成本低等优点.采用夏克-哈特曼探测器和基于硅基板上的液晶器件分别作为波前探测器和波前校正器.系统采用双对准光源以主观方式来使人眼对准,近红外光探测成像以减小对人眼的刺激.使人眼对有限距离对焦,以减小离焦对成像的影响,使该系统既可用于正常眼,又可用于近视眼.用ZEMAX软件对系统进行了模拟分析,认为该系统可获得高于3 μm的视网膜分辨率,该系统设计是合理可行的.     

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。     

基于矢量线阵的目标低频线谱提取方法

主动声呐系统常采用线性调频信号探测水下目标。利用分数阶傅里叶变换处理线性调频回波时,可在低信噪比和强混响背景下获得目标参数的有效估计。主动声呐系统常通过增大发射信号的时间带宽积来提升系统的距离分辨力和速度分辨力,但却带来了计算复杂度的显著增加,尤其是奈奎斯特采样下基于分数阶傅里叶变换的回波处理方法,导致数据处理时间难以满足功耗和体积受限的无人水下航行器平台的实时性要求。针对此问题,该文提出分数阶傅里叶变换的带通采样实现方法,通过对线性调频信号时频特性直线在分数阶域的投影进行修正,使利用分数阶傅里叶变换方法处理带通采样的回波数据时,可获得正确的目标参数估计。计算机仿真数据和无人水下航行器湖试数据处理结果验证了分数阶傅里叶变换的带通采样实现方法的正确性,数据处理时间能够满足无人水下航行器平台处理的实时性要求。     

主动成像系统距离选通实验方案设计

 距离选通技术是克服大气后向散射，提高主动成像系统信噪比的有效方法。分析了距离选通的技术要求，分别使用电源调制和机械调制的方法获得了适合用于主动成像系统脉冲光源,并进行了距离选通实验，机械调制方法适用于大功率连续半导体激光器。使用氙灯泵浦YAG激光器实现了对675 m和1 509 m距离目标的主动成像，详细分析了几种方案的利弊并提出了改进方法。     

Performance investigation on harmonic distortion and inter-modulation distortion induced degradation for a single- and two-tone IM-DD SCM optical link

Subcarrier multiplexing (SCM) has been utilized for data transmission in high performance broadband in access networks which requires high transport capacity and throughput with guaranteed quality of service. In a transmitter employing SCM technique in an Intensity Modulation Direct Detection (IM-DD) system, laser source nonlinearity is an important issue of concern. This work investigates the sensitivity of resulting harmonic distortion (HD) and inter-modulation distortion (IMD) to changes in subcarrier amplitude, laser bias current operational parameters and laser quantum efficiency, laser active layer volume and laser carrier life time design parameters. Results show that IMD impairment mechanism is more dominant than HD mechanism. The spectrum analyser shows distinct difference in the frequency domain display of HD and IMD dominated systems. HD and IMD mechanisms show high sensitivity to carrier amplitude and active layer volume with a positively increasing slope gradient and high sensitivity to bias current and carrier life time with negatively decreasing slope gradients. Also these impairments are moderately sensitive to laser quantum efficiency. The investigations will help in identification of the most influencing operational and design parameters and their suitable values to be used to effectively reduce the influence of the source nonlinearity of SCM links.     

远程多光束激光相干场成像拍频误差校正研究

多光束激光相干成像技术是地基观测空间目标的重要方式,各光束的稳定性和性能一致性直接决定着系统成像质量,目前针对系统频率稳定性对成像质量的影响以及激光源频漂的补偿已有一定研究,然而针对多光束发射系统,由驱动放大噪声及声光移频噪声引起的各光束间独立的频漂还需进一步抑制.基于此,本文提出了动态解调和置信区间解调两种抑制方法,理论仿真了动态解调对缓慢频漂抑制的可行性,同时实验证明了置信区间解调法对成像效果的提升,并在200 m和1.2 km的湍流环境中对该解调方法进行了验证.研究表明,置信区间解调法对于各拍频间独立漂移有较好的实时补偿效果,能够有效抑制发射阵列中由声光调制及驱动放大引入的频率噪声,对水平距离1.2 km外的25 mm目标成像角分辨率达到4μrad.本研究为未来远程大功率发射阵列成像中的频率噪声抑制提供了较好的技术方案.     

基于雪崩级联电路控制激光照明源的水下激光选通成像

基于雪崩级联原理研发了用于水下激光选通成像的MARX级联电路激光照明源。相对于普通激光驱动器,该MARX级联电路有输出脉冲窄、峰值高、上升沿短、重复频率高、成本低、体积小、质量轻等优点。采用级联电路研发的脉冲激光照明光源在实现ns量级脉冲宽度性能的基础上保持了照光源系统体积的小型化。该脉冲照明源结合激光整形及匀化光学技术进行了水下选通成像验证实验,在10 ns的脉冲宽度下,实现水下7倍衰减长度范围内的选通成像。该文涉及的电路、光学方面的改进对降低激光选通成像系统的体积、成本及实际应用具有重要意义。     

光纤瞬态高温传感器及动态测试系统

为了解决特殊环境下的瞬态高温测量, 设计了一种基于黑体辐射的光纤高温传感器及动态测试系统。根据辐射测温的基本原理, 结合光纤传感技术, 采用了“接触-非接触”测量方法和光纤光栅窄带滤波技术, 提高了测量精度, 减小了背景光的影响。由于瞬态温度随时间变化快, 动态误差大, 探索了一种利用大功率高频CO2激光器作为激励源, 用激光脉冲加热被校传感器。用测得的温度信号对被校传感器进行可溯源高温动态校准的新方案。实验结果表明, 系统测温范围为800～2000 ℃, 并具有精度高, 响应快, 抗电磁干扰, 性能稳定的特点, 解决了热电偶响应速度慢, 寿命短的缺陷, 为冶金、石油、化工、武器研制等领域的瞬态高温测量提供了一种新的测试手段。     

A Microcomputer System for Automatic Mode Sweep of Ring Laser Angular Rate Sensor (Ring Laser Gyro)

１ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅＲｉｎｇＬａｓｅｒＡｎｇｕｌａｒＲａｔｅＳｅｎｓｏｒ（ＲｉｎｇＬａｓｅｒＧｙｒｏＲＬＧ）ｗａｓｄｅｆｉｎｅｄａｓａｔｙｐｅｏｆａｃｔｉｖｅｒｅｓｏｎａｔｏｒｇｙｒｏ．ＨｅｒｃｏｎｃｅｉｖｅｄｔｈｅＲＬＧｉｎ１９６１［１...     

A Microcomputer System for Automatic Mode Sweep of Ring Laser Angular Rate Sensor(Ring Laser Gyro)

On the basis of analysis and principles of the operational modes and mode sweep of a ring laser, a microcomputer system for automatic mode sweep of ring laser angular rate sensor is presented. A 0～300 V continuous adjusted power supply system for PZT used to accurately adjust the cavity lens of the ring laser also is described in the paper. The test result shows that the microcomputer system could solve the problem of automatic mode sweep of ring laser successfully.     

Concept of neutral gain modules for power scaling of thin-disk lasers

We present a concept for power scaling of high brightness solid state lasers, which introduces so called gain modules containing the laser active media. These modules can be inserted as relay imaging optical systems in any type of laser resonators. The gain modules are optically neutral; hence, power scaling can be provided inserting several modules. Here, we provide the basic functional units of gain modules as well as an exemplary experimental implementation in thin-disk lasers with dynamically stable resonators. On the basis of these studies, more than 1 kW output power with an averaged M ²=2.6 could be demonstrated using two disks. Experiments with four disks are in preparation.     

Parasitic heating effects in high frame rate laser imaging experiments

The number of applications using high frame rate imaging in combustion research has grown rapidly in recent years. Enabled by continuous improvements in laser power, a wide range of diagnostics have been developed to measure velocity, species concentration, and temperature. Growing attention is focused on measurements near surfaces, e.g., to gain better insight into transient boundary layer flows in internal combustion engines. During such experiments, laser light is used to illuminate the gas phase region above the surface, but often the laser beam is terminated into the surface directly. Thus, laser operation at several kilohertz and power levels in the range of 10–100 W raise concerns about heating the surface and altering the conditions in the gas phase. In other words, the non-intrusive properties of laser diagnostics might not be guaranteed under such conditions. We have investigated the effect of heating by high repetition rate lasers by measuring the temperature of an exposed metal surface with an infrared sensor and by various simulation approaches. The current results show a modest but noticeable influence of laser heating.     

高速线扫描共焦检眼镜

高速线扫描共焦检眼镜使用线光束照明眼底视网膜,同时利用线阵CCD对视网膜平面的单次散射线光束探测成像。系统光学放大率为7倍,横向分辨率小于10μm,对于58kHz线频的1024pixel×512pixel成像模式,成像帧频高达110frame/s。该系统实现了高分辨率、高帧频模拟人眼实验图像的获取。