基于光纤Mach-Zehnder干涉仪多普勒激光雷达鉴频器的校准及风速探测(英文)

分析了光纤Mach-Zehnder干涉仪作为鉴频器的多普勒激光雷达风速探测灵敏度及动态范围与光程差的关系.当光纤Mach-Zehnder干涉仪光程差从0.1 m变化到1.5 m时,对应风速探测范围从±199.5m/s变化到±13.3m/s.光程差为0.45m时,风速变化1m/s对应的最高灵敏度为2.15%.光程差误差将导致风速反演误差.当光程差为0.145 9m和1.088 9m时,1nm的光程差误差将导致反演风速误差分别为1.028m/s和0.138m/s.应用激光波长调谐的方法得到光纤Mach-Zehnder干涉仪的透过率曲线,由自由光谱范围精确确定了光程差的值.应用此干涉仪作为鉴频器的激光雷达完成了实际风速探测,反演风速与相干探测风速具有较好的一致性,证明了校准探测的正确性.     

光谱稳定性对直接探测多普勒测风激光雷达的影响研究

从种子注入固体激光器的不稳定和多普勒频移检测干涉仪的光谱漂移出发,模拟和分析其对基于双边缘探测技术的直接探测多普勒激光雷达风速测量准确度的影响. 模拟结果显示,在5 min积分时间的30 000个脉冲内,如果达到风速准确度1 m/s,要求激光器出现多纵模的脉冲不能超过总脉冲个数的0.06％.在干涉仪光谱稳定方面,使用两级温控可以将干涉仪温度控制在±0.002℃,对应风速误差为±0.226 m/s.同时提出通过监视种子注入过程中的脉冲建立时间和干涉仪温度,可以在数据反演时,消除激光频率跳动和干涉仪光谱漂移对风速测量准确度的影响.     

空间多普勒激光雷达地面散射信号分析

为了扩展空间多普勒激光雷达地面散射信号的应用范围,采用多个机载多普勒激光雷达飞行实验数据,对地面散射信号的强度、海拔高度、速度等特征进行了数据分析,并利用地面散射信号与上层大气信号强度的比值,可以等效体现地面反射率特征,即地面散射信号解算的海拔高度与数字海拔高度模型数据相吻合,两者平均值偏差小于20 m,标准偏差小于100 m;使用地面散射信号实现飞机速度校正,与使用飞机平台数据解算的结果具有较好的一致性,采用直接探测手段时,标准偏差小于1.5 m/s,采用相干探测手段时,标准偏差小于0.5 m/s,验证了利用地面散射实现空间平台速度校正的可行性。另外,针对云散射信号的存在和影响,提出了一种利用海拔高度数据比对的方法,实现云散射和地面散射的识别。     

相干测风激光雷达的数值建模和仿真分析

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。     

激光微多普勒探测系统中降低相位噪音影响的方法研究

相干微多普勒激光雷达具有探测灵敏度高、探测信息量大等特点,特别适合于动目标探测、目标特征识别等应用.本文从线宽和探测距离两个方面讨论了模场相位随机起伏（相位噪音）对于测速准确度的影响,实验证实了相位噪音对激光微多普勒探测的影响,并探索出解决上述问题的方法——光纤补偿法.实验中,以输出波长为1.064 μm单块非平面环形腔激光器为光源,利用光纤补偿方法,并结合时频变换的算法,用外差探测的方式成功观测到了微多普勒频移,在传输距离为11 km时,系统最低探测速度达到了0.5 mm/s,速度分辨率达到了mm/s量级,频率分辨率达到了kHz量级,为微多普勒激光雷达的实际应用奠定了良好的实验基础.     

空间方差构建在激光雷达光子计数数据堆栈修正中的应用

激光雷达近场回波信号较强,容易使光子计数系统产生数据堆栈现象,而死区时间是修正数据堆栈的重要因子。构建了一种激光雷达光子计数数据廓线的空间方差数学计算模型,用于评价光子计数数据的泊松分布质量。利用计算分析结果估算激光雷达光子计数系统死区时间,进而修正光子计数数据中遭受数据堆栈的数据。计算结果表明,激光雷达远场信号基本符合泊松分布,而近场信号不符合,但是死区时间修正后的光子计数数据的泊松分布特性可得到明显改善。通过最小化数据方差与均值的偏离程度,估算系统死区时间以修正数据堆栈现象,使得光子计数数据最大化地服从泊松分布。研究结果表明,长距离扫描激光雷达系统所应用的Licel数据记录仪TR40-160光子计数系统的死区时间约为3.402ns,修正后的激光雷达数据堆栈现象得到明显改善。     

空间方差构建在激光雷达光子计数数据堆栈修正中的应用EI北大核心CSCD

激光雷达近场回波信号较强,容易使光子计数系统产生数据堆栈现象,而死区时间是修正数据堆栈的重要因子。构建了一种激光雷达光子计数数据廓线的空间方差数学计算模型,用于评价光子计数数据的泊松分布质量。利用计算分析结果估算激光雷达光子计数系统死区时间,进而修正光子计数数据中遭受数据堆栈的数据。计算结果表明,激光雷达远场信号基本符合泊松分布,而近场信号不符合,但是死区时间修正后的光子计数数据的泊松分布特性可得到明显改善。通过最小化数据方差与均值的偏离程度,估算系统死区时间以修正数据堆栈现象,使得光子计数数据最大化地服从泊松分布。研究结果表明,长距离扫描激光雷达系统所应用的Licel数据记录仪TR40-160光子计数系统的死区时间约为3.402ns,修正后的激光雷达数据堆栈现象得到明显改善。     

基于菲佐干涉仪与多通道光电倍增管阵列的多普勒频移检测技术

提出了基于菲佐干涉仪和多通道光电倍增管(PMT)阵列探测器组合的多普勒频移检测的方案,适用于风速测量的直接探测多普勒激光雷达。首先介绍了工作原理,再根据菲佐干涉仪光谱特征对频移检测用干涉仪进行了优化设计,优化设计的菲佐干涉仪腔长150mm、平板反射率0．755。对提出的菲佐干涉仪和多通道光电倍增管阵列探测器组合的方案进行了数值模拟,以分子散射作为背景噪声,计算了该方法的风速测量误差。模拟结果表明,设计的基于菲佐干涉仪的直接探测多普勒测风激光雷达,在30 s的积分时间内、探测高度5 km以下,风速测量误差可以达到0．56 m/s。     

时空域联合编码扩频单光子计数成像方法

本文结合空间编码单像素成像技术和扩频时间编码扫描成像技术,提出一种时空域联合编码扩频单光子计数成像方法.该方法具备可避免距离模糊、大时宽带宽积的优势,并且在噪声干扰下,能够准确恢复距离像.本文推导了基于单光子探测的时空域联合相关非线性探测模型、成像正向模型和信噪比模型,并通过凸优化反演算法恢复深度图像,理论模型和仿真实验均证明,与传统的基于空间编码的单像素成像方法相比,本方法提高了重建的质量.其中,采用m序列作为时间编码,成像的噪声鲁棒性更高.和传统的空间编码单像素成像技术相比,本文提出方法的成像均方误差降低了4/5,引入二次相关方法后,成像均方误差降低了9/10.本文所提出的成像架构为非扫描激光雷达成像方法提供了新思路.     

基于激光雷达探测的三维风场变分反演算法

基于单部雷达的三维风场精细反演是航空气象学、精准风力资源评估等领域的重要研究问题.为高效、准确地获得小尺度风场的精细三维结构,提出一种基于单部激光雷达探测的三维风场局地/全局变分反演算法.本算法首先在小范围内构建局地变分法用于反演三维风场初值,然后在激光雷达扫描区域内基于全局变分法对初值进行调整.在仿真中对比了本文方法迭代10次和两步变分法收敛后的结果,发现本文方法性能优于两步变分法,在较均匀风场情况下本文算法反演三维风速的均方根误差平均降低1.49 m/s,在不均匀风场情况下平均降低1.19 m/s.仿真结果和外场实验数据分析表明,在激光雷达扫描区域覆盖较大仰角范围的情况下,本文算法可较为快速准确地获得三维风场反演结果,在航空安全、风资源评估等领域具有较好的应用潜力.     

非对称空间外差干涉仪相位探测和漂移校正（英文）

针对多普勒非对称空间外差干涉技术,提出一种目标信号相位自校正的方法.首先通过连续采样单色光的干涉图跟踪绝对相位漂移;然后分段线性拟合不同风速下的干涉相位,通过计算两条拟合曲线距离去除相位漂移.搭建风速模拟实验平台,获得采样干涉图,并对相位误差进行校正.结果表明,在60.37m/s的模拟风速下,相位漂移误差达到30.78m/s,通过相位校正风速反演误差降低至3.51m/s,风速精度得到较大改善.最终通过几组不同风速下的反演值得到了平均2.97m/s的风速测量精度.     

非对称空间外差干涉仪相位探测和漂移校正

针对多普勒非对称空间外差干涉技术,提出一种目标信号相位自校正的方法.首先通过连续采样单色光的干涉图跟踪绝对相位漂移;然后分段线性拟合不同风速下的干涉相位,通过计算两条拟合曲线距离去除相位漂移.搭建风速模拟实验平台,获得采样干涉图,并对相位误差进行校正.结果表明,在60.37 m/s的模拟风速下,相位漂移误差达到30.78 m/s,通过相位校正风速反演误差降低至3.51 m/s,风速精度得到较大改善.最终通过几组不同风速下的反演值得到了平均2.97 m/s的风速测量精度.     

全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s-1)鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s-1))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。     

多路并行探测提高光子计数关联成像质量研究

构建了一种基于多路并行探测提高光子计数关联成像质量的方案,分析了其成像性能,并通过数值模拟验证了其有效性。探讨了探测路数、回波信号平均光子数和辐照散斑场的稀疏度对成像质量的影响。数值模拟结果表明,该方案下的关联成像质量与探测路数成正相关,随着回波信号平均光子数和辐照散斑场稀疏度的增加,成像质量先提升后降低。     

基于碘分子吸收池的新型瑞利多普勒激光雷达

研制了一套使用种子源直接放大激光器和时分复用收发的新型瑞利多普勒激光雷达。激光器通过对种子源进行多级光纤和固体功率放大,获得了稳定的60 W高平均功率脉冲激光输出。脉冲激光通过时分复用发射系统向垂直、正西和正北方向交替发射进入大气,从三个方向接收到的激光大气回波信号经过光纤合束后送入同一套碘分子吸收池中进行多普勒鉴频。基于上述系统设计开展了系统探测性能仿真研究和实验验证对比分析,仿真结果表明,系统能够在时间分辨率为30 min、垂直高度分辨率为1 km条件下完成大气温度和经纬向水平风速的同步测量,其中60 km高度处温度理论测量误差为1.99 K,经纬向水平风速理论测量误差为4.78 m/s。系统的验证实验结果表明,60 km高度处大气温度的实测误差为2.4 K,经纬向水平风速的实测误差分别为8.7 m/s和8.5 m/s,反演结果与大气模式和卫星探测结果进行对比呈现了较好的一致性。     

基于光子计数激光雷达的自适应门控抑噪及三维重建算法

光子计数激光雷达技术具有极高的探测灵敏度与时间分辨率,是极端条件下高精度目标信息获取的重要手段.由于该技术通过探测单光子级的回波能量实现对目标信息的三维重建,因此极易受噪声干扰,导致成像质量严重降低.基于高速电子门控的距离选通技术虽然可以有效抑制噪声,但存在参数设计依靠经验、目标检测区间窄等问题.本文提出一种在宽目标检测区间条件下的目标信息提取及三维重建方法,首先通过对三维回波信息的获取机理及其概率模型进行分析,获取目标信息分布范围并通过算法门控提取有效信息;再采用高效的图像重建算法进一步提升三维重建的质量,从而具有比基于纯硬件的去噪方法更强的抑噪能力.实验结果显示,在平均像素光子数仅为3.020,且信号噪声比仅为0.106的极端条件下,本文提出的目标信息提取方法可将信号噪声比提升19.330倍;再配合高效的图像重建算法,距离图像的重建信噪比相比于传统的互相关算法提升了33.520 d B,大幅提升了强噪声环境下高精度目标信息获取的能力.     

1.06 μm相干激光雷达动目标多普勒信号探测

介绍了一套1.06 μm脉冲式相干激光雷达测速演示系统.采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd∶YAG激光器为发射源,实现稳定的单频输出.通过外差式相干探测的方法,利用转速0~60 Hz可调、直径为10 cm的转盘为运动目标,回波信号被带宽为3.5 GHz的高速光电探测器响应后,经采样率为2.5 GS/s的A/D采样,输送到基于LabVIEW信号处理系统中,从而测量不同转速下的多普勒频移,各测速点的多普勒频移测量结果相对误差在3%以内.针对测量中存在的误差从激光器输出线宽和测速系统准确度两方面进行了误差分析,并提出了改进措施.演示系统的良好重复性证实了这种相干激光雷达系统的可行性.     

1.06 μm相干激光雷达动目标多普勒信号探测

介绍了一套1.06 μm脉冲式相干激光雷达测速演示系统.采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd∶YAG激光器为发射源,实现稳定的单频输出.通过外差式相干探测的方法,利用转速0～60 Hz可调、直径为10 cm的转盘为运动目标,回波信号被带宽为3.5 GHz的高速光电探测器响应后,经采样率为2.5 GS/s的A/D采样,输送到基于LabVIEW信号处理系统中,从而测量不同转速下的多普勒频移,各测速点的多普勒频移测量结果相对误差在3%以内.针对测量中存在的误差从激光器输出线宽和测速系统准确度两方面进行了误差分析,并提出了改进措施.演示系统的良好重复性证实了这种相干激光雷达系统的可行性.     

角度调谐的多普勒激光雷达硬目标转速测量

利用角度调谐方法确定直接探测多普勒测风激光雷达的初始工作点,角度调节精度可达10 μrad.在此工作点处使用频率稳定性为10-7,单纵模出现概率大于98%的Nd:YAG激光器,通过偏振分光光路测得参考信号与回波信号.配合目标准确放置到准直镜的焦距上,分别测量了配合目标静止,正转和反转时的参考信号与回波信号.利用配合目标静止时测得参考信号与回波信号的关系可得参考信号的角度矫正因子为1.1949,使用该矫正因子测得硬目标在正转和反转时转速与真实转速之间的误差小于0.5 m/s.     

光子计数深度获取系统误差机理研究和矫正

采用两路光子时间到达点构建光纤式光子计数伪随机码深度获取系统.为了研究降低深度误差的方法,以高斯函数为激光回波脉冲,计算瞬时概率密度函数,引入"时间行走"效应数学模型,推导深度误差克拉美罗下限.随着激光回波能量的增大,深度误差先降低再增大,并且码长越长,深度误差越小.采用理论推导的累积分布函数,生成光子时间到达点,蒙特卡洛仿真伪随机序列光子探测过程,结果大于理论数值模拟,符合克拉美罗下界原理.17组标定实验表明:由于目标表面特性的不同而导致探测到激光回波中光子数的浮动,该浮动引发光子"时间行走"效应,并带来伪随机码深度获取系统的互相关函数的整体偏移.采用数值拟合方程拟合不同光子计数比例值下的深度误差,测量得到的光子计数比例值,代入拟合的矫正方程,矫正后的深度均方误差下降至1cm.