激光后向散射式大气能见度测量仪样机的研制

大气能见度的高精度、实时性探测对军事装备及军事活动起着重要作用.针对军事装备对能见度测量的实时、精确、仪器便携、功耗低、无合作目标的特殊要求,根据激光后向散射理论,研究了舰用探测大气能见度激光雷达样机的原理、系统组成及其软件实现,并进行了外场试验,试验结果表明样机误差在±20%以内.     

大气气溶胶消光特性和折射率的测量

 介绍了一种综合利用能见度仪、微脉冲激光雷达和光学粒子计数器测量大气气溶胶折射率的新方法。首先使用能见度仪和激光雷达测量出大气气溶胶的消光系数和消光后向散射比，然后使用粒子计数器测量出粒子谱分布，结合气溶胶粒子折射率，根据球形粒子的米（Mie）散射理论，可以得到气溶胶消光系数和消光后向散射比。通过分析消光系数、消光后向散射比、粒子谱分布和折射率之间的关系，结合已知的消光系数和消光后向散射比，反演出大气气溶胶粒子的折射率。     

小型米散射激光雷达的研制及其探测

介绍了一台自行研制的用于大气气溶胶光学特性和水平能见度测量的小型米散射激光雷达系统,并进行了一系列观测实验和分析.系统选用532nm波长激光作为光源,采用Fernald反演算法对接收到的大气回波信号进行反演得到气溶胶消光系数.通过对西安城区上空的气溶胶光学特性进行连续观测,测得了西安城区不同时刻消光系数的高度分布廓线、以及24小时内大气边界层高度的时空变化特性,并对大气水平能见度进行了连续观测,其结果与当地气象部门提供的水平能见度数据的变化趋势基本一致.观测结果表明,利用该米散射激光雷达可以对大气气溶胶光学特性和水平能见度进行有效测量.     

激光告警散射截获距离仿真

针对近地面来袭的激光威胁源,建立基于米氏散射理论的散射探测模型。利用matlab软件对散射光光强随激光探测方向、大气能见度的变化进行了数值分析,结果表明,探测散射光最强的方向是平行于主轴传输方向,大气能见度和散射光强成非线性关系。在分析散射光强受气象条件变化的基础上,得到了不同激光威胁源情况下,激光告警的最大散射截获距离。     

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.     

基于前向近红外散射光谱测量雾和雨天大气消光的应用研究

在可见和近红外区,由于大气的吸收作用忽略不计,大气消光由散射决定,主要贡献来自于雾滴、雨滴、其他形式降水和小粒子。基于前向近红外散射光谱的前向散射式能见度仪(FVM)采用近红外的LED光源照射到约100 mL的空气体积上,并测量前向30°～36°范围内的粒子的散射光强。由于该前向角范围内,雾滴和霾粒子的散射相函数不受粒子尺寸分布的影响,经过波长校正后,散射强度与大气消光系数成正比,该散射消光比通过对比标准人工观测值获得。然而,在把雾和霾的散射消光比应用到雨天测量时,会产生难以接受的误差。要得到雨天消光的准确测量,就需要找到适合雨滴的散射消光比。基于Mie散射理论计算了不同尺寸分布下的雾滴和雨滴的散射相函数,并对雾天和雨天下FVM的测量值与人工实际观测值进行了对比分析,发现FVM在雨天的消光要比人工观测值高出约20%～60%。根据测量结果,可以定出FVM在雨天测量的校准系数,因此,基于前向近红外散射光谱的FVM不仅能够测量雾天的大气消光,还能对雨天的消光进行较准确的估算     

基于阵列式探测器的高能激光大气传输试验与评估方法研究

对高能激光大气传输效应进行了理论分析,并结合数值算例定量分析了能见度和传输距离对到靶功率的影响。在此基础上,提出了一种基于阵列式探测器的高能激光大气传输试验与评估方法,给出了高能激光束到靶光斑参数的计算方法。研究结果能够用于测量高能激光通过大气传输后的激光功率密度时空分布,评估舰载高能激光武器大气传输能力,为未来开展高能激光武器外场试验奠定理论基础。     

1．06μm激光大气后向散射强度仿真计算研究

针对激光大气后向散射信号对激光导引头制导性能的影响,分析了激光大气后向散射的形成,利用MATLAB语言对1．06μm激光大气后向散射信号强度进行了仿真计算,同时设计开发了一套模拟计算软件,并通过试验验证了软件计算激光大气后向散射信号强度的准确性。     

基于电荷耦合器件探测气溶胶散射相函数与大气能见度的研究

提出一种测量大气气溶胶散射相函数及能见度的方法,并且设计了以半导体激光器为光源和以电荷耦合器件(CCD)为探测器的实验装置,利用该实验装置测量了15°～45°的散射灰度值角分布。根据激光雷达方程和Henyey-Greenstein散射相函数理论,拟合气溶胶的相函数分布,计算其能见度。将拟合得到的相函数和计算的能见度的结果分别与POM天空辐射计和Belfort能见度得到的观测结果进行对比,结果表明两者一致性较好,证明了利用激光光源和CCD测量气溶胶相函数和能见度的可行性。     

利用CCD研究激光束在大气随机信道中的传输特性

介绍了无线光通信系统中激光信号通过随机大气信道时，由于激光与大气介质的相互作用．对光信号产生的散射、吸收和湍流等效应。上述一系列效应对激光信号的传输产生巨大的影响、其中最为重要的影响效应有衰减、光束闪烁及抖动效应。通过一实验装置、利用CCD对通过大气信道的光束在不同能见度、不同大气条件和不同时刻等条件下对激光传输信号的图像的拍摄及所拍摄的图像的对比分析，验证了理论分析中的各种大气随机信道的效应。     

钠激光导星的共孔径发射接收与谱线匹配技术

研究了采用时间选通和共孔径方式的钠激光导星技术,并开展了钠信标发射接收实验研究。分析了钠原子共振散射与信标激光波长的匹配关系,介绍了钠信标激光器、距离选通装置、回光探测装置、同步控制装置等的研制工作。实验成功采集到了钠信标图像,通过分析回光图像随信标激光波长的变化规律,验证了波长匹配在钠激光导星中的重要性。     

带光纤环的分布式光纤拉曼温度系统

 为了抑制分布式光纤拉曼温度系统的温漂和瑞利散射光窜扰反斯托克斯散射光,在传感光纤前端盲区后放置光纤取样环,用瑞利散射光解调反斯托克斯散射光及用光纤取样环的温度计算光纤线上其它点的温度,提高了系统的测温精度和稳定性。采用功率100 mW，波长1.55 μm，脉宽10 ns脉冲激光器和15 dB前置光纤放大器，100M14bitA/D转换卡及DSP作数字平均构建光纤拉曼温度系统的实验，实现了测温误差在±0.03 ℃内。     

激光雷达测量大气温度的傅里叶分析方法

 在对流层(小于12km），由于大气中气溶胶的存在，传统的利用大气中瑞利散射光谱测量大气温度的方法具有一定的局限性。借助傅里叶分析方法对不同高度的大气后向散射光谱通过碘吸收池所产生的不同透过率曲线进行处理，同时考虑了对流层中气溶胶的影响，可得到对流层中不同高度、不同大气后向散射比条件下的温度轮廓线。     

A method for retrieving vertical distribution of aerosol mass concentration in atmosphere from results of lidar sensing at Nd:YAG laser wavelengths

A method for retrieving the vertical profiles of atmospheric aerosol concentration from the results of lidar sensing at Ng:YAG laser wavelengths is developed based on the found multiple regressions between the optical location characteristics of aerosol at wavelengths of 0.355, 0.532, and 1.064 nm, as well as between the aerosol backscattering coefficient at these wavelengths and the concentration of aerosol particles. The method does not require solving ill-posed inverse problems and minimizes the use of a priori information. The reliability and generality of regressions obtained are confirmed by their good agreement with the AERO-NET data. The method efficiency is demonstrated by numerical experiments on retrieving profiles of back-scattering coefficients and concentration that corresponds to different optical models of aerosol.     

双边缘技术多普勒测风激光雷达标准具的优化

 优化了基于双边缘技术的直接测风多普勒激光雷达中F-P标准具的工作参数。确定激光谱宽后，选择适当的F-P标准具自由谱间距，可正确消除瑞利背景噪声的影响。分析了标准具镜面缺陷、非严格平行和入射光束发散角对其透过率曲线的影响。将标准具透过率函数表达为唯一系统参数，即反射精细度的函数；通过计算散粒噪声极限时的相对测量误差，可确定最优反射精细度以及激光频率相对标准具透过率中心频率的最佳偏置；由最优反射精细度可得到入射到标准具光束的最大发散角和标准具的最小通光口径。     

Novel features of non-linear Raman instability in a laser plasma

The electron phase space evolution in a non-relativistic and homogeneous laser plasma generated by a nanosecond laser in a near infrared region in the presence of stimulated Raman scattering is investigated by a numerical simulation. The mechanism of electron acceleration in the potential wells of the plasma wave accompanying the Raman back-scattering is analyzed in a 1D Vlasov-Maxwell model. The dominant wave modes are both the backward and the forward propagating Raman waves, each accompanied by a daughter electrostatic wave. In addition to a strong interaction of plasma electrons with the primary electrostatic wave in the case of back-scattering, a cascading is observed consisting in a secondary scattering of the primary Raman back-scattered wave. This phenomenon reduces the Raman reflectivity and causes an acceleration of electrons against the direction of the heating laser beam. Moreover, the strong trapping in the primary electrostatic wave generated by the Raman back-scattering leads due to the trapped particle instability to a significant spectral broadening of the original plasma wave and a subsequent intermittent behaviour of the scattering process. The high phase velocity electrostatic daughter wave of the forward Raman scattering cannot trap the electrons directly, but there is an indication of non-resonant quasi-modes combined of this wave and of the simultaneously existing electrostatic daughter wave accompanying the Raman back-scattering. The transform method is used for a solution of the set of partial differential equations, which consists of the Vlasov equation and of the full set of Maxwell equations in a 1D approximation. A simplified Fokker-Planck collision term is added to overcome the numerical instabilities during the simulation. The model has relevance to a long scale plasma geometry, such as occurring in the indirect drive experiments near the light entrance holes of target hohlraum.     

Criticality in lasers and masers

A critical length for laser self Q-switching and a self oscillation condition for an astrophysical maser are derived by analogy with neutron criticality, with back-scattering of radiation as the coupling process.     

低损耗薄膜背散仪吸光器的关键技术研究

激光高反射膜片的背散光大小直接影响激光陀螺的精度,低损耗薄膜背散仪是在全积分散射测试理论及立体角积分散射测量原理的基础上提出的一种测量高反射膜片背散光的新方法.在低损耗薄膜背散仪的设计中,吸光器的吸光装置结构及吸光材料的选择直接影响着测量精度.计算表明,在用波长λ=632.8nm、激光功率P=10mW的氦氖激光照射至与...     

大气后向散射比对风速测量的影响

 采用同时测量Rayleigh散射和Mie散射混合信号的多普勒频移的单边缘技术，探测低空中（<12 km）的大气风速。由于大气后向散射比R_b值的变化，导致测量结果有很大的误差。详细分析了Rb值的变化对风速测量灵敏度及测量结果的影响，并做出了在不同Rb值情况下的风速测量校正曲线。结果表明：随着R_b值的增大，风速测量灵敏度有升高的趋势；随着Rb值偏差的增大，测量的风速误差有增大的趋势；同时，在相同的R_b值偏差情况下，随着径向风速的增大，测量的风速误差也有相应的增大。     

527 nm激光辐照盘靶受激布里渊散射光角分布

 在“星光Ⅱ”激光装置上，开展了527 nm激光与金盘靶和铝盘靶相互作用实验，研究了激光辐照盘靶的受激布里渊散射光散射机制，获得了散射光能量角分布。实验结果表明：激光辐照金盘靶时，在入射激光能量大致相同的情况下，受激布里渊散射光能量在匀滑的条件下比没有匀滑时低一个数量级以上（背反能量除外），束匀滑对散射光的抑制作用十分明显。在匀滑条件下，越靠近背反方向，散射光能量越大。散射光能量分布沿方位角的变化不大。激光辐照铝盘靶时，散射光能量分布的离散性较大。