星载海洋激光雷达最佳工作波长分析

星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具,也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据,估算全球海水探测深度及相应的最优波长;并根据太阳夫琅禾费暗线特性,对信号信噪比进行优化。结果表明:在探测深度方面,最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右,并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度;在信噪比方面,相对于488 nm波段,486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%,相应地回波信噪比整体提升了约5.0%。就全球海洋探测来说,使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度,有效抑制太阳背景光,提高信噪比,因此,486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。     

海洋激光雷达测量海中悬移质

研制了一套采用倍频YAG激光器的小型海洋激光雷达，用于测量海中悬移质浓度，2000年8月28日至9月5日，该系统安装于“东方红Ⅱ”号右舷下甲板，在渤海海区进行海中悬移质浓度现场测量，通过对18个站位的海洋激光雷达数据分析，获得的表层悬移质浓度与同步测量的海中悬移质浓度结果吻合较好。     

激光测深系统中大动态范围压缩技术的实验研究

分析了分通道、距离选通、光电倍增管变增益、正交偏振等多种技术相结合的方法,用以改善机载激光测深系统中激光回波的动态范围。并研制了相应的变增益部件,开展了水池试验以及海上现场试验。试验结果表明,多种方法相结合的技术可对水底信号的动态范围进行有效压缩,满足机载测深系统对浅海测量的动态范围要求;但正交偏振技术对信号测量压缩的改善效果并不明显。报道了试验过程中出现的光电倍增管后脉冲对水深测量的影响。对动态范围压缩技术进一步研究提供了有价值的参考。     

Experimental study on minimum resolvable velocity for heterodyne laser Doppler vibrometry

A high spatial resolution,high velocity resolution all-fiber laser Doppler vibrometry(LDV) based on heterodyne detection for vibration measurements is reported.A linewidth of 1-kHz single-mode continuous fiber laser,polarization-preserving fiber,and a telescope with 30-mm aperture are used in this LDV.With the inphase-quadrature circuit and the digital differentiating discriminator,a high velocity resolution of 96.9 nm/s and a high displacement resolution of 2.5 pm are obtained simultaneously with a glass a...     

星载激光相干测高计的参量设计

为使星载激光高度计实现高空间分辨力、高距离精度,提出了联合采用调频光纤激光器和相干测距的方法.详细讨论了这种方法的实现方案,并对方案中的激光发射功率、望远镜口径以及脉冲宽度对距离精度及信噪比的影响进行数值模拟.对系统参量进行分析,得到了相关参量的关系和优化的参量.结果表明,当望远镜口径为400 mm时,啁啾调频速率为1 MHz/μs,脉冲时间宽度150～350 μs, 发射功率10 W左右时,基于相干测距的星载激光高度计可以实现距离精度小于15 cm的技术指标.     

基于双声光移频器的外差式激光多普勒测振计

分析了单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计中声光移频器驱动信号的频率稳定性和信号功率对待测振动信号的影响.为了降低声光移频器驱动信号频率漂移的影响,提出双声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计,并基于直接数字频率合成技术,以相位噪音低、初始相位可控的芯片AD9912为核心器件,完成了声光移频器驱动信号生成及处理模块的设计.开展了双声光移频器组成的外差式激光多普勒测振计的振动测量实验,结果表明,驱动信号生成装置可以驱动声光移频器正常工作,且测振计的本底噪音在0～10kHz频带范围内呈现平坦分布,0～1kHz频段内噪音得到明显抑制,较单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计有显著改善.     

机载激光测深系统中海面波浪影响的改正

针对研制的新型机载激光测深系统的海上飞行试验数据,进行预处理、信息提取、数据同步和坐标转换后,开展波浪改正研究.对海底高程的GPS高程信息无波浪改正、GPS高程信息改正飞机航高变化计算波浪和加速度信息改正飞机航高变化计算波浪三种技术进行了分析.数据处理结果表明,采用加速度信息改正飞机航高变化计算得到的波浪信息的方法,结果较好,可满足研制的机载激光测深系统的要求.     

饱和激发下叶绿素荧光非线性变化及影响分析

叶绿素浓度是海洋初级生产力的重要指标之一，激光诱导荧光技术可以实现海水叶绿素浓度的快速测量。测量叶绿素浓度的传统激光诱导荧光原理，是利用叶绿素荧光与水体Raman散射的强度比值（I_F/R）进行反演，即叶绿素浓度n_chl＝CI_F/R，其中C为系统常量。这是依据叶绿素荧光685 nm、水体Raman散射强度都与激发光强呈线性关系。然而，该理论并没有考虑诱导荧光饱和现象的存在。当诱导激光强度达到一定程度后，685 nm荧光强度随激发光强非线性变化。另外，值得注意的是，水体Raman散射并不存在信号饱和现象。为了探讨饱和激发造成荧光非线性变化的影响，在激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度的实验中，设计两种测量方案，即：不同激光功率诱导单一浓度样本的荧光测量，和固定激光功率时不同浓度样本的荧光测量。实验中利用Nd∶YAG三倍频激光355 nm激发获得叶绿素溶液的404 nm处 Raman散射和685 nm荧光。实验结果分为2部分进行讨论：（1）为了分析饱和激发造成荧光变化的非线性特性，通过调节激发光功率测量溶液的受激发射光谱，发现水体Raman散射强度与激发光强呈线性关系，而685 nm荧光强度出现饱和激发下的非线性变化。而且，随叶绿素浓度的增加，685 nm荧光的非线性趋势更为明显，Raman散射强度与激发光强的线性关系中斜率变小。数据分析表明，685 nm荧光数据拟合的4阶多项式和Raman散射效率值，可以定性地表征685 nm荧光的饱和程度。（2）考虑实际海洋激光雷达探测叶绿素浓度应用中存在饱和激发荧光非线性现象，为了分析荧光非线性对传统叶绿素浓度反演理论适用性的影响，在固定激发光强情况下对不同浓度叶绿素溶液的发射光谱进行测量。将激发光功率调节至52.00，80.70，132.10和197.30 mW·cm-2，获取相应激发光强下685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值和叶绿素浓度之间的关系。实验表明，激发光强不变的情况下，685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值，与叶绿素浓度仍满足线性关系。但是，在较高光强激发时，饱和激发造成的叶绿素荧光非线性变化，导致利用传统激光诱导荧光理论反演的叶绿素浓度值偏小。因此，需要对饱和激发下荧光非线性的影响进行修正，其关系为I_F/R=n_chl/C+C_F，修正值C_F不可忽略。另外，值得一提的是，修正关系中系统常量C随激发光强增加而增大。研究表明，饱和激发造成的荧光非线性，会对激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度产生影响，但由于造成荧光非线性因素的复杂性，仅通过荧光数据拟合获得的多项式，无法定量说明其影响权重。然而，当激发光强不变时，可以实验测量获得基于激光诱导荧光原理的修正关系，从而准确反演叶绿素浓度。     

基于双声光移频器的外差式激光多普勒测振计

分析了单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计中声光移频器驱动信号的频率稳定性和信号功率对待测振动信号的影响.为了降低声光移频器驱动信号频率漂移的影响,提出双声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计,并基于直接数字频率合成技术,以相位噪音低、初始相位可控的芯片AD9912为核心器件,完成了声光移频器驱动信号生成及处理模块的设计.开展了双声光移频器组成的外差式激光多普勒测振计的振动测量实验,结果表明,驱动信号生成装置可以驱动声光移频器正常工作,且测振计的本底噪音在0~10kHz频带范围内呈现平坦分布,0~1kHz频段内噪音得到明显抑制,较单声光移频器构成的外差式激光多普勒测振计有显著改善.     

Development of an all-fiber heterodyne lidar for range and velocity measurements

A 1550-nm all-fiber monostatic lidar system based on linear chirp amplitude modulation and heterodyne detection for the measurements of range and velocity is presented. The signal processing method is given, after which the relationship between the peak frequency values in the final signal spectrum, the target＇s range, and the line-of-sight velocity is obtained in the presence of the fiber end-face-reflected signal plaguing many monostatic lidar systems. The range of an electric fan as well as the line-of-sight fan speed of different levels is tested. This proposed system has a potential application for the space-borne landing system.