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。     

近距离激光外差探测光学极限位移分辨率

通过统计理论和维纳-辛钦定理推导出激光外差探测系统光电流的功率谱函数,分析了光电流谱线分布与激光光源线宽、中频信号频率以及信号光相对本振光传输延迟时间的关系,修正了相关文献中光电流功率谱的理论公式.根据信号与噪声理论建立了激光线宽引起的相位噪声的一维概率分布模型,并据此得到了基于激光波长、探测距离以及激光线宽的极限位移分辨率的数学模型.对光电流的功率谱和外差光学极限位移分辨率进行了相关的数值仿真,结果表明延迟时间与相干时间的关系决定光电流谱线分布的情况.当激光波长为532 nm,激光线宽在1 kHz,探测距离为100 m时,光学极限位移分辨率为0.266 nm,相关文献中的实验数据与理论推导结果相符合.     

无线光链路快速同步技术

介绍了一种小型无线激光通信系统的硬件结构以及针对该硬件的物理层收发协议。具体阐述了该协议中采用的快速同步技术,该技术能够降低通信终端间同步过程中的带宽浪费。在硬件结构中,主要介绍了激光驱动系统、信号放大和整形系统以及信号接口。硬件相关的物理层协议主要用于外部信号接口、数据流的串行化和解串行化、传输错误在线检测以及传输调度。系统主要针对地基无线光通信设计,使用多相位采样技术在本地生成接收端的采样时钟,与基于PLL的时钟复原方法相比具有更快的同步速度,有效提高了无线光通信系统的带宽利用率,降低了通信误码率。     

随机并行梯度下降算法在激光束整形中的应用

为了满足高光束质量要求,校正激光束在传输过程中产生的波前畸变,改善激光位相分布,进而提高聚焦光斑的能量集中度,基于79单元微机械薄膜变形镜（MMDM）搭建了一套激光束整形实验系统。利用随机并行梯度下降（SPGD）算法,分别选择聚焦光斑半径、形心为中心的环围能量比和质心为中心的环围能量比作为算法性能指标,开展了激光束整形实验研究。3种情况下,分别经过58次、197次、133次迭代趋于收敛,但光斑半径作为性能指标时振荡严重;环围能量比从整形前的0.200 5、0.127 7、0.200 5分别增加到整形后的0.669 9、0.733 9、0.864 0。实验结果表明：MMDM用于激光束整形具有良好的效果,光斑半径作为性能指标整形速度最快,其次为质心环围能量比,形心环围能量比最慢;质心环围能量比作为性能指标整形效果最好,其次为形心环围能量比,光斑半径最差。综合比较,质心环围能量比作为性能指标时综合效果最好。     

激光光源线宽对外差探测性能的影响

本文根据统计理论分析了激光线宽对外差探测结果的影响, 并讨论了激光线宽对杨氏干涉条纹对比度的影响. 本文基于解析结果做了数值仿真, 所得结果表明激光线宽增加时, 外差探测方式仍可以检测到中频信号, 但在线宽较大时, 受噪声影响无法准确地提取到中频频率. 为验证理论分析结果, 使用线宽为1 MHz的激光光源进行了8.1 km外场实验, 实验结果与数值分析结论一致, 即不会因为线宽增加而无法检测到中频信号. 文中所得结论对于外差探测光源的选择有重要指导意义, 因此根据测量目标的特性和测量要求, 可按照文中结论评估光源的线宽指标.     

基于Mie散射的CO_2激光大气传输特性测量

为了更准确地计算大气透过率,在Mie散射理论基础上,分析了雷达系统设计中需考虑的大气透过率的经验计算公式,指出了该经验公式的不足。考虑大气分析软件MODTRAN自身的优点,采用经验公式和软件计算相结合的方式计算大气透过率,给出了MODTRAN计算结果的修正表达式。在该理论指导下,进行了CO2激光大气传输实验。由于没有考虑大气湍流,理论计算和实验结果存在一定偏差,但不影响本文方法的实用性。实验测量显示,激光器出口处光斑能量抖动比为6.18%,而在50m和1km处能量抖动比分别为8.3%和50.2%,表明随着传输距离增加,能量抖动比增大。除掉激光器本身输出能量抖动外,在50m和1km处由大气传输造成的能量抖动比分别为2.12%和44.02%。实验结果提示,水平传输1km时能量抖动已相当剧烈,所以对更远距离的激光传输,自适应光学补偿显得尤为重要。     

激光对电视成像跟踪系统的软杀伤效应研究

分析了电视成像跟踪系统的组成原理,在开展脉冲激光干扰CCD的实验基础上,进行了激光对电视成像跟踪系统的软杀伤实验与理论分析。实验指出,激光对电视成像跟踪系统的软杀伤主要是对CCD光电探测系统的软杀伤,软杀伤效果如何与激光成像是否位于跟踪系统的波门之内有很大关系。     

飞秒双脉冲激光照射金属薄膜的热行为

通过双温方程对飞秒单脉冲与双脉冲照射金薄膜进行了计算模拟分析,得到了金靶的电子温度和晶格温度随着时间空间的变化。在同样激光能量密度下,单脉冲与双脉冲使得金膜温度的变化表明双脉冲使得更多的激光能量渗透到靶材内部,这些能量可以使得烧蚀深度更深,有利于提高激光烧蚀靶材的效率。计算结果显示随着激光能量密度的增加熔化面深度逐渐增加,单脉冲与双脉冲熔化面深度的变化明显不同。在激光能量密度高于损伤阈值附近,单脉冲的烧蚀深度大于双脉冲的烧蚀深度,随着激光能量密度增加,双脉冲的烧蚀深度将大于单脉冲的烧蚀深度。     

基于改进的局部表面凸性算法三维点云分割

点云分割是点云分类、识别以及三维重建等处理的基础,分割结果对后续应用影响巨大。本文提出利用连通点集改进局部表面凸性算法中邻近点关系的方法,解决目前激光三维成像系统点云分割算法在处理复杂环境散乱点云时存在分割过度及分割不充分的问题,通过主顶点与周围点构成连通集,作为分割判断局部子点集,形成有效分割区域。该方法解决了常用点云分割方法无法对形状不规则物体进行有效分割的问题,提高了分割精度。算法实验结果表明,相比于最小切割算法和区域生长算法,基于连通点集的改进局部表面凸性算法对实际路面环境信息的分割效果更好,并能在一定程度上避免分割过度和分割不充分的情况,证明该方法适用于复杂环境散乱点云数据分割。     

无线激光通信协议的设计(英文)

研究了无线激光通信(FSO)与传统激光通信的区别,编制了一套FSO物理层收发协议。采用现场可编程门阵列(FPGA)完成收发机与外部电路的数据通信,利用先入先出(FIFO)存储器完成收发协议与外部系统的接口。设计的物理层收发协议主要完成发送数据的编码、串行化以及接收数据的解串行化和解码。仿真实验结果表明:设计的收发协议可实现在40 Mbps通信速率下的稳定工作,证明了该收发协议设计的可行性。