非合作目标相位式激光测距接收光功率的模型建立

在相位式激光测距中,接收光功率的大小直接决定了测量信噪比,从而决定了测量范围和测量精度,因此如何准确地计算出接收光功率的大小,是测距技术中一个非常重要的问题。对普遍使用的计算接收光功率公式的适用范围进行了讨论,指出了其不适用于非合作目标短距离测量的原因。提出了适于非合作目标相位式激光测距的计算接收光功率的新方法,推导了计算公式,并进行了仿真计算。     

共孔径偏振耦合分光系统中反射镜造成的相位延迟差的测量

 激光信标共孔径发射接收偏振分光系统的动态相位补偿需要测量望远镜各反射镜对s光和p光的相位延迟差。利用Stokes矢量和Mueller矩阵建立了物理模型,并推导出用测得的回光功率计算相位延迟差的解析式。提出一种通过实验测量回光功率计算反射镜相位延迟差的方法,解决了在0～2p范围内唯一确定反射镜相位延迟差的问题。实际测量了两块反射镜的相位延迟差,并将测量结果用于动态相位补偿偏振分光实验,验证了该方法的正确性。分析了偏振分光棱镜、法拉第旋光器以及近似计算这3个主要的测量误差源,并估计总测量误差约为1°。     

目标角振动的散斑法实时测量

 论述了利用激光散斑实时测量目标散射面角振动的原理，并从干涉条纹的角度对仿真参数进行了分析。理论分析及仿真结果表明，探测器接收的光功率起伏包含了目标散射面角振动的信息，利用散斑实时测量目标角振动是可行的。目标散射面照明尺寸越小，目标散射面绝大多数微元的间距也就控制得越小，探测到的光功率交流分量起伏越大，即信号也越强。光学接收天线光阑边长并不是越大越好，随着其值的增大，光功率交流分量并不是简单的随之增大，而是表现出周期性的起伏。因此，可以对接收天线加可调光阑，从而达到最佳的探测效果。利用此原理构建的系统测量的目标角振动振幅有一定的范围,测量上限受限于相位调制因子。     

提高短距离脉冲式激光测距精度的研究

脉冲式激光测距机因其结构简单、非合作目标、测量速度快、测量距离远等特点,被广泛应用于军事,遥感,工程建设等领域。但脉冲激光测距在短距离(100m内)测量中相对误差较高,大大限制了脉冲激光测距在短距离测距中的应用。针对短距离脉冲激光测距误差进行分析,采用单片机控制TDC-GP2芯片在一个测量周期内进行多次测量,然后通过单片机计算取其平均值后输出,结合自动增益控制(AGC)技术、温度控制技术、以及雪崩二极管(APD)接收放大技术等,大大地提高了短距离脉冲激光测距的精度。     

提高近程运动目标实时测距性能的方法研究

为了提高机场泊位引导系统中激光测距的精度和频率,对测距方法、脉冲展宽的影响、系统接收信噪比、接收带宽、阈值设定方法等几个方面进行了研究。通过改进自触发脉冲飞行时间激光测距法,提高发射信号峰值功率,采用合适滤波器、减小接收系统带宽、设置自适应阈值等手段有效提高了测距系统对近程运动目标的测距性能。采用半实物仿真手段进行动态测距实验,结果表明,测距机的动态测量精度小于2cm,满足泊位系统测距性能的要求。     

基于FPGA和DDS技术的激光测距仪

针对传统的相位式激光测距仪电路设计复杂、精度难以保证的缺点,把现场可编程逻辑门阵列(FPGA)器件和直接数字频率合成(DDS)信号发生技术应用于传统的相位式激光测距仪的电路设计中,实现了一种结构简单、体积小、可靠性高的短程激光测距系统,测量精度为cm量级。对测距系统误差的主要来源和进一步研究的方向进行了分析。     

基于外差法的光纤激光器相干合成

采用波长1064 nm,功率为1 W的种子激光实现了两路光纤激光的相干合成,采用了两只保偏光纤准直器接收两路光干涉信号,与利用透镜直接把干涉信号会聚在探测器上相比,这种耦合方式得到的光干涉信号的条纹对比度更高。对相位噪声以及相位噪声的带宽进行了研究,结果表明,相位噪声由电信号串扰以及环境扰动产生。通过人为拨动光纤来增加相位噪声带宽,当相位噪声带宽增加时,相位控制精度下降。提出了提高相位控制精度的方法,实验获得了桶中功率为21.3%、斯特列尔比为79%、相位控制精度为0.008的相干合成效果。     

用于绝对相位还原的对称式和非对称式二元结构光编码

基于邻域分析的相移法不适合阶跃场景测量且往往会造成相位误差的积累,为此提出了用于获取绝对相位的对称式和非对称式二元阶梯相位结构光编码方法.两种方法编码图案不同,对称式编码方法编码图案黑白条纹的宽度相等,非对称式不等.通过投影多帧二元结构光编码图案,结合相移法相位提取公式获得阶梯相位.测量时,基于传统正弦条纹投影和相移法获得高准确度包裹相位,并用阶梯相位确定对应包裹相位的级次.根据级次直接进行相位展开,进而获得绝对相位.以量块作为测量对象,两种方法的测量均方根误差达到0.072mm.两种方法均能够有效还原阶跃场景,实现三维重构.     

激光测距用半导体脉冲激光测头的研究

研究了激光测距用半导体脉冲激光测头。通过对基于脉冲激光测距原理的半导体脉冲激光器的参数测量分析,研究了半导体脉冲激光的发射和接收。通过优化光学镜头组合,对半导体激光分散光束进行了平行准直。通过开发脉冲激光驱动电路、光电探测接收放大电路和半导体脉冲激光测距实验装置,研制了满足中距离激光测距要求的半导体脉冲激光测头。     

电磁诱导透明介质中探测场量子噪声特性的实验研究

利用平衡零拍探测测量电磁诱导透明(EIT)介质中探测场的正交振幅和正交相位噪声谱。在平衡零拍探测系统中通过调节压电陶瓷来改变本振光的光程从而改变本振光与探测光的相对相位,进而测量不同相位对应的探测光的噪声分量。实验中电磁诱导透明介质中探测光与耦合光耦合导致探测光噪声的增大,发现在耦合光不同失谐下对探测光不同正交分量引入的额外噪声是不同的,同时得到了探测光噪声与耦合光功率及分析频率的关系。     

高峰值功率1．57μm脉冲激光器的研究

KTP非线性频率转换技术是实现人眼安全激光的有效方法,为了获得高峰值功率人眼安全激光,设计了一种级联式1．06μm泵浦非临界相位匹配环形腔KTP光参量振荡器一光参量放大器,并对其激光输出进行了测试,结果证明该光参量振荡器输出激光波长1．571μm,激光峰值功率42MW,光光转换效率35％,能量稳定度2．5％。该技术已用于计量检测标准光源,并在远程人眼安全激光测距仪、激光雷达等装备中具有应用前景。     

1.5410.6-μm eyesafe laser rangefinders performance under adverse weather conditions

In this investigation, the performance of a CO₂ laser rangefinder at 10.6 μm and an erbium:glass rangefinder at 1.54 μm are evaluated and compared under various atmospheric conditions. Both systems and the trial site are described. The effect of atmospheric extinction and scattering is discussed. Also, the maximum range capability of the two laser rangefinders under these degraded weather conditions is assessed. The results show that the tested CO₂ laser rangefinder performed better than the Er:glass LRF used for the trials under all weather conditions. However, comparing two state-of-the-art systems does not lead necessarily to the same conclusion.     

基于正交调制的激光测距系统和解模糊方法

提出一种基于正交调制的激光测距系统,该方案与传统的二次混频方法相比,提高了相位测量精度并简化了系统的硬件设计,针对距离测量过程中的距离模糊问题,提出了一种基于超定方程组的距离解模糊算法,避免了对最优解的搜索,最后使用2台K60激光测距仪和3台基于本方案的测距仪在精度为0.18 mm的国家标准基线上进行对比试验,结果显示,测距时间少于1.8 s,平均测量误差在2 mm以内,在60 m的量程内测距标准差在1 mm以内,验证了该方案相比较传统的方法具有更高的测量精度和速度。     

星载激光测距系统点目标探测方程研究

激光测距系统的最大测程是其主要技术指标和进行系统设计时的主要依据,它随探测目标的性质而发生变化.本文推导并给出了激光测距系统对点目标的实用探测方程.分析了激光远场光束分布对探测能力的影响,并利用所得探测方程对某星载激光测距机的探测能力进行了评估.结果表明由于受到光束质量分布的影响,其探测能力在15.05~20.6 km之间变化.对结果进行了分析和讨论,在不改变系统参量的前提下,如果光束质量为平顶分布,则系统整体探测能力可提高至18.9 km.     

高频共振预探测多脉冲激光测距方法

在无合作目标激光测距中,提出了一种高频共振预探测和多脉冲相关处理对远目标距离进行高精度测量的技术方案.脉冲回波光电流信号经高频共振预探测电路进行放大滤波处理并转换为包含高精度定时特征点的高信噪比的双极性衰减振荡脉冲信号;之后利用多脉冲相关处理构造出的新脉冲函数进一步改善其信噪比.理论计算结果表明:最小可探测光脉冲电流仅为17 nA,与直接探测脉冲方法相比信噪比可提高60倍;在回波光电流脉冲峰值1:10000的动态范围内,走离误差小于0.1 ps.根据此原理研制出了脉冲激光测距仪,仪器在激光发射平均功率约为1 mW时,无合作目标测程大于2000 m,在1.5—300 m范围内测距精度达到±(3 mm+2 ppm),远目标测距精度为±(10 mm+10 ppm).该测距仪系统已用于全站仪产品中.     

Practical application of pulsed “eye-safe” microchip laser to laser rangefinders

The paper describes practical application of pulsed microchip laser generating at 1535-nm wavelength to a laser rangefinder. The complete prototype of a laser rangefinder was built and investigated in real environmental conditions. The measured performance of the device is discussed. To build the prototype of a laser rangefinder at a reasonable price and shape a number of basic considerations had to be done. These include the mechanical and optical design of a microchip laser and the opto-mechanical construction of the rangefinder.     

A cw CO2 laser rangefinder using heterodyne detection and on-off amplitude modulation

A CO₂ laser rangefinder has been built that uses an acousto-optic modulator to obtain an amplitude modulated optical beam from a cw laser. An on-off deflected beam was obtained by driving the modulator with a carrier modulated by a periodic binary code. The received infra-red radiation was heterodyne detected. After envelope detection of the heterodyne signal, the signal-to-noise ratio was improved by applying a digital integrator. Ranging was carried out by calculating the delay of the received code by means of a cross-correlation technique. For this purpose a minicomputer was implemented in the system. Using 1 W average beam power and measuring times less than 1 s, ranges of several kilometers have been determined from stationary targets.     

激光测距仪的点源透过率

 通过分析柱形腔结构的激光接收机的点源透过率,论证了视场外利用杂散光干扰激光测距仪的可行性和对干扰光功率的相对需求。按照干扰光入射角度由小到大的顺序,提出了漫反射 镜面反射干扰、二次漫反射干扰和一次漫反射干扰的杂散光干扰机制,推导出了相应的点源透过率公式,并利用Tracepro软件进行了仿真验证。理论分析和仿真结果表明：在典型条件下为了确保在30°内可靠干扰激光测距仪,对干扰光功率的需求相对于视场内干扰时要高出5×10⁶倍,确保80°内可靠干扰则需提高10⁸倍。从提高光电接收系统抗干扰能力的角度指出：降低滤光片镜面反射率并使其远离探测器,可以减小漫反射-镜面反射干扰;降低接收光学系统腔内壁漫反射率,可以减小二次漫反射和一次漫反射干扰。     

激光雷达干扰效果评估方法研究

研究了光电干扰对测距和跟踪测量激光雷达干扰效果的评估方法.在深入分析激光雷达光电干扰机理的基础上,提出了相应的干扰效果评估准则.对激光测距机的距离欺骗干扰效果采用测距误差-干扰成功率准则或准测率准则定量评估,对测距机的激光盲干扰效果依据盲激光对测距准确度、测距功能的影响程度进行评估.对于跟踪测量激光雷达,根据实施干扰后其跟踪误差是否超出正常跟踪准确度的三倍判定一次干扰是否有效,再依据多次试验的干扰成功率的大小评估干扰效果.