相干激光雷达中望远镜的优化及探测性能分析

利用脉冲能量为110μJ、重复频率为20 k Hz及脉冲宽度为300 ns的光纤激光器设计了一套工作波长为1.55μm的相干测风激光雷达,给出了系统的性能参数。根据后向传播本振的原理计算出当望远镜对发射高斯光束的截断比为最优值0.823时,激光雷达的天线效率达到最大值0.422。在最优截断比条件下分析了望远镜口径对相干激光雷达载噪比的影响,优化了望远镜设计。从理论上计算出激光雷达的探测性能指标:探测距离大于3 km,风速测量范围为±62 m/s,距离分辨率为84 m,风速测量精度优于0.1 m/s,时间分辨率为0.5 s。     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统EI北大核心CSCD

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

非对称光斑照明合成孔径激光雷达宽测绘带成像研究EI北大核心CSCD

合成孔径激光雷达(SAL)能实现远距离目标的高分辨成像,但是,其测绘带宽一般很小,不利于其在对地观测中的应用。针对这一问题,给出了宽测绘带SAL实际成像范围的建议,具体研究了采用方位向短、距离向长的非对称光斑照明实现宽测绘带SAL的成像处理问题。采用波动光学衍射理论,给出了这种宽测绘带SAL的详细成像理论描述和数学仿真成像演示。结果表明,由于光学的短波长特性,非对称光斑照明的宽测绘带SAL也近似遵循基本SAL图像形成方法:傅里叶变换实现距离压缩,匹配滤波实现方位图像聚焦。     

连续模式相干测风激光雷达性能优化分析及实验研究

基于风场探测的需求,采用1550 nm波长连续激光种子源搭建了一套全光纤结构多普勒相干测风雷达系统.从雷达方程出发,对连续激光相干雷达载噪比方程和不同雷达收发望远镜聚焦位置下风速合成权重进行了分析.针对测风雷达要求设计了5～200 m的变焦激光收发望远镜模块.扩束系统采用伽利略折射式结构,发射光束准直下扩束比为23,光...     

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。     

傅里叶望远镜激光发射系统性能分析EI北大核心CSCD

傅里叶望远镜发射系统的性能直接影响图像的分辨率和质量。分析了激光器的参数和性能要求,提出了光纤激光器的设计要点,并指出激光相干长度应至少为光程残差的1.6倍;对激光器的功率和频率稳定性进行了仿真,从设计、算法和使用角度给出了保证激光器稳定性的一些方法;而且结合仿真和实验结果,从发射孔径布局、孔径数量、位置精度和光束瞄准误差等方面,分析了发射器性能对成像质量的影响。指出了基线冗余度、图像分辨率、目标频谱分布和图像质量等因素在布设发射阵列应综合考虑。基于二维抽样定理和统计分析结果,得出计算发射孔径数量的公式,计算了傅里叶望远镜对1000 km低轨道目标达到5 cm分辨率时所需的发射孔径数目。此外,还得出发射孔径位置误差应小于最小孔径间距的5%的结论。     

全天时紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统EI北大核心CSCD

紫外高光谱瑞利测温激光雷达是一种探测大气温度廓线的有效工具。目前,紫外高光谱瑞利测温激光雷达通常采用355nm波长的光,然而白天太阳背景光辐射会影响雷达系统的信噪比(SNR),进而制约温度探测的距离和精度。针对大气温度的全天时探测,提出了基于法布里-珀罗标准具的266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统。由于到达地面的太阳背景光辐射不包含266nm波长的光,只需考虑臭氧对266nm波长光吸收的影响,进而实现全天时大气温度的探测。基于脉冲能量、望远镜直径、望远镜接收视场角、臭氧浓度以及太阳背景光强度等主要影响参数,对266nm和355nm两个波长紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的谱宽、透过率、回波信号SNR以及温度偏差参数进行数值仿真和对比分析。结果表明,大气分子和气溶胶散射对266nm波长光的影响远大于对355nm波长光的影响。白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离为4km左右,比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统的有效探测距离远2.9km;夜间266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达系统有效探测距离为6km。探测距离小于5km时,白天266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差比355nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达的探测温度偏差小10K。266nm紫外高光谱瑞利测温激光雷达可实现全天时大气温度的探测。     

基于混合智能算法的激光雷达数据拼接技术EI北大核心CSCD

双通道数据拼接技术能有效地增大激光雷达系统的动态探测范围,改善大气回波信号的信噪比。提出了一种基于非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)与邻域粗糙集(NRS)的大气遥感激光雷达数据拼接智能算法,即NRSWNSGA-Ⅱ,提高了数据拼接的准确性和稳定性。该算法以三个判断双通道数据拟合优度的评价函数为优化目标,通过NSGA-Ⅱ获得评价函数的Pareto最优解集,进而利用NRS训练数据样本得到的权重进行线性规划,实现了最优拟合范围内的全局随机搜索。实验结果表明,所提算法拼接效果良好并在全天性数据拼接工作中有较好的稳定性。     

用于激光雷达的相干合成光束研究

提高激光雷达对空间小目标探测能力的重要手段是增大发射到目标上的光强,激光相干合成是在目标上获得较大光强的有效途径.为了评价相干光束在目标上的合成效果,引入了适合空间小目标探测的相干合成效果评价参数(合成效果因子),在此基础上讨论了光束相干合成效果的影响因素.研究表明: 合成效果因子随合成光束束腰间距的增大呈周期振荡变化,振荡幅度逐渐减小;达到理想合成效果需要的光束传输距离随光束间距的增大而增加,这对设计相干合成系统光束束腰间距具有参考意义.同时,还研究了光束的相位控制精度与合成效果之间的关系. 结果表明:当相位控制精度达到π/4时,合成效果可以达到理想效果的80%;当相位控制精度为π/2时,合成效果降为理想效果的50%.研究还表明,激光偏振方向不平行对合成效果的影响不明显. 关键词： 相干合成 激光雷达 合成效果     

垂直扫描激光雷达观测建筑场地无组织扬尘方法EI北大核心CSCD

应用激光雷达技术探测近地面大气无组织颗粒物具有重要的理论和应用价值。将激光雷达技术应用于探测城市建筑工地扬尘,利用建筑外墙进行激光雷达信号的相对标定,然后根据激光雷达方程求解沿光学路径的扬尘颗粒物消光系数,通过程控扫描台获取多条路径上的消光系数分布,并结合质量消光效率因子得到二维质量浓度分布情况。结果表明,基于扫描平台的微脉冲雷达系统可以快速获取建筑扬尘二维分布和随时间变化情况,结合粒径谱和风速风向信息进一步得到重型车和小型施工车辆的PM10排放因子分别为8.99×103 g/km和1.75×103 g/km;重型车和小型施工车辆的PM2.5排放因子分别为4.57×102 g/km和8.91×101 g/km。该方法为城市扬尘快速实时监测提供了一种新思路。     

相干激光雷达中最大似然离散谱峰值估计及Monte Carlo仿真

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速。基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然（ML）离散谱峰值（DSP）风速估计算法的克拉美-罗下界（CRLB）与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系。其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数。分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响。计算仿真结果表明：ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为－20 dB,100发激光脉冲累积和信噪比为－30 dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中坏的估计值所占的比例都为0,好的估计值的标准差分别为0.62 m/s和0.50 m/s。     

激光雷达偏振成像遥感的望远镜系统偏振分析

激光雷达偏振成像主要是利用不同目标散射光偏振度的差异来实现对目标成像的。由于大部分光学系统都存在消偏振效应,因此系统自身的消偏振问题在成像过程中必须考虑。根据近轴理论和消像差的要求设计出卡塞格伦望远镜的几何结构,应用琼斯理论、光波的相干矩阵和菲涅耳反射理论对空气和卡塞格伦望远镜的交界面进行了消偏振分析,并使用Matlab软件仿真了卡塞格伦望远镜在镀金属反射膜前后,反射光偏振度在望远镜径向直径上各点的变化曲线。根据仿真结果可以看出偏振成像系统中使用的卡塞格伦望远镜在镀铝金属反射膜时其消偏振效应在成像过程中可以忽略。     

相干激光雷达中最大似然离散谱峰值估计及Monte Carlo仿真

相干测风激光雷达中一个核心的问题是从微弱的气溶胶后向散射信号中估计出风速。基于零均值复高斯随机过程协方差矩阵统计模型的后向散射信号,首先讨论了最大似然(ML)离散谱峰值(DSP)风速估计算法的克拉美-罗下界(CRLB)与由Fisher信息矩阵论得到的精确CRLB之间的关系。其次,对于ML DSP估计应用于相干测风激光雷达中协方差矩阵统计模型的后向散射信号时,使用计算机Monte Carlo仿真的方法研究了风速估计的概率密度函数。分别讨论了信噪比、激光脉冲累积发数和发射激光脉冲宽度对ML DSP风速估计性能的影响。计算仿真结果表明:ML DSP风速估计的CRLB低于精确的CRLB;在信噪比为-20dB,100发激光脉冲累积和信噪比为-30dB,10 000发激光脉冲累积条件下,ML DSP风速估计中"坏"的估计值所占的比例都为0,"好"的估计值的标准差分别为0.62m/s和0.50m/s。     

一种频域光学相干层析成像深度分辨率增强技术EI北大核心CSCD

提出了一种基于光谱整形的频域光学相干层析成像分辨率增强技术。利用光源的自身谱形对探测的频域信号进行整形,以获得深度分辨率更高的空域信号。理论分析和模拟结果表明,对谱形为高斯型和非高斯型的光源,使用该技术均可提高分辨率。     

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.     

机载激光雷达风切变探测性能分析

介绍了用于风切变测量的激光雷达外差探测系统，阐述了其工作原理，根据CO2雷达系统与Ho：YAG雷达系统相关参数进行信噪比模拟和风速误差对比，模拟结果表明波长为2．1μm的Ho：YAG雷达和波长为10．6μm CO2雷达都适合机载低空风切变探测。通过对比表明Ho：YAG雷达的性能更为优良，误差更小，探测距离更远。     

1.5μm激光雷达相干探测CO_2与风场系统设计与仿真(英文)

探测低空大气CO2浓度的同时可以探测大气风场。采用相干探测较非相干探测具有更高的信噪比,而目前1.5μm波长由于在人眼安全、系统设计简单廉价等方面存在一定优势,使1.5μm可能成为未来探测气溶胶激光雷达的主流波长。本文阐述了激光雷达相干探测大气CO2与风场的原理,设计了1.5μm相干探测激光雷达系统,并对系统的信噪比进行了估算,得出结论:1.5μm相干探测风场与CO2是可行的,经过3分钟的脉冲积累,在3km处仍具有高于10的信噪比值。     

Non-Kolmogorov湍流下外差激光雷达探测性能

基于Rytov近似和Huygens-Fresnel原理,推导出外差激光雷达在non-Kolmogorov弱湍流中斜程探测时目标平面的平均光强和闪烁指数,得到外差激光雷达系统效率,并针对广义指数、天顶角、结构常量、基站结构、望远镜孔径和光束类型对系统效率的影响进行了研究.研究结果表明:当广义指数小于3.2或大于3.8时,外差激光雷达的系统效率减小幅度较大;随着天顶角的增大系统效率逐渐减小;双基站结构外差激光雷达的系统效率小于单基站结构;随着望远镜孔径的增大,系统效率存在最低值,并最终趋于平缓;近场时平行光系统效率最大,远场时发散光的系统效率最大.     

拼接望远镜成像系统的理论模型分析及仿真研究EI北大核心CSCD

拼接主镜是建设大型天文望远镜最有效的技术途径,尤其是对10m及更大口径的望远镜.本文从光学衍射理论出发,以10m左右口径望远镜为例,推导出了拼接望远镜光学系统点扩展函数的解析表达式,建立了数学仿真模型,并对影响望远镜系统远场像质的因素进行了计算分析.理论分析和仿真结果表明:拼接望远镜的点扩散函数是分块镜的位置干涉函数和分块镜的点扩散函数的乘积;分块镜间的间距会引起分块镜的衍射光斑展宽,使远场峰值能量下降;分块镜的平移误差会严重影响望远镜点扩散函数中的位置干涉函数,从而降低望远镜系统的斯特列尔比;分块镜的倾斜误差会在每个分块镜的点扩散函数引入频移,因而影响拼接望远镜光学系统的点扩散函数,降低望远镜系统的斯特列尔比.     

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)。