超连续谱激光干扰多色CCD探测器建模仿真研究

结合超连续谱激光器光谱辐射特性及多色CCD信号传递转换机理,建立了激光干扰多色CCD成像仿真模型。依据多色CCD工作原理,理论分析了饱和串扰信号转移规律;根据多色CCD结构,借助光学专业设计软件实现CCD像面激光能量空间分布特性研究;综合考虑饱和串扰信号转移规律及CCD像面激光能量空间分布,建立了超连续谱激光干扰单色CCD饱和串扰效应仿真模型,在此基础上结合多色CCD成像多色可视化原理,实现超连续激光干扰多色CCD输出图像仿真。最后,引入图像质量评价因子,研究了不同激光能量对多色CCD输出图像质量的影响。实验结果表明:激光功率密度是激光干扰效果的重要影响因子,随着激光能量增大,多色CCD输出图像质量下降。     

高重复频率飞秒激光对面阵CCD的干扰和破坏

 采用800 nm,100 fs的超短脉冲激光器对硅面阵CCD进行辐照实验,观测到饱和、串扰以及永久性损伤等多种可能造成成像器件失效的现象,特别是在激光能量较高时,发现CCD在成像时出现了黑白屏的现象。在飞秒激光器以1,10和1 000 Hz工作的条件下,分别测量了硅面阵CCD的饱和阈值、串扰阈值和破坏阈值。对破坏后的CCD器件进行了显微分析。在1 kHz工作的条件下进行了视场外干扰实验,观察到串扰和全屏饱和的现象。     

单CCD彩色相机激光干扰模型及外场干扰实验

开展了多波段激光(750~970 nm)对彩色CCD成像系统的外场干扰实验,测得了不同辐照条件下对外场1.3 km处彩色CCD成像系统的干扰效果;建立了彩色CCD相机的激光干扰模型,对实验结果进行了理论验证与分析。理论与实验结果表明:强激光对彩色CCD成像系统的干扰效果明显,CCD靶面出现了明显的光饱和和串扰现象,光饱和区域的形成是由激光束进入光学系统后发生衍射效应造成的;到靶激光功率密度越强,CCD靶面光饱和面积越大,激光干扰效果越好;单波段750 nm激光作用下,到靶功率密度为4.2 kW/cm²,CCD靶面的光饱和面积为0.88 mm×0.97 mm;多波段激光(750~970 nm)作用下,到靶功率密度为20.7 kW/cm²,CCD靶面发生全靶面饱和现象;仿真结果与实验结果基本一致,证明了理论模型的正确性。对远场干扰能力计算结果表明:随着干扰距离的增加,到靶功率密度减小,激光干扰效果变差。     

红外激光对可见光CCD成像系统的干扰

采用连续波红外激光对可见光面阵CCD成像系统进行了干扰实验,观察到饱和串扰、全屏饱和等干扰现象,并测到串扰阈值小于2.0×102W/cm2,全屏饱和阈值为1.2×104W/cm2。通过分析CCD输出电压、视频信号,提出基于有效干扰面积的干扰效果评估方法,并利用该方法对干扰面积与激光功率密度、辐照时间之间的关系进行了半定量分析。结果显示:激光功率密度对干扰效果的影响较大,而辐照时间在0.5~2.0 s之间时,辐照时间对CCD干扰效果的影响不明显。     

1.06 μm激光对CCD、CMOS相机饱和干扰效果对比研究

 为了对比激光对CCD、CMOS两种图像传感器的干扰效果,利用1.06 μm高重频激光开展了对CCD、CMOS两种相机的饱和干扰实验研究,分析了两种相机在干扰有效面积、饱和干扰面积、干扰前后图像相关度等与激光入射功率之间的关系。实验结果表明:CMOS相机达到单元像素饱和的激光功率阈值是CCD相机的20倍;要达到相同的干扰有效面积,所需的激光功率CMOS相机要大于CCD相机10倍～100倍;要达到相同的饱和像元数,所需的激光功率CMOS相机比CCD相机约大10倍～60倍。因此,CMOS相机要比CCD相机具有更好的抗1.06 μm激光干扰能力。     

106 μm激光对CCD、CMOS相机饱和干扰效果对比研究

为了对比激光对CCD、CMOS两种图像传感器的干扰效果,利用106 μm高重频激光开展了对CCD、CMOS两种相机的饱和干扰实验研究,分析了两种相机在干扰有效面积、饱和干扰面积、干扰前后图像相关度等与激光入射功率之间的关系。实验结果表明:CMOS相机达到单元像素饱和的激光功率阈值是CCD相机的20倍;要达到相同的干扰有效面积,所需的激光功率CMOS相机要大于CCD相机10倍～100倍;要达到相同的饱和像元数,所需的激光功率CMOS相机比CCD相机约大10倍～60倍。因此,CMOS相机要比CCD相机具有更好的抗106 μm激光干扰能力。     

CCD相机对14MeV和2.5MeV中子瞬态响应特性

从理论上分析了中子在CCD相机拍摄图像中引起的瞬态干扰噪声的机理,并针对两种不同类型的CCD相机,在能量为14MeV和2.5MeV的低强度稳态中子源上开展了实验研究,分析了噪声特征与入射中子能量、入射角度、注量及CCD相机结构的关系。实验结果表明中子瞬态干扰噪声主要表现为脉冲噪声,且出现斑点现象,与理论分析结果相吻合。研究得出了噪声特征随入射中子注量变化的规律,比较了不同能量及不同入射角条件下的噪声特性,并分析了两种不同结构的CCD相机响应特性的差别。     

激光诱导等离子体光谱空间分布特性

激光波长和激光入射角是影响激光诱导等离子体空间分布和光谱强度空间分布特性的重要因素.基于流体动力学和SAHA方程,仿真了激光诱导等离子体的二维空间演化过程,研究了激发等离子体的辐射光谱空间分布特性及激光波长、入射角度等参数对等离子体特征谱线空间分布特性的影响.研究结果表明:波长为1064 nm的激光在不同延时条件下,最佳激光入射角度均为0°.当入射角度为0°时,所激发的等离子体辐射在不同的探测角度处均有较强的光谱信号,且在100,500,1000 ns延时条件下,最佳探测角分别为±41°、±11°和±12°.对于不同的波长,当延时分别为100 ns和500 ns且激光以0°入射时,长波长激光所激发的等离子体光谱在不同探测角处的强度均强于短波长激光.当延时为100 ns时,1064 nm波长激光所激发的光谱在最佳探测角位置的强度约为532 nm和266 nm波长激光所激发的光谱在各自最佳探测角位置强度的2倍.随着探测角绝对值的减小,等离子体辐射光谱强度先增大,到达最佳探测角后强度再减小.入射波长分别为532 nm和1064 nm的激光诱导击穿光谱实验结果验证了仿真结果.     

CCD强光串扰效应的串扰线缺口现象及其机制

在激光辐照行间转移CCD相机的实验中发现了关于CCD串扰效应的一个新现象,即在串扰线上出现缺口,该缺口紧邻主光斑上侧且随光强增大而减小。基于行间转移面阵CCD的构造和工作过程,利用CCD串扰效应的一种新机制对现象作出了合理的解释。串扰线的形成依赖于在垂直转移动作过程中CCD信号积分势阱中的载流子向垂直转移CCD寄存器中的溢出。串扰线上缺口的出现则是由于CCD的信号积分势阱被读出转移动作清空后再次填满需要经过一定时间,该时间内无信号电荷溢出至转移沟道;读出转移清空存储势阱的时刻是构成主光斑的主体信号电荷按正常时序进入垂直转移CCD寄存器的时刻,故缺口紧邻主光斑的上侧;光强越大,光电子再次填满存储势阱乃至溢出形成串扰线所需要的时间越短,则缺口越小。     

周视脉冲激光引信海杂波回波功率建模与仿真

针对周视脉冲激光引信在超低空条件下照射到海面时产生的海杂波干扰信号易使激光引信虚警率高的问题,以激光散射特性和海面运动特性为基础,提出了一种基于面元积分法的宽波束激光照射面积自适应解算方法,建立了周视脉冲激光引信海杂波回波功率模型。仿真结果表明:海面风速越大、激光入射角越大,海杂波回波功率越强;相同条件下,入射角为90°时的回波功率约为60°时的2倍,约为45°时的3倍。该方法可以作为周视脉冲激光引信海面试验的有效补充,可为超低空条件下抗海杂波干扰设计提供技术支撑。     

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。     

聚敛光下的Wollaston棱镜光强分束比研究

从棱镜的结构特点出发,利用折射定律和菲涅耳公式,推导了Wollaston棱镜对聚敛光的光强分束比随方位角的变化关系式。在入射角给定的情况下,分析了方位角对光强分束比的影响。结果表明:在入射角取定值时,方位角对光强分束比的影响基本呈二次曲线型变化;当方位角在160°～180°时,光强分束比最小。     

激光角度欺骗干扰中自然地物假目标选择研究

针对激光角度欺骗干扰中自然地物假目标应用需求,在分析了干扰能量传输和干扰过程中武器威胁角、地物倾角以及入射角、反射角等角度关系的基础上,建立了自然地物假目标干扰能量分布模型。依据所建立的模型,对砂石类和建筑类地物反射干扰能量分布进行了仿真研究。仿真结果表明,在相同功率激光照射的条件下,地物倾角相同时对相同位置的激光制导武器,砂石类地物比建筑类地物干扰效果好,在实际防护中砂石类地物选择优先级要高于建筑类地物;同一种地物反射的干扰能量随地物倾角的增大而增大;对于漫反射特性较好的建筑类假目标,威胁角一定时,地物倾角在大致与威胁角互余时反射能量达到最大;对于砂石类目标,存在随入射角大小变化的镜像反射分量,使得导引头接收到地物反射能量达到最大值时威胁角和地物倾角不满足互余关系。进一步研究了在导引头接收到的砂石类地物反射能量最大值时地物倾角和武器威胁角的关系,通过数据分析,得到在实际防护过程中,砂石类自然地物的倾角选择要至少大于31°的结论。根据地物倾角和威胁角关系的散点图特征,分别采用一阶、二阶、三阶、四阶多项式对二者进行拟合,在充分考虑函数复杂度、拟合性能的前提下,确定三阶多项式为最佳拟合函数。在武器威胁角已知的情况下,可以通过三次多项式拟合得到最佳干扰效果时砂石类自然地物的倾角取值。研究结果对自然地物假目标的选择具有一定的指导意义。     

Lumped parameter model for multimode laser cutting

A lumped parameter mathematical model is developed to relate the cut depth to the laser cutting parameters and material properties. The model takes into account the threshold power of the incident laser beam for the initiation of cutting and modifies an earlier cutting model so that it applies to a wide set of process parameters ranging from low to high laser powers and slow to fast cutting speeds. Plain steel is taken as an example to show the effects of various process parameters such as the laser power, spot size and cutting speed on the cut depth. Special emphasis is given to the effect of laser mode structure on its cutting capability.     

Experimental investigation of plume expansion dynamics of nanosecond laser ablated Al with small incident angle

Experimental study of expansion dynamics of pulsed-laser ablation plasmas from Al is presented. A systematic investigation of plasma plume expansion is done. The laser beam is focused on the target with an incident angle between 0° and 20°. The results show that the plume growth is almost normal to the target surface, irrespective of the incident angle of the laser. Besides, the time evolution of the plasma plume geometry ratio at different incident angles shows that the incident angle of laser beam influences very slightly its shape at later delay time. The results imply that when the incident angle is small (ranging from 0° to 20°), the influence of the incident angle on the plume expansion is rather trivial.     

激光诱导荧光毛细管电泳DNA检测系统信噪比分析

建立了用于DNA分析的激光诱导荧光检测毛细管电泳系统,分析了垂直入射激发光在毛细管中的行进和高分子溶液电泳筛分介质的瑞利散射及毛细管壁折反射引起的激发光背景噪音.利用光线追迹法计算了折反射引起的背景噪音随激发光和收集方向角度不同时的分布曲线以及荧光在各个方向的分布曲线.两种噪音比较表明,散射噪音比激发光背景噪音低4个数量级,可以忽略.模拟表明,光轴方向荧光最强,90°方向最弱,变化在6.5％内.激发和收集方向成105°时,背景噪音最小,可以获得最大的信噪比,最后对模拟结果进行了实验验证.     

Detection and jamming experiment of optical surveillance device in night equipment transportation北大核心CSCD

针对装备运输过程中可能遭遇侦拍的风险,结合运输安全需求,分析市面上常见的4类消费级侦拍装置(手机、卡片数码相机、单反相机和数码摄像机)的光电可探测性,并实现对各装置的有效干扰。通过搭建“猫眼”激光探测、激光干扰及回波信号接收系统,重点突破典型小口径侦拍装置的探测与识别,以及“猫眼”探测端与目标端的双向成像等理论和关键技术。在此基础上分析不同距离、干扰波长和孔径情况下可见光波段激光对“猫眼”目标的探测及成像干扰效果,并提出一种图像干扰效果评价标准及不同光学侦拍装置的有效干扰阈值。实验结果表明:典型光学侦拍装置在实验距离内具有良好的光电可探测性,并且可被有效干扰;在激光束完全覆盖镜头通光孔径时,目标与装置距离越近,激光束散角越小,波段越接近人眼敏感程度最大波段(555 nm),激光光束产生的非伤害性成像干扰效果越好。     

An angle-resolved laser incident beam detector based on a pair ofFabry-Perot etalons

An angle-resolved laser detector based on a pair of a non-mechanical scanning Fabry-Perot cavities is described. The differential signal from the two cavities is approximately independent from the polarization of the incident laser beam and it is used to determine the angle of incidence of the beam on the Fabry-Perot cavities. The F-P etalon is made of interferometric filter combination. A laser incident angle sensor experimental platform is built up, and the experiment is carried out with a given laser range finder. When the incident angle is less than 5°, the transmission difference measured by the laser angle sensor is significantly lower than theoretical value, and deviation is more than 10%. When the incident angle is greater than 10°, the deviation is much lower than that of the situation of the incident angle is lower than 10°.