载波调制激光雷达水下目标探测的仿真分析

激光雷达应用于水下目标探测,光信号受水体后向散射影响,导致目标对比度严重下降。一种以载波调制激光脉冲为探测信号的方法可实现对后向散射信号的抑制。利用基于蒙特卡罗的光子传输模型,模拟载波调制激光雷达水下目标探测的全过程。结果表明该方法对水下目标探测有明显改善,调制参数对探测性能有较大影响。     

飞秒脉冲激光1维强度调制的传输特性

实验研究了飞秒激光干涉条纹在CS2介质中传输的增长率与条纹间隔以及增长率与中心峰值强度的关系。结果发现,在非线性介质中传输的１维干涉调制特别是当其调制频率位于中心光强对应的最快增长频率附近时,随着传输距离的增加调制场迅速获得增长,将高斯光束分裂成多根峰值强度很高的带状细丝。相应的数值模拟与实验结果具有较好的一致性。     

飞秒脉冲激光1维强度调制的传输特性

实验研究了飞秒激光干涉条纹在CS2介质中传输的增长率与条纹间隔以及增长率与中心峰值强度的关系。结果发现,在非线性介质中传输的1维干涉调制特别是当其调制频率位于中心光强对应的最快增长频率附近时,随着传输距离的增加调制场迅速获得增长,将高斯光束分裂成多根峰值强度很高的带状细丝。相应的数值模拟与实验结果具有较好的一致性。     

啁啾脉冲堆积宽带激光非线性传输时域调制特性

为避免时域调制增长形成的高强度时间尖峰对光学元件的损坏,数值研究了啁啾堆积脉冲宽带激光非线性传输的时域调制增长规律。结果表明:对于正常色散介质,子脉冲间干涉引入的时间调制与外加调制随着传输距离的增加,不断振荡减弱;相反,对于反常色散介质,无外加时间噪声时,堆积子脉冲间的相互干涉引入的时间调制有微弱增长,但当传输距离进一步增加时,子脉冲间干涉引入的调制可以获得快速增长;而当外加非线性最快增长时间调制时,时间调制发生迅速增长,具有破坏威胁的时间尖峰易于形成。     

啁啾脉冲堆积宽带激光非线性传输时域调制特性

为避免时域调制增长形成的高强度时间尖峰对光学元件的损坏,数值研究了啁啾堆积脉冲宽带激光非线性传输的时域调制增长规律。结果表明:对于正常色散介质,子脉冲间干涉引入的时间调制与外加调制随着传输距离的增加,不断振荡减弱;相反,对于反常色散介质,无外加时间噪声时,堆积子脉冲间的相互干涉引入的时间调制有微弱增长,但当传输距离进一步增加时,子脉冲间干涉引入的调制可以获得快速增长;而当外加非线性最快增长时间调制时,时间调制发生迅速增长,具有破坏威胁的时间尖峰易于形成。     

啁啾脉冲堆积宽带激光非线性传输空间调制特性

为避免啁啾脉冲堆积宽带激光的空间调制对光学元件的损坏,数值研究了其非线性传输过程中时域调制对光束空间调制产生与增长的影响。结果表明：光束未叠加空间调制时,若B积分在实际工作范围内,堆积子脉冲间干涉引入时间调制外,叠加与未叠加时间调制,正反常色散情况下光束空间上均不会产生调制,因而也没有调制增长,然而,当B积分进一步增加时,光束空间将产生调制,并能快速增长;当光束引入空间调制后,在反常色散情况下,与时间未额外叠加调制相比,时间额外叠加调制时空间调制增长速度明显加快,而在正常色散时,额外添加时间调制与不添加调制,空间调制增长的差别很小。     

真空中线性啁啾时空高斯脉冲传输特性的分析

利用稳态相位点的方法研究了线性啁啾时空高斯脉冲传输过程中的相位特性，并在二阶近似的情况下讨论了其传输过程中的时空特性，两种方法从不同侧面得出了相同的结论，即：时空高斯脉冲在传输的过程中，在无穷远处交退化为球面波，或者在旁轴近似的情况下退化为平面波。     

水下激光通信上行传输特性研究

采用谱分析的方法,建立三维随机海浪的模型;根据大气折射率高度模型,对变折射率大气进行分层。在理论上分析激光通过随机起伏的海面和折射率不均匀分布的大气后,到达卫星接收机平面时形成的光斑的形状、位置和大小。仿真结果表明,海面随机起伏对上行光传输的影响取决于发射光束覆盖的海面区域,即海面光斑的尺寸与海浪波长的相对关系。当海面光斑的尺寸相对很大或很小时,对上行光传输的影响可忽略;在其它情况下通过适当调整发射光束的宽度可以提高通信的质量和稳定性。     

脉冲激光探测水下目标回波特性分析研究

海洋表层是水下生物以及水下目标的主要活动区域,对海洋表层中的目标进行高精度的探测是一个十分重要的课题。本文建立了半解析蒙特卡洛激光辐射传输仿真模型,能够对机载海洋雷达回波信号过程进行全链路仿真,并且讨论了不同形状(包括：平面形、圆锥形、球形和类球形)目标的最大回波辐射强度随着水下深度分布。基于此,本文分析了脉冲激光雷达回波过程中不同目标在相同场景下考虑的截止散射阶次对回波信号的能量占比贡献。最后,分别从脉冲激光回波半峰全宽(FHWM)以及海水后向散射信噪比(SNR)两个方面分析了不同形状的水下目标识别过程中海水的后向散射对脉冲激光回波的回波半宽增宽效应以及不同深度下的海水后向散射信噪比。     

高功率激光系统nm宽带激光脉冲传输特性

对高功率激光系统采用宽带激光消除菲涅耳衍射问题进行了研究,指出只有数百nm的宽带啁啾光脉冲才对近场衍射有一定的平滑作用,数nm的宽带啁啾光脉冲对近场衍射几乎没有平滑作用;同时,还对宽带啁啾光的B积分表征方式和最快增长频率问题进行了研究,并与原型装置上开展的窄带脉冲、宽带啁啾堆积脉冲的非线性实验结果进行了对比研究,指出以最大B积分或加权B积分反映非线性自聚焦更为准确。研究还表明,在数nm,ns情况下最快增长频率与窄带激光脉冲的差别不大。     

高功率激光系统nm宽带激光脉冲传输特性

对高功率激光系统采用宽带激光消除菲涅耳衍射问题进行了研究,指出只有数百nm的宽带啁啾光脉冲才对近场衍射有一定的平滑作用,数nm的宽带啁啾光脉冲对近场衍射几乎没有平滑作用;同时,还对宽带啁啾光的B积分表征方式和最快增长频率问题进行了研究,并与原型装置上开展的窄带脉冲、宽带啁啾堆积脉冲的非线性实验结果进行了对比研究,指出以最大B积分或加权B积分反映非线性自聚焦更为准确。研究还表明,在数nm,ns情况下最快增长频率与窄带激光脉冲的差别不大。     

脉冲高斯光束的传输特性与准粒子行为

本文将高斯光束的方法用于研究脉冲高斯光束的传输特性,得出波包扩展以及准粒子行为等有趣结果     

激光脉冲水中传输时域展宽特性的分析计算

推导出不同距离、水质和探测参量情况下激光脉冲在水中传输的时域展宽表达式，并提出光波门选通法来代替传统的脉宽检测方法，计算结果与实际相符，对水下激光探测应用有重要的实际意义。     

宽频带激光自由空间传输的调制特性研究

基于惠更斯-菲涅耳衍射积分公式,研究了宽带光束在菲涅耳衍射区的自由空间传输特性,得到宽带光束传输的调制深度与光束带宽Δλ及菲涅耳数F的变化关系。结果表明:一定的带宽对光束的均匀性有适当的改善;当光束的带宽Δλ<2λ0/F时,带宽越大,光束越均匀;当带宽满足条件Δλ=2λ0/F时,菲涅耳衍射完全消失;在一定的菲涅耳数范围内,宽带光束的调制深度随菲涅耳数振荡变化,振荡曲线的主极大值和次极大值分别出现在菲涅耳数为奇数和偶数处,而极小值则出现在菲涅耳数F=2k±1/3(k=1,2,3,…)处,在极小值处光束的均匀性最好。     

损耗调制CO_2激光脉冲的噪声特性

由于自发辐射噪声的涨落,ＣＯ２激光器的脉冲峰值强度与时间延迟密切相关。理论和实验研究发现,对于典型的Ｂ类ＣＯ２激光器,在损耗调制情况下,当脉冲峰值出现在最低腔损耗ｔ０之前时,初始自发辐射噪声越大,相对于阈值点的第一个渡跃时间ｔＦＰ越小,对应的峰值强度越小;当脉冲峰值出现在最低腔损耗ｔ０之后时,初始自发辐射噪声越大,相对于阈值点的第一个渡跃时间ｔＦＰ越小,对应的峰值强度则越大。     

损耗调制CO2激光脉冲的噪声特性

由于自发辐射噪声的涨落,CO2激光器的脉冲峰值强度与时间延迟密切相关。理论和实验研究发现,对于典型的B类CO2激光器．在损耗调制情况下,当脉冲峰值出现在最低腔损耗to之前时,初始自发辐射噪声越大,相对于阈值点的第一个渡跃时间tFP越小,对应的峰值强度越小;当脉冲峰值出现在最低腔损耗to之后时,初始自发辐射噪声越大,相对于阈值点的第一个渡跃时间tFP越小,对应的峰值强度则越大。     

带宽对平顶高斯宽带激光传输特性的影响

研究了横向分布为平顶高斯模式的宽带激光在自由空间的传输特性,分析了频带宽度对其强度分布的影响。首先推导了平顶高斯模式宽带激光的每一频率分量在自由空间的传输公式,然后将频率域的传输公式通过傅里叶变换得到时间域的传输公式。基于推导的公式通过数值算例给出了不同频带宽度激光光束的强度分布结果,详细分析了空间模式的变化和时空耦合现象。研究结果表明:随着传输距离增大,平顶高斯空间模式趋于高斯分布。同时随着带宽增大,平顶高斯模式宽带激光表现出更强的时空耦合现象,并导致其空间横向分布发生明显变化。变化的主要特征为波前的强度分布随带宽增大而变窄,波后的强度分布则随带宽增大而远离轴中心向外扩展。     

带宽对平顶高斯宽带激光传输特性的影响

研究了横向分布为平顶高斯模式的宽带激光在自由空间的传输特性,分析了频带宽度对其强度分布的影响。首先推导了平顶高斯模式宽带激光的每一频率分量在自由空间的传输公式,然后将频率域的传输公式通过傅里叶变换得到时间域的传输公式。基于推导的公式通过数值算例给出了不同频带宽度激光光束的强度分布结果,详细分析了空间模式的变化和时空耦合现象。研究结果表明：随着传输距离增大,平顶高斯空间模式趋于高斯分布。同时随着带宽增大,平顶高斯模式宽带激光表现出更强的时空耦合现象,并导致其空间横向分布发生明显变化。变化的主要特征为波前的强度分布随带宽增大而变窄,波后的强度分布则随带宽增大而远离轴中心向外扩展。     

超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性

 使用复解析信号法研究了束宽与频率无关的超短脉冲贝塞尔-高斯光束在自由空间的传输特性。研究表明：在无衍射长度内,超短脉冲贝塞尔-高斯光束的横向光强分布几乎不变并集中在传输轴附近,轴上脉冲随传输距离增加而展宽。在无衍射长度外,横向光强分布显著扩展。随传输距离增加,轴上光谱蓝移先增加,达到极大值后逐渐减小,最后在远场趋于一渐近值。对单周期的超短脉冲贝塞尔-高斯光束的轴上光谱蓝移先增加,达到极大值0.50 fs^-1。然后逐渐减小,在远场蓝移趋于渐近值0.16 fs^-1。     

啁啾高斯脉冲通过增益色散介质的传输特性

采用复数波数定义和衍射积分方法,研究了啁啾高斯脉冲在增益色散介质中的传输特性,给出了介质增益谱为洛仑兹分布时的频谱分布以及时空分布的传输解析公式,详细分析了传输过程中光场的频谱和时空分布、脉宽和频谱变化以及谱移等特性。结果表明,啁啾高斯光束在介质中传输时其时间波形仍保持高斯分布不变,但在传输过程中其脉宽会发生变化。在传输过程中,啁啾参量会影响谱宽的减小程度以及谱移的幅度。啁啾参量越大,脉宽展宽和谱宽压窄的效果越明显,同时,随着传输距离的增大,光谱谱移也越明显。对于给定的啁啾参量,随着传输距离的增大,谱移将最终趋于一恒定值。