脉冲激光探测的最大探测距离的研究

脉冲激光探测的最大探测距离与发射信号功率有关,根据系统发射端瞬时功率的形式,通过计算得出了脉冲激光平均发射功率和最大瞬时功率分别与驱动电流的脉冲上升沿时间、脉冲宽度、脉冲重复周期的关系.结合传输衰减、弱信号检测和信号预处理过程中的信号功率变化,得出了最大探测距离与激励电流波形参数、光电探测器参数、信号预处理电路噪声、信...     

基于G-SPAD的卫星激光测距回波特性

从盖革模式单光子雪崩光电二极管的光电特性出发,分析了卫星激光测距的测距精度与激光脉冲宽度及回波强度的关系,并利用长春站卫星激光测距系统对地球动力学卫星进行观测.结果表明,当回波光子数为1 000左右时,系统测距精度为10.2mm左右,当回波光子数为8 000时,测距精度减小为9.4mm左右,表明回波强度较大时,可提高卫星激光测距系统的测距精度;当激光器脉宽为200ps时,系统测距精度为17.3mm,当脉宽为50ps时,系统的测距精度为10.0mm,表明卫星激光测距系统的测距精度随着脉宽变窄得到了有效提高.为进一步验证理论结果,对Ajisai卫星进行实测,分析了高重复频率激光测距系统对系统测距精度的影响,结果表明采用窄脉宽高重复频率的激光测距系统,激光测距有效回波数和标准点密度呈数量级增加,测距精度也有一定的提高.因此,为了改善卫星激光测距系统回波特性,应选用脉宽窄、重复频率高、能量大的激光器作为基于盖革模式单光子雪崩光电二极管的卫星激光测距系统的激光光源.     

基于斜程传输模型的卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究

基于大气气溶胶在空间的不均匀分布,提出并利用激光在大气气溶胶中的斜程传输模型开展卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究,即将气溶胶的分布分为水平及垂直方向,在垂直方向将其分为无穷多层,令每层气溶胶的水平方向浓度分布均匀,结合气溶胶粒子的散射截面、尺度分布函数,计算激光在每层气溶胶中的透过率,最后进行积分得到激光的大气传输透过率.结果表明,与Kim经验公式及Mie理论模型相比,由斜程传输模型计算得到的激光气溶胶透过率更接近实验值,其平均相对误差降低了一个数量级,仅为3.5%,表明该模型可准确地计算激光在气溶胶中的传输特性.结合激光雷达公式,利用该模型对气溶胶中不同轨道高度卫星探测成功率进行数值模拟仿真,发现在轻霾环境中低轨卫星的探测成功率可达40%以上,高轨卫星的探测成功率仅为15%,可利用高效率探测器与高能量激光器实现轻霾环境下的卫星激光测距.研究结果能合理解释已有的实验报道并有效地预估卫星激光测距系统探测性能,为系统的升级改造提供可靠的理论依据和技术保障.     

雾天环境下激光测距机大气传输仿真与最大测程分析

针对不同大气环境条件下激光测距机最大测程显著变化的问题,建立了表观光学参数大气能见度V与大气吸收系数、散射系数和总衰减系数之间的关系,采用蒙特卡罗方法仿真了激光大气传输过程,以美国Voxtel公司的远程激光测距机为例,定量计算了雾天环境下能见度变化对最大测程的影响。结果显示：标称最大测程为10 km的激光测距机在能见度为20 m、300 m和1 500 m的气象条件下,最大测程分别为30 m、335 m和1 240 m;测距机最大测程随气象条件的改变会发生明显的变化。该仿真方法可评估大气光学参数对激光测距机测程的影响,以及指导系统设计阶段的参数优化。     

基于相干探测的目标激光一维距离像特性分析

为了实现对空间目标的远距离、高分辨率激光一维距离像探测及特性分析,在建立点目标激光一维距离像光外差探测模型的基础上,进一步通过三维建模的方式获取了三维目标的激光一维距离像。比较了圆锥体目标光外差探测获取的一维距离像与其距离分辨激光雷达散射截面、脉冲激光一维距离像之间的区别和联系,分析了目标尺寸、姿态、调频带宽以及表面材质对目标激光一维距离像的影响。实验结果验证了目标一维距离像能够反映目标外形特征,可为目标特性分析及识别提供参考。     

大功率光纤激光大气传输特性的研究

影响激光传输效果的主要因素包括大气分子和气溶胶粒子吸收以及由散射造成的衰减效应、大气湍流引起的湍流效应和强激光加热空气造成的热晕效应。针对光纤激光的大气传输进行了研究,研究了在1080nm特定波长的光纤激光大气传输过程中的大气湍流、热晕效应、湍流热晕相互作用对光纤激光远场功率密度的影响。     

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。     

HF/DF激光传输的大气衰减特性

大气中的水汽对DF激光主要强线的吸收相对较小,而HF激光的大多数谱线受水汽和CO2分子等的吸收较大。利用较新的HITRAN96数据库和我国不同地区的气象资料,采用逐线积分法计算了HF/DF 激光的大气衰减情况。所选的谱线中,在合肥地区（年平均）, HF的水汽吸收系数最大值可达到10km-1的数量级,二氧化碳吸收系数最大可达10-4~10-3km-1量级,P2(8)线吸收最弱;DF激光水汽吸收系数最大值可达到10-1km-1,比HF低2个量级,且随高度衰减很快,10km处就到10-5~10-4km-1量级,P2(8)线吸收最弱。在我国,由南向北,由夏季到冬季,水汽浓度减少,大气对HF/DF激光的吸收率也相应地递减。     

HF/DF激光传输的大气衰减特性

 大气中的水汽对DF激光主要强线的吸收相对较小，而HF激光的大多数谱线受水汽和CO₂分子等的吸收较大。利用较新的HITRAN96数据库和我国不同地区的气象资料，采用逐线积分法计算了HF/DF 激光的大气衰减情况。所选的谱线中，在合肥地区（年平均）， HF的水汽吸收系数最大值可达到10km^-1的数量级，二氧化碳吸收系数最大可达10^-4~10^-3km^-1量级，P2(8)线吸收最弱；DF激光水汽吸收系数最大值可达到10^-1km^-1,比HF低2个量级，且随高度衰减很快，10km处就到10^-5~10^-4km^-1量级，P2(8)线吸收最弱。在我国，由南向北，由夏季到冬季，水汽浓度减少，大气对HF/DF激光的吸收率也相应地递减。     

基于超导探测器的激光测距系统作用距离分析

提出了将超导纳米线单光子探测器(SSPD)应用于空间碎片激光测距的构想,并通过理论分析和等效外场实验进行了可行性论证。根据SSPD在门控时间内允许多次测量的特性,建立了信噪比随回波光子数的变化模型,并考察了激光器发射重复频率、天光背景噪声强度、探测器暗计数率等参数对信噪比的影响,结合回波光子数方程和噪声强度,以云南天文台激光测距系统为例,推算出该系统具备探测830 km处米级大小空间碎片的能力。结合光纤耦合条件,设计了以太阳能板为目标的外场实验,通过改变光学系统透过率,获得了信噪比随回波光子数变化的实验曲线,验证了利用信噪比变化推测系统作用距离方法的有效性,理论和等效实验结果均表明超导纳米线探测器有望实现空间碎片激光测距。     

基于大气湍流效应的双波长激光传输特性实验研究

为研究大气湍流作用下不同波长激光信号的传输特性,建立了基于双波长条件下的激光光束传输实验测试系统,在此基础上进行了室外实验测量,得到了双波长光束同信道传输时的光束漂移和光强起伏变化的测试数据。实验结果表明,大气湍流对激光信号的传输具有较大的影响,且光强的闪烁系数与波长有很大的关系,选择波长较长的激光束可减少湍流对光强起伏的影响;光束质心漂移具有很大的随机性,且其质心变化与波长之间无明显的直接联系。实验测试数据结果与大气湍流理论相符合,对空间大气通信具有一定的参考价值。     

基于退偏振比探测的大气激光通信

针对大气激光通信中多径散射效应产生的通信链路码间串扰问题,提出了一种基于退偏振比探测的大气激光通信传输方案。利用光子追迹和Stokes矢量变换进行了Monte Carlo仿真;通过设置不同的云层物理厚度和消光系数,得到接收光退偏振比与云层光学厚度的一一对应关系;基于Stotts公式,得到接收光退偏振比与平均脉冲时间展宽的对应关系。提出了在多径效应影响下的最佳通信传输速率方案,该方案在激光通信系统接收端直接进行退偏振比探测,可有效评估大气信道环境的多径强度,进而在保证激光通信传输质量的同时实现最大的通信传输速率。该研究在星地激光通信以及自适应激光通信的通信链路优化领域具有理论指导意义和应用价值。     

大气对激光传输的影响

本文分析了激光传输过程中大气这一传输介质对其的影响,由大气的成分出发,采用辐射传输理论描述了大气介质的吸收和散射特性,着重分析了其中对辐射影响最大的两种因素,即大气消光和大气湍流。并建立了大气传输系统的传递函数模型。最后通过LOWTRAN模拟软件包对本文所得的模型进行评估。     

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。     

电接口以太网传输大气激光通信系统的研制

介绍了基于电接口的大气激光通信系统的工作原理及各部分的组成，测试了光学天线的天线效率以及准直发散角的大小(天线效率约为35％，准直发散角为1.3mrad)，并对系统进行了光功率链路的估算。计算结果表明：所设计的系统完全可以满足2km内大气传输的要求。在此基础上研制出基于电接口的通过以太网传输的大气激光通信系统。该系统由激光器收发子系统、光学天线子系统以及媒体传输子系统组成，其中为了避免大气湍流，光学天线采用了双路发射、双路接收的形式。此系统可以实现计算机和以太网之间以及2台计算机之间的通信。工作速率为10Mb/s和100Mb/s自适应，工作距离为500m。     

多波段条纹管激光成像系统探测距离计算

基于条纹管激光成像的基本原理，分析了利用条纹管实现紫外到近红外波段激光成像的技术可行性，并对其性能进行了分析；建立了激光成像雷达方程，计算了不同波长在不同天气条件下的探测距离，并分析了各激光波长的应用领域和优缺点．     

激光大气传输束心抖动概率分布

用概率理论研究了湍流大气中传播激光束心抖动概率分布和抖动导致点孔检测平均光强起伏概率分布。结果表明，二维束心抖动概率满足Ｒｉｃｉａｎ分布而点孔检测平均光强的起伏满足Ｇａｍｍａ分布。     

激光大气传输湍流扰动仿真技术

为了研究激光大气传输时湍流效应对激光应用技术的影响,对湍流扰动的仿真进行了分析。介绍了在实验室内进行激光大气传输湍流扰动研究的数值仿真技术和仿真系统。阐述了快速傅里叶变换（FFT）和Zernike多项式两种湍流扰动数值仿真方法,并且对比了两种方法的优劣。利用物理相位屏搭建了实物湍流仿真系统,介绍了其理论模型并进行了仿真实验,对激光经湍流系统传输后的光强能量分布进行了研究分析。结果显示,室内湍流仿真系统能够准确地模拟弱起伏条件下湍流对激光传输的影响。