激光相干雷达中光电双下变频技术EI北大核心CSCD

在激光雷达远程测距中,雷达接收机需要在接收信号信噪比较低的背景下,对其中的有用信号进行识别、提取和判决。因此,为保证雷达系统的探测距离和精度,在激光发射功率一定的前提下,需在信号接收处理的各环节中设法提高信号的信噪比。当前外差式激光雷达接收机在变频时将本振光和信号光直接混频,导致镜像频率噪声与有用信号叠加,致使解调信噪比恶化。针对激光雷达接收机提高信号信噪比的需求,提出了一种在信号解调过程中对镜频干扰进行抑制,从而提高解调信噪比的方法。采用光电联合I/Q下变频,首先参考Hartley结构,在光信号的解调过程中对镜频处的噪声进行抵消,随后采用I/Q支路不平衡补偿算法对潜在的双支路不平衡量进行矫正,最后使用数字正交下变频将中频信号解调至基带。仿真和实验表明,该方法能够有效消除调频信号变频过程中引入的镜像频率噪声,相较于传统激光相干雷达接收机方案,该方案解调得到的基带信号信噪比提升了约3 dB。     

632 nm FMCW激光雷达在水汽环境中测速与测距的应用

在高海况及复杂环境下,面向无人机和无人艇协同精准降落的需求,在水汽环境中同时精确测量彼此的距离和速度对于无人机的安全着艇很有必要。针对这一需求,提出了一种基于可见光波长、调频连续波(FMCW)原理的同时测速和测距的激光雷达系统并开展了实验验证。该系统采用了三角波电流调制信号直接注入调制激光器,利用激光入射到被测目标物上产生的散射信号光与本振光发生干涉产生拍频信号,解调出被测目标物的速度和距离信息。实验结果显示,该技术可以实现距离测量范围10～130 cm,分辨率1.5 cm,最大相对标准偏差1.5%;速度测量范围10～125 cm/s,速度分辨率0.5 cm/s,最大相对标准偏差0.6%。     

一种三维激光雷达系统标定方法北大核心CSCD

为了解决无人化叉车在运行中对物料的尺寸及距离的高精度测量要求,设计了一个基于二维激光雷达和步进电机云台的长臂三维激光雷达系统,并重点研究了此系统的参数标定方法。针对现有标定方法存在忽略了激光中心和旋转轴中心的安装误差,特定点选取易造成较大标定误差等问题,通过建立激光雷达系统的数学模型,分析其内在联系,使用解耦合的方法分离待标定参数,并使用直线拟合的方法和双拟合平面重合的方法来标定未知系统参数。通过室内标定实验和叉车搭载测量实验进行验证,结果表明,标定参数准确可靠,测量误差不超过3%,满足无人化叉车作业的要求。     

用于导航定位的激光多普勒测速技术研究进展EI北大核心CSCD

激光多普勒测速技术以其高精度和高可靠性得到广泛应用,其为运动载体的导航定位提供了一种全新的独立测速手段,在提高定位精度方面发挥了重要作用。随着应用场景的拓展,现有的激光多普勒测速技术亟待进一步的发展和优化。文中从激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter,LDV)的测速原理、种类分类和导航应用研究现状三个方面入手,对用于运动载体导航定位的LDV技术进行综述。可以看到,利用LDV进行组合导航的航迹推算精度已经优于0.01%,达到了高精度导航定位的要求,其中单光束LDV比双光束LDV更适合车载应用,能敏感更多维度速度分量的LDV对导航精度提高的效果更明显。同时,对LDV后续的发展方向进行了展望,LDV与更低成本的SINS进行组合导航是下一步值得研究的方向。可以预见,LDV有望在未来成为覆盖高低速测量、海陆空全领域的高精度独立测速装置,在解决实际科学和工程问题中发挥更大、更重要的作用。     

基于相干激光雷达气象多要素探测EI北大核心CSCD

相干激光测风雷达具有体积小、探测效率高、信噪比强等特点,在气象、航空保障以及风电等行业得到了广泛的应用,但是目前雷达数据产品大多是利用回波多普勒频移信息反演的风场数据产品,未对雷达回波信号强度信息进行数据挖掘。针对当前相干激光测风雷达数据产品开发不足的问题,介绍了一种新型基于相干探测的激光雷达数据产品生成技术,该技术在探测风场的同时,实现云高、消光系数及能见度等多种气象要素数据产品的生成。首先,通过分析回波信号特性,推导出雷达回波信号功率的计算方法,获取探测范围内各距离位置的回波信号强度信息。在此基础上,利用阈值法和微分零叉法反演出云底高度,同时采用改进型Klett算法实现大气消光系数的反演,继而实现能见度的测量。最后,与气象站能见度仪、激光云高仪以及532 nm气溶胶激光雷达进行数据对比验证试验,试验数据结果显示:云高对比精度可达5.0%,能见度对比精度可达12.2%,消光系数对比有较好的一致性,并可长期在多种气象环境下连续测量。     

腔内线性调频影响激光相干性的实验研究

介绍了腔长调制线性调频信号体制引起激光相干性降低的实验研究。对这种影响的机制提出一种理论分析，认为腔长调制可能使激光器谐振腔端镜产生随机振动，从而影响激光的相干长度     

啁啾型FBG温度测试系统的设计与实现

为了实现长距离、大范围的温度在线监测,设计了基于啁啾调制技术的光纤布拉格光栅温度监测系统.采用线性啁啾结构获得更大回波带宽,从而在单根光纤上集成更多的FBG探测器.计算了光栅尺寸、啁啾系数与光栅周期的函数关系,设计了调制方式及范围.实验由宽带光源、光纤及耦合器、FBG探测器及F-P解调仪组成,调制范围为1530.0~1550.0 nm.对15℃~55℃内温度进行测试,测温结果与WR-220型温度探测器作对比,结果显示,均匀型FBG与啁啾型FBG的温度检测结果基本一致,精度均满足设计要求.但采用啁啾型FBG的系统回波带宽大,可调制能力强,单根光纤上可载入FBG探测器数量是均匀型FBG系统的3倍以上.该结构在不增加硬件的基础上提高了系统的测温能力,具有很好的实用性.     

面向FMCW激光雷达系统测距测速的光源相位噪声补偿方法

由于目标运动时对后期处理式的相位噪声补偿方法有影响,回波拍频信号相位噪声与辅助干涉仪获取的相位噪声不匹配,导致引入额外残余相位噪声.针对该问题,分析了调频连续波(FMCW)激光雷达系统中目标物体运动对于传统光源相位噪声补偿法的影响,提出了一种预估目标距离及速度进行光源相位噪声补偿的新方法.系统光源部分采用分布反馈(DF...     

激光测距中激光功率实时监测系统设计与实现EI北大核心CSCD

在激光测距过程中,实时获取激光发射功率数据可为后续数据精度处理分析及激光测距系统故障点排查提供重要依据。通过实时测量激光发射链路中的反射镜透射光,利用前期获取的反射镜透射光与反射镜反射光之间的对应关系,采取相对测量的方式获取实时的反射光功率,达到实时监测激光发射功率的效果,并基于中国科学院云南天文台53 cm双筒望远镜激光测距系统搭建实验平台进行验证。实验结果表明,该激光功率实时监测方法能够在激光发射链路无损耗的前提下实时获取激光发射功率;反射光功率与透射光功率具有良好的线性关系,其Spearman相关系数为0.9991,线性关系稳定可靠,满足长时间激光测距的需求;验证了该方法的可行性,可适用于各类空间目标激光测距的激光功率实时监测中。     

基于光纤拉伸器锁相实现两路超快激光相干偏振合成EI北大核心CSCD

超快光纤激光相干合成技术是突破飞秒激光单根光纤功率提升受限的有效技术手段。基于光纤拉伸器锁相,并结合随机并行梯度下降(SPGD)算法,成功实现了两路超快激光相干偏振合成。该锁相方案不仅避免了采用常规电光相位调制器对脉冲信号造成的光谱调制,而且可有效降低系统的插入损耗,提高相位调制范围、耐受功率以及前级光源系统的紧凑性与鲁棒性。合成的最高功率为10.9 W,最高功率下合成效率为90.1%,闭环状态下锁相残差为λ/31。实验结果表明,采用光纤拉伸器和SPGD算法组成的相位控制系统,在超快激光相干合成领域具有较强的发展潜力。合成的脉冲在最高功率下可压缩至494 fs,压缩效率为73.3%,对应的单脉冲能量为3.99μJ。     

基于线型预测频谱估计的相干激光雷达功率谱分析方法EI北大核心CSCD

基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域,实际应用于风场观测时,由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移,提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度,文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上,提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法,通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较,验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明,功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性,有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明,文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高,风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s,偏离率BIAS降低了0.3 m/s,有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。     

飞秒激光啁啾的直观可行检测方法

基于飞秒脉冲相关干涉项含有脉冲的相位和频率信息,测量自相关二次谐波干涉条纹可见的振荡频率为?棕?子及2?棕?子两个谱分量的大小和形状,以及二次干涉自相关函数包络面积的大小和形状,可以得到飞秒激光脉冲啁啾大小的信息。另外,通过对二次干涉自相关(IAC)迹线求一阶导数得到的干涉自相关导数光谱(D?鄄MOSAIC)的峰谷与啁啾正负对应关系,找到了判定啁啾正负的方向因子即正弦函数因子,据此能够判断飞秒激光脉冲啁啾的正负。因此,采用能够满足光学相干探测基本条件的测量系统,利用二阶干涉自相关法可以用来检测飞秒脉冲激光的啁啾特性。     

啁啾脉冲激光放大系统中展宽倍数的计算与实验测量

通过简单方法,对常用光栅展宽器的展宽倍数进行估算,分析了影响展宽器展宽倍数的因素,并将计算结果与实验中的两种测量的结果作了比较,证实了计算的准确性,为分析飞秒锁模脉冲经过展宽器后脉冲的展宽情况提供了有效手段。     

光纤激光相控阵光束扫描技术发展EI北大核心CSCD

光纤激光相控阵扫描技术是一种通过相位调制实现光束偏转的非机械式扫描技术,在激光加工、目标跟踪、自由空间光通信以及激光雷达等领域具有广泛的应用价值。文中概述了光纤激光相控阵光束扫描技术的基本原理和发展历程,重点阐述了光学相控阵动态扫描技术中的相位控制技术、空间扫描特征及性能提升方法,最后对光纤激光相控阵的发展趋势和应用前景进行了展望。     

高精度双干涉光路调频连续波激光绝对测距系统

调频连续波激光测距具有无盲区、非接触测量和绝对测距等优点,但是由于可调谐激光器光频率调制非线性对其测量精度的影响,限制了调频连续波激光测距在精密测量领域中的应用。针对调频连续波激光测距中测距精度受到激光器光频率调制非线性的影响,提出了双干涉光路调频连续波激光测距方法,利用两个干涉系统得到的干涉条纹数量的比值计算得到被测目标的距离,消除了激光器光频率调制非线性对测距精度的影响,实现了65 m的测量分辨率和15 m的重复测量精度。该方法无需对激光的波长进行测量,也无需对激光器进行锁频,系统组成简单,在工业大尺寸测量、空间技术、测绘等领域有着广阔的应用前景。     

一种大测距动态范围高重频相干测距测速激光雷达(Ⅱ): 信号调制

针对"双频双调制双本振(DFDMDL)"大测距动态范围高重频相干测距测速体制,分析了该体制信号调制需要考虑的调频线性度、发射光和本振光信号的"幅-频"特性、对称三角线性调频(STLFM)信号的周期稳定性等因素,通过参数的对比、仿真及实测,提出了适合本系统的信号调制方案.实测结果表明,采用声光移频器(AOFS)外调制提供高线性度STLFM信号,直接数字频率合成(DDS)驱动AOFS,通过DAC调节射频驱动源功率补偿AOFS非平坦的"幅-频"特性,以及基于FPGA的高精度时间测量系统监测STLFM信号周期及测量多个STLFM周期间的时间差,可以使该"双频双调制双本振"体制具有较高的距离测量精度,并为通过脉冲积累减小发射能量的途径提供了可能.     

基于FPGA的宽带线性调频信号的产生与实现北大核心CSCD

随着激光雷达技术的迅速发展,激光雷达的作用距离、分辨力和测量精度等性能指标不断提高。为了提升测量精度和距离分辨力,要求发射信号具有大的带宽。宽带线性调频信号有助于提高激光雷达的距离分辨力。针对远程测距中激光雷达测距精度低的问题,本文首先分析和比较了几种产生宽带线性调频信号的方法,针对远程测距的应用场景,提出并设计了一种宽带线性调频信号的实现方法。通过Matlab仿真实验,证明实验实现的可行性。最后在FPGA上进行实现,产生了带宽为150 MHz,距离分辨力为1 m的宽带线性调频信号。     

啁啾脉冲激光放大的理论与数值模拟分析

为了比较啁啾脉冲在均匀加宽与非均匀加宽介质中传输的特性,采用分步傅里叶方法进行了理论分析和实验验证,得到了增益窄化、增益饱和、自相位调制效应对脉冲在两种不同介质中频域、时域的演化特征曲线。结果表明,在非均匀加宽介质中,增益窄化效应更加明显,而且增益饱和效应得到了很好抑制,两种加宽介质中脉冲的频谱都起到了拓宽作用,非均匀加宽介质中的频谱比较对称,而均匀加宽介质中的频谱出现了畸变。这一结果对研究啁啾脉冲在综合加宽介质中传输特性是有帮助的。     

多普勒激光雷达近地面飞机尾涡反演方法优化EI北大核心CSCD

实时准确获取飞机尾涡的特征参数信息,将有利于在保持机场基础设施的情形下进一步提升机场吞吐量。相干多普勒激光雷达作为飞机尾涡的有效探测手段,可提供其位置与强度信息。针对飞机尾涡特征反演算法在近地面环境下出现的误识别及定位精度下降问题,通过采用区域聚焦的方法减少背景环境对识别精度的影响,并引入尾涡的旋转特征、对反演结果检验,以此提高结果的可靠性。针对扫描中尾涡的移动、扭曲或数据缺失引起的强度评估不准问题,通过尾涡速度分布校正和理想化飞机尾涡模型校正两步来提高强度反演精度。经成都双流国际机场观测数据验证,该优化算法的正确识别率提高2.8%,漏报率下降2.7%,虚警率下降20.86%。