星载激光测高系统的大气折射延迟改正模型研究

星载激光测高仪通过测量从卫星平台发射的激光脉冲在卫星与地面激光脚点之间的渡越时间计算两者之间的距离。由于光束经过大气层时发生的折射,导致卫星激光测高系统典型的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了大气折射延迟修正的理论与方法,分析比较了各种大气折射率模型,以全球首个对地观测星栽激光测高仪系统GLAS系统为例,给出了各种折射率模型的计算偏差,发现在常见温度和湿度范围内Owens375模型是一种精度较高的简化折射率模型;计算了GLAS系统高度角偏离天顶方向不超过10°的情况下,使用简单映射函数与CfA2．2映射函数模型的值,发现其差异不超过0．5mm。     

外场多光轴瞄准偏差测试的基准光轴建立方法

提出一种针对外场真实环境下可见光、激光和红外多光轴瞄准系统瞄准偏差测试的基准光轴建立方法.采用精密大地测距、测角技术获得观测仪器站址坐标、基准光轴方向和靶标中心位置,通过对标定靶标上的中心点作测距和测角观测,并对基准光轴方向大气折射和地球曲率引入的误差进行改正,获得基准光轴、激光和红外系统在靶标上的精确位置.理论分析和实际测试结果表明,该方法具有理论严密、测量准确度高、工程上易于实现的优点,在2 km范围内基准光轴误差小于4.5″,完全满足多光谱多光轴动态瞄准偏差测试中基准光轴准确度的要求.     

大气折射对双波长空间激光授时偏差的影响

针对双波长空间激光授时系统受大气折射率分布的影响而产生授时偏差的问题,利用实测气象数据建立了大气折射率分布对授时偏差的影响模型。以该模型为基础分别仿真研究了在地面终端捕获模式和星上终端捕获模式下双向链路不对称时延差和收发终端位置偏差随不同地区、不同月份和不同天顶角的变化规律。结果表明:大气压强越低,大气温度越高,不对称时延差和收发终端位置偏差越小;星上终端捕获模式下的授时偏差达到百皮秒量级;地面终端捕获模式下的授时偏差达到纳秒量级,通过进一步双向精密对准可将其减少到十皮秒量级。在卫星过顶时间内,不对称时延差和收发终端位置偏差随天顶角的变化而变化,并且存在地面终端地理位置的差异,需实时校正并消除不对称时延差和收发终端位置偏差。     

基于微通道板的单光子激光测高技术研究

与传统的激光测高技术相比,单光子激光测高技术具有数据量大、质量轻、测距精度高等优势,是激光测高技术的发展趋势。建立数学模型对单光子激光测高特性进行研究,用数值计算估计了单光子激光测高的性能,并建立了地物模型,用蒙特卡罗方法进行了仿真,提出了测高数据的滤波方法和一种利用遥感图像优化高程信息的算法。结果表明:在正午阳光背景最强烈的条件下,典型地物模型单光子激光测高的均方根误差为6.1cm,用算法优化后的误差为2.6cm。     

特殊函数在湍流大气传输光束漂移中的应用

研究特殊函数在激光湍流大气传输光束漂移效应中的应用,为提高跟瞄系统的瞄准精度提供理论依据。基于特殊函数和修正Von Karman谱,对斜程湍流大气传输光束漂移方差表达式进行了数值仿真。数值模拟表明,特殊函数高次项的近似舍去对激光湍流大气传输光束指向精度影响甚微。在外尺度较小时,光束漂移方差变化较快;随着外尺度的增加,光束漂移增加缓慢且趋于饱和。在相同的外尺度下,发射孔径（初始光束束径）与发射天顶角的增大对光束漂移具有抑制作用,且天顶角接近π/2,光束漂移角方差快速减小。     

基于星载激光测高数据的植被冠层高度反演

星载激光测高系统在应用于冠层高度反演时,由于光斑尺寸较大、地表环境复杂等因素,导致无法准确地从回波信号中提取地面位置。针对该问题,设计了一种分类地面波形,计算有效候选峰加权高程的地面返回位置提取和植被冠层高度反演方法。采用该方法对佛蒙特州西北地区的GLAS回波数据进行了处理,实现了地面高程提取和冠层高度反演,以同时期机载Lidar测量数据进行精度验证,并与高斯分解法的反演结果进行比较。结果表明该方法提取的地面返回位置与机载雷达采集的地面点云的分布非常接近,且地面提取精度优于高斯分解法;GLAS冠层高度反演结果RMSE为2.82 m,相关系数为0.81,与机载激光雷达测量结果具有较好的一致性,且优于高斯分解法的冠层高度反演结果。     

大气环境下用于瞄准的激光波束传播特性研究

针对激光瞄准过程中的光斑偏移现象,结合修正的Von Karman谱的折射指数起伏和Hufnagel-Vally湍流模型上的近似积分,研究了高斯脉冲光束在湍流大气中远场水平以及斜程传播时的脉冲展宽和闪烁指数,分析了强湍流条件下1.06 μm准单色光斜程大气传输光强分布与脉冲展宽的关系,对数值结果进行比较,发现远距离传输中波长和距离对波束瞄准偏差影响较大.从理论和实验上对大气环境下激光光斑瞄准偏差进行了分析研究,研究结果表明:将激光光斑全场数据及分析结果应用到现有偏差补偿算法中,可以实现激光瞄准偏差的有效补偿,在大气能见度1 km～3 km范围内,激光瞄准偏差测量误差σA≤0.1 mrad.     

氧气吸收被动测距技术中的折射吸收误差

大气层中气体浓度随海拔高度的指数衰减造成了大气折射率的不均匀分布。目标辐射在大气层中传播时,其辐射路径因折射作用变为曲线,而在求解目标距离时却是沿视在路径计算氧气吸收率,这使得氧气吸收被动测距中存在一个固有误差项,这里称之为折射吸收误差。为了分析折射吸收误差对氧气吸收被动测距的影响,分别计算目标辐射路径和视在路径的氧气浓度,并通过辐射路径和视在路径上吸收气体含量相等的方法,建立了不同视在天顶角的折射吸收误差和目标真实距离的关系。结果表明:相同天顶角下,折射吸收误差随路径长度增加而变大。天顶角小于90°时,折射吸收误差变化规律复杂,但能满足100km以内的高精度近程测距和150km以上的远程告警;天顶角大于90°时,折射吸收误差的变化规律简单且误差值很小,可实现全程高精度测距。因此该结论可为氧气吸收被动测距技术的误差修正提供一定的理论支持,同时也证明了该被动测距技术的适用性。     

拉曼激光雷达探测低对流层大气二氧化碳分布

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制成功的我国第一台测量低对流层大气CO2时空分布的拉曼激光雷达系统,选用波长355nm的紫外激光作为光源,利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的拉曼后向散射信号。详细分析了拉曼激光雷达系统的定标方法,提出采用Li7500型H2O/CO2分析仪与拉曼激光雷达系统进行对比与标定,结果显示激光雷达与CO2分析仪数据变化趋势一致性较好,激光雷达具有很高的探测灵敏度与准确性,通过线性拟合水平方向标定误差小于0.2%,垂直方向小于1.4%。由标定关系反演出大气中CO2的时空分布,给出了合肥西郊低对流层大气CO2水平方向0～2.0km与垂直方向0～2.5km分布的典型测量结果。     

相位延迟器在四频激光陀螺中的应用研究

介绍了典型相位延迟器1／4波片和90°相位延迟膜的工作原理,定义了四频激光陀螺输出信号解调信噪比,分析了相位延迟量对其造成的影响,并就此结果进行了MATLAB仿真。从两种相位延迟器的工作原理出发,阐述了温度、入射角、入射光波长等因素对两者相位延迟量的影响。结合激光陀螺在实际应用中的要求,对两者进行了比较,并得出结论：90°相位延迟膜更适合作为四频激光陀螺输出解调系统中的相位延迟器。     

星载激光测高仪发展现状综述

介绍了作为天基系统重要遥感遥测手段的星载激光测高仪(或称为测距仪)的发展现状以及星载激光测高仪关键技术,比较了具有代表性的几个星载激光测高仪系统的主要技术参数。     

激光触发多级多通道开关触发延迟及其抖动特性

研究了激光触发多级多通道开关的触发延迟时间及其抖动与激光脉冲能量等实验参量的依赖关系,建立了零维数值模拟模型对实验现象进行了理论解释。实验结果表明：触发延迟时间及其抖动随激光脉冲能量、工作电压、气压上升呈下降趋势;随SF6-N2混合气中SF6体积百分含量上升呈上升趋势。欠压比大于等于90%时200kV原理型激光触发多级多通道开关触发延迟时间抖动小于1ns。     

互相关法实现超短脉冲精确延时的探测及控制

在超短超强激光装置中, 强激光与靶物质相互作用产生等离子体, 为了获知等离子体的演化规律, 需要准确控制探针光与打靶主激光的相对延时, 精度须达到几十飞秒至几皮秒。为此设计了一台延时测量仪, 该测量仪基于超短脉冲强度二阶单次互相关测量原理, 利用非线性晶体的非共线和频效应, 采用线阵CCD采集探针光与打靶光产生的和频光空间光强分布曲线, 通过测量和频光强峰值的相对移动量, 反映探针光与打靶光的相对延时, 控制延时光路达到两光束的精确延时。详细阐述了该延时测量仪的构型, 讨论了超短脉冲强度互相关测量的原理, 理论分析了两光束的相对时间差与和频光峰值相对移动量之间的关系, 通过数值模拟给出了两光束夹角对延时测量精度的影响, 可根据不同要求改变两光束夹角更换晶体, 以满足延时精度及延时范围的要求。在理论分析的基础上进行了初步的实验验证。     

应用于地形匹配导航的激光高度计设计

为解决基于雷达高度表探测的地形匹配导航系统探测精度不高、易受电子干扰影响而失效、且在跨海飞行时无法导航的难题,设计了一种激光高度计来代替雷达高度表进行地形探测。采用二极管泵浦固体激光器技术设计激光发射装置,输出近红外/蓝绿双波长激光,既可以测量陆地地形高度,又可以穿透海水探测海底地形;并根据激光高度计拟达到的性能指标选择合适的光电探测器,优化设计了光学系统、扫描系统和信号处理系统。所设计的激光高度计具有体积小、重量轻、高重频、探测灵敏度高、抗电磁干扰能力强等特点。     

延时法测量条纹相机μs档扫描非线性

为实现s档条纹相机扫描非线性标定,建立了基于延时可调信号源和外触发激光器的条纹相机s档扫描非线性标定系统,弥补了标准具法的不足。系统通过延时值的递增,得到条纹相机扫描速度在全扫程的变化。系统中时间关系抖动来源主要是测试设备延时抖动和条纹相机触发延时抖动。时间抖动测试与分析显示,条纹相机延时抖动0.6 ns,测试设备延时抖动0.3 ns,系统总时间抖动0.7 ns。系统时间抖动会造成最终时间轴信息的起伏。大量数值模拟分析表明,时间轴起伏对系统时间抖动的影响2 ns,在可以接受的范围内。因此,该系统能够胜任条纹相机s扫程时间信息的测量标定。     

延时法测量条纹相机μs档扫描非线性

为实现μs档条纹相机扫描非线性标定,建立了基于延时可调信号源和外触发激光器的条纹相机μs档扫描非线性标定系统,弥补了标准具法的不足。系统通过延时值的递增,得到条纹相机扫描速度在全扫程的变化。系统中时间关系抖动来源主要是测试设备延时抖动和条纹相机触发延时抖动。时间抖动测试与分析显示,条纹相机延时抖动±0.6ns,测试设备延时抖动±0.3ns,系统总时间抖动±0.7ns。系统时间抖动会造成最终时间轴信息的起伏。大量数值模拟分析表明,时间轴起伏对系统时间抖动的影响±2ns,在可以接受的范围内。因此,该系统能够胜任条纹相机μs扫程时间信息的测量标定。     

Research on atmospheric refraction correction of airborne electro-optical system target location北大核心CSCD

目标定位精度是评判机载光电系统性能的一项重要指标。对于高空机载光电系统,目标定位精度除受传感器、测距仪、载荷平台稳定精度、飞行平台稳定精度和位置精度等综合因素影响外,还受大气折射的影响,对于高空机载光电系统远距离对地观测,大气折射对目标定位的影响尤为严重。该文从大气折射对目标定位的影响机理出发,给出大气模型,分析大气折射的影响因素,并基于介于圆球体和参考旋转椭球体之间的地球模型给出了大气折射误差模型;基于该文提出的近似参考旋转椭球体地球模型,仿真分析了大气折射对目标定位的影响结果。分析结果对于机载光电系统远距离目标定位大气折射修正具有重要指导意义。     

SF6气体间隙开关激光触发延迟的数值模拟

建立了激光触发SF6气体间隙开关的0维数值模型,数值计算结果与国内外实验进行了比较,计算的延迟时间与实验结果符合较好。在充气压力一定时,延迟时间随激光能量、工作电压比的增加而减小,并且延迟时间-工作电压比的曲线斜率也是随激光能量和工作电压比的增加而减小的。当激光能量一定时,延迟时间随充气压力的减小和电压的增加而减小, 并且不同充气压力的延迟时间随电压变化的曲线斜率是随电压的增加而减小的。但是,等电压压力比值情况下,延迟时间是随充气压力的增加而减小的。