地球同步轨道空间目标地基逆合成孔径激光雷达系统分析

对用于地球同步轨道空间目标进行成像观测的地基逆合成孔径激光雷达系统进行了分析.讨论了地球同步轨道空间目标运动特性和观测几何模型,分析了地基逆合成孔径激光雷达系统指标,波形选择为无周期相位编码信号,提出了基于发射和本振参考通道的信号相干性保持方法.根据目标存在振动和三维自转的特点,采用正交基线干涉处理的方法进行运动相位误差估计与补偿.引入自适应光学系统实现大气时变相位误差校正,同时明确了基于正交基线干涉处理的逆合成孔径激光雷达与自适应光学在大气校正方面具有互补性.设计了初步系统方案,仿真验证了目标振动和三维自转对逆合成孔径激光雷达成像有明显的影响.     

Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪, Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点. 本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统, 构建了风速反演的数学模型, 利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能. 数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出, 采用SineSqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离, 并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响, 从而实现视场展宽. 结果表明: 采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m·s^-1的径向风速范围内<0.45 m·s^-1的风速误差, 克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点; 视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下, 能最大补偿1°的视场角. MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础. 关键词： 激光雷达 条纹成像Mach-Zehnder干涉仪 风速反演 视场补偿     

荧光激光雷达技术探测水面油污染系统仿真研究

为实现对水面油污染的探测, 根据荧光激光雷达系统的发展趋势, 采用激光诱导荧光技术, 建立了适用于水面油污染探测荧光激光雷达的系统模型. 提出采用单激光器结合增强电荷耦合器件的小型荧光激光雷达探测系统, 通过分析激光器单脉冲能量与探测浓度之间的关系, 结合荧光激光雷达系统参数, 对系统模型的探测能力与信噪比等进行了数值仿真. 结果表明, 系统选用单脉冲能量50 μJ的355 nm Nd:YAG激光器作为激发光源, 白天在7 m的距离处探测信噪比可以达到10, 满足实验室搭建模拟系统的要求. 针对实际探测水面油污染, 提出采用增大激光器功率的方法, 并通过模拟计算验证了采用50 mJ的单脉冲能量激光器在230 m的探测距离处可得到与实验室相同的结果, 对实际系统的搭建具有指导意义.     

合成孔径成像激光雷达成像算法研究

在描述了调频连续波信号模型以及其外差接收体制特点的基础上,针对传统合成孔径雷达的“一步一停”模型中忽略的平台连续运动引入的多普勒频移项,采用线性调频连续波信号的合成孔径成像激光雷达瞬时距离较传统合成孔径雷达的改变.推导出在该模型下一种适用于机载合成孔径成像激光雷达系统的频率变标算法,一并考虑了在连续波信号模型中多普勒频移项对成像的影响.仿真证明了该算法能有效补偿平台连续运动带来的影响.     

合成孔径成像激光雷达成像算法研究

在描述了调频连续波信号模型以及其外差接收体制特点的基础上,针对传统合成孔径雷达的"一步一停"模型中忽略的平台连续运动引入的多普勒频移项,采用线性调频连续波信号的合成孔径成像激光雷达瞬时距离较传统合成孔径雷达的改变.推导出在该模型下一种适用于机载合成孔径成像激光雷达系统的频率变标算法,一并考虑了在连续波信号模型中多普勒频移项对成像的影响.仿真证明了该算法能有效补偿平台连续运动带来的影响.     

离轴激光雷达重叠因子解析研究

为了对离轴激光雷达的近场信号进行校正,本文根据离轴激光雷达重叠因子的定义,利用高斯光束光强的解析传输公式,并考虑到离轴激光雷达系统激光分布与望远镜视场的五种关系,得到了利用雷达系统参数表示的离轴激光雷达重叠因子的解析计算公式。基于该公式对澳门地区雷达回波信号进行了校正和反演,所得结果证明了解析公式的有效性。利用解析公式通过数值计算方法详细研究了雷达系统参数对离轴激光雷达重叠因子的影响,该结果对激光雷达系统设计具有一定的参考价值。     

基于压缩光的量子激光雷达技术

利用Wigner函数对真空态、单光子态、压缩态在相空间的噪声分布进行仿真,并系统分析了基于压缩光的量子相干激光雷达和压缩光注入式量子激光雷达.研究表明,相比经典激光雷达,较高压缩度有利于量子相干激光雷达探测信噪比的提升,理论上8dB的压缩度可以使信噪比提高6.25倍;而压缩光注入式量子激光雷达系统的空间分辨率主要取决于真空压缩光的压缩度和无噪声相敏放大系统的增益.由于压缩光对探测信噪比的提升作用,量子激光雷达在微弱信号探测和高分辨率成像领域具有显著优势.     

基于压缩光的量子激光雷达技术（英文）

利用Wigner函数对真空态、单光子态、压缩态在相空间的噪声分布进行仿真,并系统分析了基于压缩光的量子相干激光雷达和压缩光注入式量子激光雷达.研究表明,相比经典激光雷达,较高压缩度有利于量子相干激光雷达探测信噪比的提升,理论上8dB的压缩度可以使信噪比提高6.25倍;而压缩光注入式量子激光雷达系统的空间分辨率主要取决于真空压缩光的压缩度和无噪声相敏放大系统的增益.由于压缩光对探测信噪比的提升作用,量子激光雷达在微弱信号探测和高分辨率成像领域具有显著优势.     

基于舰船尾流激光雷达的Monte Carlo模型及方差消减方法研究

对舰船尾流激光散射机理及探测过程的数值模拟是研究舰船尾流激光探测与制导的重要基础.首先分析了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达数值模拟领域研究的可行性.结合自行研制的尾流激光雷达实际参数,建立了尾流激光探测的Monte Carlo数值仿真模型.通过对仿真结果进行统计,深入剖析了仿真结果方差大及光子利用率低等问题的成因.为解决该问题,基于有偏采样理论和分裂-轮盘赌基本原理提出了接收光学视场内光子强行碰撞方法和以光子自由程总长度为准则的光子分裂方法,并进行了两方法的融合.仿真与实验结果的对比分析表明,提出的模型仿真结果与实验数据符合较好,验证了模型的正确性;提出的接收光学视场内光子强行碰撞方法和光子分裂方法能有效减小方差并提高光子利用率;解决了Monte Carlo方法引入到尾流激光雷达模拟过程中的适用性问题.     

Raman激光雷达探测气溶胶光学特性

介绍了武汉大学自行研制的Raman多通道激光雷达系统,给出了整个系统的设计原理及主要技术参量.详细描述了利用Raman激光雷达原理反演大气气溶胶消光系数、后向散射系数和激光雷达比等光学特性的方法,并对求解消光系数过程中的关键部分做了讨论分析.同时对武汉上空对流层低空大气气溶胶、云以及边界层等光学特性进行了实时探测反演.实验结果表明:该Raman多通道激光雷达系统在夜晚对低空气溶胶的垂直分布特性具有较好的探测能力,工作性能可靠.     

大电流窄脉宽LD脉冲驱动电源研究

基于三维激光成像雷达成像性能的需求,设计了一款应用于其发射系统的半导体激光器脉冲驱动电源。在对驱动电路模型理论分析的基础上,选取了RF高速功率开关,并运用PSPICE工具对驱动电路进行了仿真分析,设计出了一款峰值电流可达30A,上升沿小于2ns,脉宽小于6ns,重复频率15kHz的LD脉冲驱动电源。该设计满足激光成像雷达发射系统的技术指标要求。     

机载激光雷达风切变探测性能分析

介绍了用于风切变测量的激光雷达外差探测系统，阐述了其工作原理，根据CO2雷达系统与Ho：YAG雷达系统相关参数进行信噪比模拟和风速误差对比，模拟结果表明波长为2．1μm的Ho：YAG雷达和波长为10．6μm CO2雷达都适合机载低空风切变探测。通过对比表明Ho：YAG雷达的性能更为优良，误差更小，探测距离更远。     

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．     

A high-power electro-absorption modulated 2d-array laser source for FM/cw scannerless lidar

A scannerless amplitude-modulated (AM) semiconductor lidar (or laser radar) using frequency-modulation continuous wave ranging (FM/cw) techniques is one of the most promising research directions at present. In this lidar system, the high-power AM laser source is a key component of the lidar transmitter. First of all, we present here the architecture of an FM/cw scannerless AM ladar and summarize and analyze various schemes of high-power laser modulation. Then we put forward a new method for obtaining a high-power AM laser output, that is, to compose a two-dimensional (2D) array light source with laser diodes (LDs) and electro-absorption modulation modules (EAMs). Finally, the optical properties of electro-absorption modulated laser arrays are briefly analyzed. The analysis shows that the modulated laser arrays have the features of integration and miniaturization and can realize incoherent light illumination in the far field. This laser array is potentially a more ideal high-power AM laser source applied to an FM/cw scannerless imaging lidar.     

激光诱导荧光雷达探测系统仿真研究

激光诱导荧光技术是一种应用广泛的新型遥测技术,为了指导实际激光诱导荧光探测系统的搭建,介绍了荧光检测原理,设计了激光诱导荧光雷达探测系统。以测量水面石油类污染物为例,通过分析激光诱导荧光雷达探测系统中发射系统及接收系统主要参数对系统信噪比的影响,可根据测量条件选择合适的系统参数。在实验室条件下,选用单脉冲能量为50 μJ的Nd:YAG激光器,接收视场角0.1 mrad,滤光片带宽60 nm的接收系统,可以检验浓度为10个/L的粒子。     

大电流纳秒级脉宽激光二极管驱动电路的设计

脉冲激光雷达探测的性能直接与激光束的质量和能量有关,而激光驱动电路则直接决定了脉冲激光的功率和脉冲宽度。基于半导体激光雷达探测系统的要求,设计出应用于激光雷达发射系统的大电流纳秒级脉冲半导体激光二极管的驱动电路。介绍了电路的系统结构和驱动级电路的模型及其理论分析,推导其电流数学模型计算公式,并对关键器件的选择进行了总结;运用SPICE仿真程序对驱动电路进行了仿真。制作了印刷电路板,得到峰值电流25A,脉宽15ns的脉冲电流,满足设计要求。     

Dynamic measurement of beam divergence angle of different fields of view of scanning lidar

The laser beam divergence angle is one of the important parameters to evaluate the quality of the laser beam.It can not only accurately indicate the nature of the beam divergence when the laser beam is transmitted over a long distance,but also objectively evaluate the performance of the laser system.At present,lidar has received a lot of attention as a core component of environment awareness technology.Micro-electromechanical system(MEMS)micromirror has become the first choice for three-dimensional imaging lidar because of its small size and fast scanning speed.However,due to the small size of the MEMS micromirror,the lidar scanning system has a small field of view(FOV).In order to achieve a wide range of scanning imaging,collimating optical system and wide-angle optical system are generally added to the system.However,due to the inherent properties of the optical lens,it is impossible to perfect the imaging,so the effects of collimating and expanding the beam will be different at different angles.This article aims to propose a measurement system that dynamically measures the divergence angles of MEMS scanning lidar beams in different fields of view to objectively evaluate the performances of scanning lidar systems.     

成像激光雷达系统性能的研究

如何合理而有效地设计成像激光雷达系统 ,是进行成像激光雷达系统研究的关键 ,设计时必须充分考虑各种参数之间的相互关系 ,根据所提出的指标 ,选择激光器和探测器及其它元器件。以二极管泵浦固体Nd∶YAG激光器为光源 ,以探测的统计学为基础 ,从作用距离、探测概率、虚警概率、信噪比等方面研究了成像激光雷达系统的性能 ,探讨了成像中实际影响成像像素数的因素 ,为成像激光雷达系统的研究提供必要的理论依据。