基于回波信号仿真的瑞利-喇曼-米激光雷达研制

在分析瑞利、喇曼和米散射仿真回波信号的基础上,研制了一台探测大气温度、气溶胶和卷云的瑞利-喇曼-米散射激光雷达,实现了一台激光雷达针对大气温度、气溶胶和卷云光学特性的多参数探测。为提高瑞利和喇曼微弱回波信号信噪比,采用了极高灵敏度的R4632光电倍增管和光子计数技术;为实现对大气气溶胶和卷云的探测,532 nm回波信号采取高低分层技术、高层通道回波衰减方法和探测器门控技术。瑞利-喇曼-米散射激光雷达的探测结果证明了利用仿真回波信号指导激光雷达设计的可行性。     

信号延时叠加提高激光雷达探测信噪比

以激光雷达回波信号的频谱特征为基础,提出了用信号延时叠加来提高激光雷达探测信噪比的方法.通过实验测量获取了大量激光雷达回波信号,并以此为基础,讨论了信号延时叠加提高激光雷达探测信噪比的可行性.结果表明:在系统带宽50 MHz、回波脉宽30 ns的条件下,通过信号延时叠加可提高激光雷达的探测信噪比在40%以上,且存在最佳的延时时间.     

全波形激光雷达回波信号建模仿真与分析

全波形回波信号建模仿真与分析是全波形激光雷达探测技术的一项重要研究内容。针对激光束在目标场景中投影点的获取问题,提出了一种基于激光束空间边界的光线求交快速算法,运算效率高,稳定性好。基于激光雷达信号的时空分布特性,推算出目标场景对信号的响应函数,建立二者的作用过程模型。并针对全回波检测技术中的距离选通探测模式,对目标回波信号与距离选通门限的位置关系进行了分类建模和分析。在研究以上三项关键技术的基础上,构建了全波形激光雷达回波信号仿真系统,仿真实现和分析了不同距离选通门限条件下的全波形回波信号特性,并生成了复杂场景下隐蔽目标的全波形激光雷达数据。     

星载单光子激光雷达海面回波信号模型

过去几十年中激光雷达的发展对于海洋监测有着重大意义,而星载单光子激光雷达以更高的分辨率和测量精度展现了其在海洋遥感中的优势地位.结合单光子探测器的响应特性,依据海面反射模型,提出了一个定量计算海面回波信号强度的理论模型.使用ICESat-2 (The Ice,Cloud,and land Elevation Satellite 2)对地观测激光测高卫星搭载的先进地形激光测高系统(ATLAS)的参数作为输入,采用ICESat-2获取的ATL03数据统计回波信号强度和全球风场数据验证模型,模型在菲律宾海域统计的多轨数据较好,在海面风速为4～10 m/s的情况下,其均值误差为0.0037个光子/脉冲,均方根误差为0.153个光子/脉冲.分析得出了星载单光予海洋测高仪回波强度和海平面上方平均风速的关系,该结论对海平面上方风速反演提供了重要的理论依据.     

南京地区低空雾霾气溶胶的拉曼-瑞利-米激光雷达测量

利用拉曼-瑞利-米激光雷达对南京北郊雾霾气溶胶进行观测和分析,并和气象预报相比对。2009年12月2日进行了长时间连续的观测实验,分析比较2009年12月2日观测的雾霾激光雷达距离矫正信号和2011年1月10日南京北郊晴空大气边界层气溶胶激光雷达距离矫正信号的区别和特征。实验结果表明:2009年12月2日10:00至19:00观测出现雾霾,激光雷达观测到雾霾出现的时间段和当天南京气象预报相吻合;南京北郊雾霾出现在低空300 m左右,厚度大约为700 m,大气边界层气溶胶出现的高度为1 000 m左右,厚度大约为1 500 m。     

米散射激光雷达重叠因子及全程回波信号标定技术研究

由于激光雷达光轴夹角的存在和光束质量分布的非均匀性, 导致理论回波信号与实际回波信号有较大差别, 需要对其进行校正. 基于数学推导和软件仿真, 给出了激光雷达重叠因子的数学表达式, 分析了光轴夹角导致的系统重叠因子在全程探测空间的变化情况; 分析了光束分布为高斯分布和均匀分布时的重叠因子变化情况; 对激光雷达的距离校正信号和Klett算法公式进行了重叠因子修正, 最后在对激光雷达系统参数标定的基础上, 在重叠区域利用修正的Klett公式对其所测得到的回波信号进行了修正, 在探测盲区利用斜率法修正距离校正信号, 进而得到了符合理论与实际情况的激光雷达在全程上校正的消光系数曲线. 关键词： 激光雷达 标定 重叠因子 消光系数     

偏振-米散射激光雷达的研制

研制的偏振-米散射激光雷达（PML）,可用于探测卷云和沙尘气溶胶的后向散射光退偏振比以及研究流层大气气溶胶的消光特性。采用窄带滤光片和光阑,将接收到的激光大气回波信号谱线（米散射和瑞利散射光谱）从天空太阳背景噪声中分离出来,以提高系统的白天探测能力。介绍了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。对偏振-米散射激光雷达的性能参数进行了测定,并对测定结果进行了分析与讨论,给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市地区(117.16°E, 31.90°N)上空大气气溶胶的消光特性和卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果,对这些结果进行了分析和讨论。结果表明：研制的偏振-米散射激光雷达性能可靠,能对大气气溶胶和卷云的物理和光学特性进行有效的探测。     

差分吸收激光雷达回波信号统计模型的研究

差分吸收激光雷达回波信号统计模型是研究差分吸收激光雷达系统的基础,但是现有的统计模型中均没有考虑大气湍流导致的激光闪烁对回波信号的影响。针对已有统计模型的缺陷和应用需要,综合考虑了大气湍流导致的激光闪烁、目标反射斑纹、接收噪声以及发射功率波动对回波信号统计特性的影响,提出了一种改进的长程差分吸收激光雷达回波信号统计模型,分析了该模型的统计特性。仿真结果表明大气湍流导致的激光闪烁对回波信号统计特性的影响十分显著,同时也验证了该统计模型比已有统计模型更精确、更符合实际。     

基于高斯光束特性的Mie散射大气激光雷达回波近场信号校正研究

介绍一种基于高斯光束传输特性对Mie散射激光雷达回波信号校正的新方法.首先根据发射激光束的高斯光束特性，对大气激光雷达回波信号作高斯修正，然后在大气近似均匀假定下，对近场区经高斯修正的回波信号距离校正函数进行二次曲线拟合，实现对交叠面积影响的修正，实际计算表明，用此方法对Mie散射激光雷达回波近场信号进行处理，可获得与实际更为接近的反演结果. 关键词： 大气激光雷达 高斯光束 回波近场信号修正 大气消光系数     

基于背向喇曼散射的分布式光纤温度传感器APD最佳雪崩增益的分析

本文分析了基于背向喇曼散射的分布式光纤温度传感器中光电接收用雪崩光电二极管雪崩增益对接收电路信噪比的影响,给出了使传感系统接收电路输出信号信噪比最大这一最佳意义下APD雪崩增益的表达式并进行了分析,实验结果和理论分析基本一致.     

星载海洋激光雷达最佳工作波长分析

星载激光雷达是实现海洋垂直剖面探测的有效工具,也是目前迫切需求的海洋光学遥感手段。对星载海洋激光雷达的波长参数进行评估对保证探测有效性具有重要意义。本文从探测深度和信噪比两方面分析了星载海洋激光雷达探测全球海洋的最佳波长。利用MODIS 10个波段的水体光学特性数据,估算全球海水探测深度及相应的最优波长;并根据太阳夫琅禾费暗线特性,对信号信噪比进行优化。结果表明:在探测深度方面,最优探测波长在488 nm波段的海洋占全球海洋面积的70%左右,并且全球95%以上的海域在488 nm波段的探测深度优于0.8倍的真光层深度;在信噪比方面,相对于488 nm波段,486.134 nm夫琅禾费暗线处采用0.1 nm带宽的滤光片可以将背景光强度降低70%,相应地回波信噪比整体提升了约5.0%。就全球海洋探测来说,使用486.134 nm作为探测波长可以提高探测深度,有效抑制太阳背景光,提高信噪比,因此,486.134 nm是星载海洋激光雷达的最佳工作波长。     

基于信噪比通道宽度的光电成像系统匹配方法的研究

将光电成像系统中的光学系统和探测器视为线性系统,应用匹配滤波和等效平方带宽理论,综合考虑了系统的信噪比和带宽,建立了基于信噪比通道宽度的系统性能评价模型。利用评价模型进行计算机仿真。根据仿真结果分析,得出了光学系统与探测器的匹配特性和最佳匹配条件。     

基于图像信噪比的X射线同轴相衬成像系统设计

通过对具有二维高斯型相位分布特征物体的X射线同轴相衬成像技术进行理论分析,提出了一种基于图像信噪比的成像系统优化设计方法。采用数值模拟的方式分别对亚微焦点源、激光驱动微焦点源和同步辐射源三种X射线源下的成像系统进行了优化设计,结果表明：相对于最大化衬度的系统优化设计方法,信噪比优化设计方法在较小降低衬度的前提下,可以较好地改善图像信噪比并得到更为合理的成像距离。     

基于HgCdTe红外探测器的微弱信号检测电路设计

 被动动态傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪可用于周围环境红外辐射的光谱分析,其中红外信号检测是光谱仪中的重要组成部分。基于高信噪比、高灵敏度、温漂小和抗干扰能力强的电路设计原理,采用滤波电源供电,使用高速低噪声高精度的运算放大器,通过合理的电路布局和元器件选择来设计红外信号检测电路。在大气环境和室内气室的实验条件下,红外信号检测电路组成的红外光谱仪对目标气体进行红外遥感,并对实验结果进行了分析和探讨。实验结果表明：在系统中运行的检测电路具有较高的信噪比和较好的稳定性,测量精度高,可实现对大气环境的红外遥感。     

色噪声背景下微弱正弦信号的混沌检测

提出一种利用混沌在特定状态下对参数的敏感性来实现微弱正弦信号检测的新方案-该方案可以有效地将深陷在色噪声背景中的微弱正弦信号检测出来-给出了混沌检测的方法,分析了混沌检测中噪声对系统状态的影响-仿真实验表明该混沌检测系统对小信号非常敏感，对任何零均值色噪声均具有极强的抑制能力- 关键词： 微弱正弦信号 混沌检测 色噪声 信噪比     

基于神经网络的航天光学遥感器在轨信噪比测试方法

提出一种基于神经网络的航天光学遥感器在轨信噪比的的测试方法。通过模拟得到了大量的包含有不同信噪比等级的遥感图像,并将其作为网络训练和测试的样本。通过对遥感图像进行分析,找到了分别与景物结构和噪声有关的特征向量,并将其作为神经网络的输入。在对大量样本图片进行训练后,可完成对由遥感器传输下来的任意一幅地面景物图像进行信噪比的测试,从而避免了传统方法对特定地面景物目标在成像测量中的诸多弊端,平均测量误差约为10%。     

Crystal orientation dependence of the SNR for signal beam amplification in photorefractive BaTiO3

In signal beam amplification by two-beam coupling in BaTiO₃ photorefractive crystals, beam fanning in the direction of the amplified signal reduces the signal-to-noise ratio (SNR). The dependence of the SNR and the signal beam gain on the crystal orientation are analysed using a HeNe laser. It is found that orientating the crystal for maximum gain gives poor signal-to-noise ratio. A compromise has to be made between the SNR and high gain for optimum signal amplification.     

激光多普勒测速中散射粒子的大小对信噪比的影响

采用双光束干涉条纹模型,用光散射理论分析了激光多普勒测速中球形散射粒子的大小对散射光信噪比的影响。用数值解法求得了信噪比随散射粒子半径变化的曲线。仅从穿过测控区时光信号的信噪比这一方面考虑,结论是:粒子半径的取值不应大于干涉条纹宽度的0.35倍。     

基于最优滤波器的强混沌背景中谐波信号检测方法研究

强混沌背景中的微弱谐波信号检测有重要的工程研究意义. 目前的检测方法主要是基于Takens理论的混沌相空间重构方法, 然而这些方法往往对信干噪比要求高, 且对高斯白噪声敏感等. 本文注意到混沌信号的二阶统计特性是不变的, 根据这个特点提出了一种基于最优滤波器的强混沌背景中的微弱谐波信号检测方法. 该方法首先构建一个数据矩阵, 在频域上对每个频率通道分别检测谐波信号, 从而将信号检测问题转化为最优化问题, 然后利用最优化理论设计滤波器, 使待检测频率通道的信号增益保持不变, 而尽量抑制其他频率通道的信号, 最后通过判断每一频率通道的输出信干噪比来检测谐波信号. 与传统方法相比, 本文方法有如下优点: 1)可以检测更低信干噪比下的微弱谐波信号; 2)可检测的信号幅度范围更大; 3)抗白噪声性能更强. 仿真结果证明了本文方法的有效性.