亚稳态氦共振荧光激光雷达系统方案比较分析

对脉冲光和连续光两种激光雷达系统进行了改进,在原有激光雷达系统的基础上进一步细化设计参数,并结合系统本身限制选择更合适的设备.对两种激光雷达系统回波信号进行模拟计算,并就信噪比和实现难度等方面进行了对比,结果表明,脉冲光激光雷达更合适探测热层和外逸层亚稳态氦密度.     

车载二氧化硫差分吸收激光雷达系统

研制了一套探测低层大气二氧化硫的车载可移动激光雷达系统.该系统选用的差分波长对为300.05nm和301.50nm.光源采用两台Nd…YAG激光器分别泵浦两台窄线宽染料激光器经过倍频来获得.激光经过合束、扩束后与望远镜同轴发射.后向散射信号被近牛顿式望远镜接收后,通过光电倍增管转换为电信号,然后被数据采集卡采集,最后用来反演二氧化硫分布廓线.在淮南地区进行了针对近地面水平探测的外场实验,结果表明,在0.8~3.0km范围内,当晚二氧化硫浓度在20μg·m-3上下波动,气象部门地面仪器结果为18~22μg·m-3,实验结果与仪器结果具有可比性.     

CRAFT超导磁体平台冷却用超临界氦循环泵性能分析

为聚变堆主机系统综合研究设施(CRAFT)超导磁体提供低温环境,满足超导磁体大流量迫流冷却需求,设计了350 g/s的超临界氦循环泵的流道部分,利用N-S方程和SST k-ω模型,研究超临界氦在泵中的流动特性,获得了压力分布场、速度场等,得到不同流量下泵的外特性曲线。结果表明：泵在设计流量350 g/s下水力效率达86.2%,出口压力为6.2 bar,流道压力分布均匀,流道设计满足要求。     

非共轴激光雷达系统参数对几何因子的影响

介绍了非共轴激光雷达几何因子的物理意义,通过数值模拟分析了激光雷达各系统参数包括：激光发散角、接收视场角、光轴间距、光轴失调夹角对几何因子的影响。结果表明：光轴离轴失调对激光雷达影响最大,在系统设计时应极力避免。结合自行研制的CSY2型能见度激光雷达,将理论计算与实验测量值进行对比,实验结果表明两种计算结果基本一致。     

对流层高度大气温度、湿度和气溶胶的拉曼激光雷达系统

为了实现大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的实时同步探测研究,成功研制了一台日常观测的多参数探测拉曼激光雷达,采用高性能二向色镜和窄带干涉滤光片组成高光谱分辨率高效率拉曼分光系统,实现独立5通道大气回波信号的高精细分光和高效率提取,并研发了多参数同步反演算法,获得了大气水汽密度、温度和气溶胶消光系数廓线,结合水汽密度和温度得到了同时刻大气相对湿度的垂直变化特性。利用该系统在晴天和有云条件下对西安局地进行初步实验观测,获得温湿度及气溶胶廓线以及云层内水汽与逆温层的高度关系。实验结果表明,在探测时间15 min和激光能量150 m J的条件下,系统在晴天条件可实现高度16 km以下大气温度和湿度的同步探测,在有云条件下系统可实现大气底层和云层顶逆温层的精确探测,并可获得高层云层内和水汽层内大气水汽密度和相对湿度的同步增长趋势。实验数据与当地探空数据的多次随机比对在大气温度、湿度廓线上取得了较好的一致性,充分验证了该拉曼激光雷达实现对流层高度大气多参数同步探测的有效性和系统的可靠性。使用该系统可有效开展区域性大气的观测研究,为大气气候变化以及雾霾生消过程的研究提供可靠的实时探测数据。     

大气颗粒物多参数激光自混合传感的数值模拟与特性分析

基于颗粒物米氏散射特性、激光自混合三镜腔理论和激光器稳态条件,推导出在大气颗粒物光反馈下激光器频率、功率、线宽的理论表达式,建立了大气颗粒物光反馈下的激光自混合理论模型。同时,数值模拟和分析了大气颗粒物物理参数对激光自混合干涉信号的影响。结果表明,在一定粒径范围内,激光自混合反馈强度随大气颗粒物粒径增大先增大后减小,且反馈强度峰值出现的位置随颗粒物折射率实部的增大、虚部的减小向粒径较大处移动;自混合系统的外腔长度影响自混合干涉信号的波动深度,激光器输出光信号的幅值随外腔长度增大呈指数衰减;自混合干涉信号波动频率与大气颗粒物运动速度呈线性关系。分析结果对基于激光自混合效应的大气颗粒物多物理参数传感具有重要作用。     

用瑞利激光雷达16年观测数据分析合肥地区大气密度分布特征

介绍了L625瑞利激光雷达系统结构以及基于瑞利散射理论探测大气分子数密度的原理.提出了反复迭代修正大气透过率的计算方法,并通过模拟仿真验证了该算法的可靠性.通过误差分析得到影响大气分子密度不确定度的主要因素为回波信号信噪比以及参考点处大气分子数密度值,给出了回波信号误差产生的主要来源以及参考点选取方法.最后,分析了激光雷达16年观测数据反演的结果,得到合肥地区大气分子数密度的月份以及年份分布状况,结果表明:中层大气分子数密度分布呈现明显的季节性分布特征,冬季分布稀疏,夏季分布密集,随年份分布则较为平稳.通过将统计平均得到的密度廓线与1976美国标准大气模式比对分析,发现由激光雷达观测反演得到的结果较模式值大,二者的比值在1.05～1.13之间.     

主被动星载大气探测载荷性能对比与分析

卫星遥感能够获取全球范围的大气环境参数,主要包括主动和被动两类探测技术。星载激光雷达作为典型的主动光学遥感载荷可以用于探测全球大气气溶胶、云、大气风场和温室气体等,并可以反演垂直廓线信息。本文概述了星载激光雷达探测技术的发展历程,较为全面地总结了星载激光雷达载荷轨道及技术参数,并与被动光学遥感载荷进行了比较,探讨了主被动星载大气探测载荷各自的优劣势和未来发展趋势。通过对比分析,为未来不同应用场景的大气探测载荷选择提供参考,有助于更好地利用卫星数据反演全球大气参数。     

基于二维MEMS振镜的激光雷达系统的光学设计

近年来人们对具有安全驾驶、智能控制功能的汽车需求增长,使智能驾驶汽车快速发展起来,激光雷达作为智能驾驶的核心传感器之一得到广泛的关注,其中MEMS激光雷达具有高帧率、高分辨率、体积小、成本低的优点,是国内外车载激光雷达的主要发展趋势之一。光学系统是MEMS激光雷达重要组成部分之一,分为发射光学系统和接收光学系统,本文基于镜面直径5mm的二维MEMS振镜设计了发射光学系统,将25W的半导体激光器准直为弧矢方向发散半角为1mrad,子午方向发散半角为3mrad的光束;设计了大相对孔径为1∶1、焦距为11.01mm的镜头作为接收镜头,并提出采用放大倍率为2.2的纤维光锥与16线APD阵列探测器耦合,扩大接收光学系统的视场;APD阵列探测器采用选通模式,提高雷达系统的信噪比。基于此设计结果搭建激光雷达样机,实验验证系统探测距离可达45m,全视场角40°×10°。结果表明系统可一定程度上提高激光雷达探测距离和视场角。     

空间激光通信中光强起伏尺度特征的数值分析

利用数值模拟的方法,定量地计算分析了空间激光通信中光强起伏问题,得到了准直光束与聚焦光束光强起伏相关距离（不均匀元半径）随大气相十长度变化的结果;进而分别从接收效率和性价比等不同的角度对激光通信系统接收孔径选取的参考因素进行了探讨。根据现代光通信对误码率的最低要求定义最佳接收孔径,计算分析了聚焦光束空间激光通信系统最佳接收孔径随大气相干长度r0的变化关系。结果表明,最佳接收孔径随大气相干长度的减小而迅速增大。对于聚集光束空间激光通信而言,在大气相干长度ro约为4cm的强湍流效应情况下,通信系统的接收孔径接近5倍艾里斑直径,才能满足国际电信联盟-电信标准部对光通信的最低要求。     

跟踪抖动对激光湍流大气传输光束扩展的影响

对发射系统的跟踪抖动对激光湍流大气传输光束扩展的影响进行了数值分析,并且得到了跟踪抖动对光束扩展影响的定标关系。由此定标关系可知,当系统衍射角σ0较大时,跟踪抖动对光束扩展的影响比较小;但是当系统衍射角σ0较小时,特别是在湍流效应较弱的情况下,抖动的影响非常显著,此时光束扩展主要是由系统抖动项所决定的。通常在湍流效应较弱时,系统跟踪抖动对光束扩展的影响相对较大,随湍流效应的不断增强,湍流扩展逐渐起主导作用,而系统跟踪抖动对光束扩展的影响相对逐渐减小。因此,由此定标关系可以定量了解不同条件下系统衍射、系统跟踪抖动以及湍流效应对光束扩展影响的大小,并为系统优化设计提供定量的科学依据。     

相干测风激光雷达的数值建模和仿真分析

根据相干测风激光雷达实际探测光路的传输过程和大气分层理论,建立了相干测风激光雷达的全流程系统仿真模型。基于现有系统参数,分别在常风速模型和美国宇航局(NASA)阵风模型下仿真模拟了高脉冲能量-低脉冲重复率(HPE-LPRF)和低脉冲能量-高脉冲重复率(LPE-HPRF)两种系统的探测过程。通过对比反演风速值的均方误差,分析两种系统的探测性能。仿真结果表明:仿真模型给出的系统信噪比与理论值一致;信号的非相干累加平均处理提高了风速测量精度;非相干累加时间为0.1 s时,在常风速模型和NASA阵风模型下,LPE-HPRF探测系统风速的均方误差分别为0.75 m/s和1.03 m/s,均优于HPE-LPRF探测系统(0.93 m/s和1.25 m/s)。     

大气环境下激光传输仿真软件的设计与编制

随着激光技术的发展,激光大气传输特性一直是激光领域的研究热点。综合激光大气传输的理论模型,运用科学的软件开发方法设计出了一套仿真系统,用来模拟激光在复杂大气环境中的辐射特性和激光的传输过程。该系统理论模型以Lambert-Beer定律为基础,结合了瑞利散射和米散射等经典理论,当在烟幕环境中模拟激光传输时,采用了多次散射模型。仿真中对大气环境采用逐段细化,每段根据数据库参数变化选取合适的计算模型,以提高仿真精度。绘制出了光斑和等位面随传输距离的演化图形,以演示激光大气的传输过程。     

星间激光通信光束微弧度跟瞄性能检测装置的设计原理

基于矢量折射定理,研究了透射光束通过双棱镜实现微弧度量级偏转的设计原理,解决了星间激光通信精跟瞄检测的难题。推导了正交双棱镜实现光束偏转的精确公式,提出以水平张角和垂直张角表达光束视场,并说明了单棱镜实现光束偏转的一般情况。根据设计指标和计算结果确定了棱镜的主要参量,进而对光束的偏转结果进行了数值模拟。最后的实验结果与模拟结果基本一致。结果表明:取棱镜棱角α为4°时,棱镜每旋转1′,透射光束变化约1μrad;分别控制双棱镜在其最小偏向角一侧小角度偏转,可以实现光束在水平方向和垂直方向500μrad范围内的精确扫描,装置的扫描精度可以达到0.2μrad。     

空间光学遥感器热设计中的计算机数值模拟

介绍了某空间光学遥感器所处的空间热环境 ,分析了热环境的变化对光学遥感器尺寸稳定性以及对成像质量的影响。根据以遥感器为中心而建立的热平衡方程 ,利用有限元分析软件进行光学遥感器热设计的计算机数值模拟计算。分析结果表明 ,所提出的热设计方法大大改善了遥感器的温度场分布 ,能够满足光学设计所提出的要求     

激光云高仪对那曲地区大气边界层高度的探测分析

2014年7月至8月在第三次青藏高原大气科学试验的支持下,分析了夏季那曲地区大气边界层高度日变化特征.采用激光云高仪通过后向散射信号梯度法求得大气边界层高度,将云顶高度判定为边界层高度时,那曲地区对流边界层高度最高可达3800m,在夜间稳定边界层情况下,最低只有40m.采用无线电探空仪数据,利用位温梯度法、相对湿度梯度法求得大气边界层高度.利用云高仪与探空仪同步实验40天得到的有效数据,对后向散射信号梯度法与位温梯度法得到的大气边界层高度的相关性进行分析,相关系数达0.78,标准偏差为738.84m.对8组较为异常量据的再分析发现云高仪在晴空探测大气时信噪比存在一定的不足.对比早、晚测量结果可知,那曲地区大气边界层高度日变化大,是由于该地区地处内陆海拔较高,夏季日照辐射相对平原地区较强,对流和气温强烈的日变化引起大气层结日变化较大.     

光谱滤光器透射率参数对高光谱分辨率激光雷达的影响分析

研究了高光谱分辨率激光雷达(HSRL)中光谱滤光器透射率参数对其反演大气气溶胶光学属性精度的影响。建立了一种基于普通三通道HSRL配置的、与光谱透射率参数有关的反演误差理论分析模型,并通过蒙特卡罗(MC)算法仿真验证了该误差分析理论模型的正确性。理论模型及MC仿真结果表明,滤光器的分子信号透射率和谱分离比(SDR)越大,HSRL系统反演精度越高,并且SDR主导低海拔区域的反演精度,而分子信号透射率对高海拔区域的反演影响更明显。此结论适用于大多数具有类似的多信号通道结构的HSRL,对HSRL滤光器的选型和设计具有一定的指导意义。     

双Fabry-Perot标准具在直接测风激光雷达系统中的应用与分析

 简叙了双Fabry-Perot标准具在自行研制的测风激光雷达中检测多普勒频移的原理,给出了测风激光雷达系统的参数,对入射光束的入射角和发散角对标准具频谱曲线的影响进行了分析和稳定性实验,结果显示在短期内不稳定性带来的风速测量误差仅为0.016 m/s。测定了双标准具的频谱曲线,通过对标准具频谱曲线的分析显示:测量误差在测量的动态范围内随着速度的增大而增大,随着测量脉冲次数的增加而减少,同时速度的测量误差随着高度的增加而加大,在5 km时最大测量速度误差为0.6 m/s。     

超低温离心式冷压缩机通流部分设计与分析

冷压缩机设计目标总压比为15,设计为三级串联运行,设计压比分别为3.2,2.5,1.875,压缩工质为超低温负压氦气。通过气动计算与模拟优化,得到了合理的三级冷压缩机各级转速与各项几何参数。通过CFD模拟计算,得到了三级冷压缩机在设计工况下的流量、压比和等熵效率值。并以第一级为例,对压缩机内部模拟流场进行了分析,表明设计冷压缩机内部流场压力分布均匀,没有出现较大的流动分离与激波。通过对各级冷压缩机选取大量工况点进行模拟计算,得到了各级的预估工作性能曲线。结果表明,各级的设计都满足流量范围随级数增加而增大的要求,且各级目标工况处都在该级的高效区范围内,能够满足设计目标。