基于双模式探测器的大动态范围激光测距EI北大核心CSCD

开发了一种基于双模式探测的大动态范围激光测距方法.使用基于硅雪崩光电二极管（APD）的单个探测器在线性模式与盖革模式之间切换,实现了平均光子数为1~105的大动态强度范围光信号探测.在此基础上,进行了30m的室内线性探测模式测距和500m的室外盖革探测模式测距实验,利用时间相关单光子计数设备记录的信号详细分析了两种模式测距的时间特性,证明了这种方法可以根据探测距离和背景环境进行探测模式切换,从而实现大动态范围激光测距.并且进一步分析了APD偏置电压的调节对测距系统测量精度以及探测背景噪声的影响.     

超导单光子探测器暗计数对激光测距距离的影响

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子探测器,具有灵敏度高、时间精度高、探测速度快和暗计数低等特点,在激光测距等领域具有重要应用前景.本文将SNSPD应用到1064 nm波段激光测距系统,研究了其暗计数和信噪比对激光测距的影响.基于实验获得的回波数据,结合激光雷达理论,研究了系统信噪比与脉冲积累次数的关系.分析表明,SNSPD暗计数是影响测距距离的关键因素之一.结合仿真,进一步探究了基于SNSPD的激光测距系统信噪比与回波率、暗计数的关系,暗计数较大时,信噪比随脉冲积累次数增加出现波动现象,回波信号湮没.由于SNSPD暗计数极低,本基于SNSPD的测距系统最远测距可达280 km,较同样条件下基于APD探测器的测距系统最远探测距离远40 km,在军事侦查、探测和制导等领域具有重要应用前景.     

基于非线性相关源雪崩管模型的恒虚警激光测距电路仿真试验研究

依据雪崩光电二极管（APD）产品数据手册中雪崩增益、噪声（温度）与偏压的相关关系通过曲线拟合建立了APD输入、输出和偏压控制的函数模型，并基于非线性相关源控件构建了APD的电路仿真模型。设计了具有恒虚警APD偏压自动控制以及防近程散射时间增益控制的测距电路，引入自动增益控制信号，完成了恒虚警激光测距电路的全闭环动态仿真试验研究。仿真结果表明，恒虚警测距电路可根据虚警率设计值自动捕捉APD最佳雪崩增益工作偏压，虚警率每百毫秒60～70次时最小可探测光功率达到25 nW，与实际值接近，验证了恒虚警全闭环仿真模型的可行性。     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

百微米精度的单光子测距

本文发展了一种基于高精度单光子探测器的激光测距方法,实现了百微米量级精度的非合作目标激光测距.单光子测距系统引入参考位置,有效地抑制了系统延时漂移,使光子飞行时间测量精度达到0.5 ps,在2 m测距距离处,单光子测距系统的测距精度达到65μm@RMS.这项工作达到了当前脉冲飞行时间测距最高精度水平,为远距离非合作目标高精度测距和成像提供了一种有效的技术.     

相关检测技术在单脉冲激光测距中的应用

采用雪崩光电二极管探测微弱激光脉冲回波信号,依据相关检测技术对微弱的激光回波进行处理,从而获得较高信噪比回波信号.首先通过软件仿真验证了该实验方法的可行性,并在实验中采用消光比测量法对激光测距机测距能力进行了测试,将信噪比为-2.1 dB原始信号经过相关检测后提升至10 dB,消光比从原始激光测距模式的30 dB提升至44 dB.实验结果表明采用相关检测方法可以提高激光测距机测距能力及精准度,具有一定实用价值.     

白天单光子探测激光测距

单光子探测激光测距是实现远距离高精度测距的一种重要方法。由于白天的背景噪声约为夜晚的100万倍,传统的单光子探测器白天极易饱和甚至损坏,单光子探测激光测距在白光背景噪声环境中非常难识别微弱的回波信号。本文发展了一种基于FP标准具滤光的单光子探测激光测距装置,采用532 nm窄带干涉滤光片和线宽为10 pm的FP标准具进行二级滤光,并且通过压电旋转台驱动FP标准具,使其中心波长与激光波长锁定,保持最大的透过率。该测距装置有效地降低了白光背景噪声,采用PMT单光子探测器,在532 nm波段实现了白天单光子探测激光测距。在实验中,阳光照度为1.1×10~4 lx时,背景光噪声计数被抑制到900 kcps,探测距离为1.4 km时,信噪比可达16 dB。     

脉冲串互相关方法在远程激光测距中的应用

基于单脉冲激光测距在远程激光测距中的局限性,提出了一种基于发射脉冲串与回波脉冲串互相关的信号处理方法。该方法将多个激光发射脉冲和回波脉冲作为一次连续信号同时数字化,然后进行互相关处理。采用激光强度与发射间隔可调的激光系统来模拟不同反射强度、不同距离的测距回波信号;通过处理不同信噪比的回波信号,来探究本方法对于回波信号信噪比的提升能力以及对于尖峰噪声的抑制能力。实验结果表明,该方法能够有效提高回波信号的信噪比,信噪比为0.11的弱回波信号经过处理后信噪比被提升到5.92,从而扩展了激光测距系统的测程,有效降低了探测系统的探测虚警率,提高了远程激光测距系统的弱回波探测能力。     

一种提高消防用光电观瞄系统激光测距精度的方法

针对消防用光电观瞄系统对激光测距的高精度要求,提出了一种提高激光测距精度的方法.该方法采用基于FPGA的延迟线内插技术来减小计数量化误差,并且以差分GPS标定数据为基准,运用分段线性拟合的方法对实测数据进行修正,通过与差分GPS标定数据比对试验验证表明,该激光测距系统精度可以达到0.8m,满足消防用光电观瞄系统≤1 m的测距精度要求.     

低值LD激光测距望远镜

研制成一种小型 ,低值 ,便携式 ,对人眼安全 ,无合作目标的 L RF- 1型系列 L D激光测距望远镜 .激光波长 90 5 nm ,激光峰值功率 17W,脉宽 2 5 ns,重复频率 10 0 Hz,系统的测距范围 1～ 10 0 0 m,望远镜放大倍率 6倍 ,测距精度 <± 1m,有多种工作模式 ,既能测距又能测速并具有省电功能 .L RF- 1型系列 L D激光测距望远镜是一种激光雷达系统 .本文对光子测距方程和 L D激光测距望远镜的优化设计进行了讨论 ,对系统的信噪比进行了分析     

高分辨率调频连续波激光绝对测距研究

大空间精密测量在重大装备制造、空间科技、国防工业等方面发挥着重要作用,激光高精度绝对长度测量是大空间精密测量领域的重要研究课题.调频连续波激光测距是近年来激光绝对测距研究的热点,它克服了脉冲法测量分辨率低和相位法激光测距存在2π缠绕模糊度问题的缺点,有着测量精度高、量程大的优点.本文研究了调频连续波激光测距的原理,分析了影响其测距分辨率的主要原因,证明了利用等光频间隔采样来抑制激光调制非线性对测距结果影响的可行性.该方法可以提高测距分辨率,且系统构成简单、实用性强.搭建了光纤调频连续波激光测距系统,并加入了辅助干涉光路对测量信号进行等光频间隔采样.利用该系统进行了测距分辨率实验,实验结果表明,本系统测量分辨率可以达到50μm,测量范围达到了10m.     

基于激光拍频高准确度相位式测距方法

介绍一种基于相位式激光测距的高动态、高准确度测距系统.系统引入光频调制技术实现激光拍频产生高频调制信号并完成信号的高速变测尺调制.在对回波信号进行鉴相时,为降低鉴相偏差采用无窗全相位谱分析并实现对测量信号的相位计算.计算表明,该方法可以有效抑制频谱泄露,减小噪声对测量结果的影响,提高鉴相准确度.实验表明该测距系统可以有效地解决相位法测距中存在的抗干扰能力差、距离模糊较难抑制等问题,调制信号频率为100 MHz、信噪比为30dB时测距准确度优于0.5mm.     

高频共振预探测多脉冲激光测距方法

在无合作目标激光测距中,提出了一种高频共振预探测和多脉冲相关处理对远目标距离进行高精度测量的技术方案.脉冲回波光电流信号经高频共振预探测电路进行放大滤波处理并转换为包含高精度定时特征点的高信噪比的双极性衰减振荡脉冲信号;之后利用多脉冲相关处理构造出的新脉冲函数进一步改善其信噪比.理论计算结果表明:最小可探测光脉冲电流仅为17 nA,与直接探测脉冲方法相比信噪比可提高60倍;在回波光电流脉冲峰值1:10000的动态范围内,走离误差小于0.1 ps.根据此原理研制出了脉冲激光测距仪,仪器在激光发射平均功率约为1 mW时,无合作目标测程大于2000 m,在1.5—300 m范围内测距精度达到±(3 mm+2 ppm),远目标测距精度为±(10 mm+10 ppm).该测距仪系统已用于全站仪产品中.     

一种基于雪崩二极管电容特性提取通讯波段单光子信号的方法

InGaAs/InP雪崩二极管(APD)可用于探测光通讯波段的单光子.APD工作于门模盖革模式时,单个光子引起的雪崩电流信号通常淹没在电容瞬时充放电脉冲中,光电流信号提取困难.本文通过调整实验参数和APD的寄生电容,使雪崩信号与放电脉冲在时域上有效叠加,并由高速比较器将光电流信号直接甄别出来.本文设计的基于InGaAs/InP APD的单光子探测系统,运行稳定,方法简单可靠,说明这种利用APD的电容特性提取单光子信号是一种有效的方法.     

提高近程运动目标实时测距性能的方法研究

为了提高机场泊位引导系统中激光测距的精度和频率,对测距方法、脉冲展宽的影响、系统接收信噪比、接收带宽、阈值设定方法等几个方面进行了研究。通过改进自触发脉冲飞行时间激光测距法,提高发射信号峰值功率,采用合适滤波器、减小接收系统带宽、设置自适应阈值等手段有效提高了测距系统对近程运动目标的测距性能。采用半实物仿真手段进行动态测距实验,结果表明,测距机的动态测量精度小于2cm,满足泊位系统测距性能的要求。     

基于蓝光外腔半导体激光器的水下调频连续波激光测距

采用商用405 nm FP蓝光激光二极管,外加反射镜组成窄线宽外腔半导体激光器,在1 kHz调制周期下获得了无跳模连续调频范围1.5 GHz,相干长度大于10 m的激光输出。注入电流直接调制进行扫频,搭建空间光干涉仪组成调频连续波激光测距系统,采用10 m延时光纤辅助干涉仪对拍频信号进行重采样,以降低调制非线性对测距精度的影响。在水箱中模拟海水的衰减系数,在9.5 mW的探测信号功率下验证了5 m距离的探测,最大测量偏差0.051 m。     

飞秒光频梳的任意长绝对测距

高精度测距在工业、航空航天、科学研究等方面都具有重要应用, 而不断发展的激光测距技术始终处于前沿研究领域. 本文研究飞秒光频梳绝对测距技术, 拓展光梳在长度测量领域的应用. 在利用脉冲激光进行任意绝对长度测量中常用到飞行时间法, 然而其测量分辨力受限于电子器件的带宽, 仅为毫米量级. 为克服这一缺点, 本文研究了光梳多脉冲序列之间的时间相干性, 结合多脉冲序列干涉法和飞行时间法提出了任意长绝对测距的方法, 搭建了基于改进型Michelson干涉原理的任意绝对测长系统, 通过同时测量多脉冲序列的一阶和二阶互相关信号, 可以分别计算出飞行时间的时间差, 即可得到被测距离. 利用光梳作为光源进行了0.6m的绝对测距实验, 将测量结果与高精度激光位移传感器的测量值进行比较, 实验结果表明本系统具有良好的测量线性度, 并且测距精度可达±0.5μm. 关键词： 飞秒光频梳 任意长绝对测距 飞行时间法 多脉冲序列干涉法     

脉冲激光测距回波信号时间选通处理技术

为了降低高重频脉冲激光测距回波信号的误识别率,提高测距性能,对高重频脉冲激光测距回波信号调理技术进行深入研究。采用FPGA作为主控芯片,产生激光调制脉冲,并根据被测距离3.33 μs～33.33 μs时间选通方波信号,驱动开关芯片产生与量程关联的时间波门,有效滤除脉冲回波中的干扰脉冲,该方法改进了常规脉冲激光测距信号处理系统的自动增益控制环节。测试实验结果表明:在脉冲回波信号60 dB的动态范围内,可有效滤除回波信号中引入的干扰脉冲,极大地降低了干扰脉冲误识别造成粗大误差的可能性。该方法可推广应用于脉冲激光测距信号处理系统,使系统测距精度提高12.6%。     

双调制深度大线性动态范围自适应PDH稳频方法

针对Pound-Drever-Hall(PDH)技术存在的线性动态范围窄、抗干扰能力弱的问题,提出一种基于双调制深度+双误差信号的PDH稳频方法。首先采用数字正交解调技术精确提取干涉信号相位以实现本振信号相位和干涉信号相位的自动匹配;然后利用透射功率信号P_tran和传统误差信号S_PDH构建一个新误差信号S_pre,以扩大PDH稳频系统的线性动态范围;接着,采用大调制深度对应的新误差信号S_pre实现快速捕获和预锁定;最后,采用小调制深度对应的误差信号S_PDH实现精确锁定。锁定后,可根据P_tran幅值变化自动切换调制深度和误差信号,实现大线性动态范围和高灵敏度的PDH稳频。研制了基于现场可编辑逻辑门阵列(FPGA)的稳频控制系统,对法布里-珀罗腔进行了锁定测试。实验结果表明,双调制深度+双误差信号的自适应锁定机制可极大地提高锁定系统的抗干扰能力,且锁定精度高,3小时腔长相对稳定度达5.72×10^-9,所提方法可以广泛应用于激光频率/谐振腔锁...     

强度调制532 nm激光水下测距

激光水下探测在水下目标搜寻、资源勘探等领域具有重要的应用,而散射是激光水下探测面临的主要挑战.载波调制激光雷达具有抗散射、抗干扰的优点,本文利用自行研制的532 nm强度调制激光源,在3 m长的水箱中搭建激光水下探测系统. 532 nm激光源最大输出功率为2.56 W,强度调制范围为10.0 MHz—2.1 GHz,光束发散角约0.5 mrad.通过在水箱中添加氢氧化镁(Mg(OH)_2)粉末,测量了不同浑浊度下水的衰减系数.采用相位测距的方法,目标反射光的调制信号为探测信号,对激光源进行调制的电信号作为参考信号,利用相关运算获得激光的延时时间,进而可以获得水下目标的距离.最大调制频率为500 MHz时,实现了距离为4.3个衰减长度目标的探测,测距误差约12 cm.探测距离越远,测距误差越大,调制频率越高,测距精度越高.