少光子灵敏度精密激光测距方法及验证

针对传统线性探测激光能量需求高、光子计数难以区分信号和噪声的特点,提出了一种基于少光子的高精度激光测距方法。利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）作为回波探测器,并对脉冲测距系统的回波响应模型、噪声特性以及测距精度进行分析。搭建了实验验证系统,实现了在激光波长为532 nm、能量为10 nJ的条件下,对107.86 m处的面目标进行测距。实验结果表示,系统的噪声为随机分布,且噪声幅度不超过3个像元同时响应量级,鉴别阈值略大于该值时,即可清晰地分辨出信号和噪声;对于包含32个光子的回波信号,探测器中发生雪崩像元的个数约为4个,此时系统测距精度达到3=3 cm。     

多普勒测风激光雷达中马赫-曾德尔干涉仪的视场展宽技术研究

火星大气风速廓线探测对研究火星大气环境具有重要意义,基于马赫-曾德尔干涉仪的多普勒测风激光雷达相对于一般的相干/非相干多普勒测风激光雷达更适合于火星地基探测。为使马赫-曾德尔干涉仪对激光雷达中望远镜接收到的大视场角回波光信号进行频移检测,需要对马赫-曾德尔干涉仪进行视场展宽。对马赫-曾德尔干涉仪中棱镜式视场展宽技术与"猫眼"光学系统的视场展宽技术进行研究后发现,棱镜式视场展宽技术更具优势。设计并搭建了一套光程差为219 mm的马赫-曾德尔干涉仪,使用压电晶体扫描反射镜片的方式测量其对以11 mrad视场角入射的准平行光束的透射谱,得到干涉仪最大的干涉对比度为0.87,满足多普勒测风激光雷达的使用需求。结合地球大气环境分析了干涉仪干涉对比度随高度的变化,结果表明:虽然大光程差马赫-曾德尔干涉仪的干涉对比度在5 km以下低空大气中随高度增加有小幅下降,但仍可使用这种干涉仪进行大气风速探测。     

基于实时视轴跟踪的像移补偿技术研究

为解决画幅式扫描红外成像技术中翼展摆扫引起的严重像移问题,提出了一种基于实时视轴跟踪的像移补偿技术,对于瞬时视场为100μrad的成像系统,像移补偿精度可达±0.005°(±87.3μrad),补偿效果优于1个像元。该技术能够实现翼展摆扫像移的高频补偿,研究成果对推动机载红外成像技术向宽视场、高空间分辨率方向进一步发展具有重要意义。     

一种大测距动态范围高重频相干测距测速激光雷达(Ⅱ): 信号调制

针对"双频双调制双本振(DFDMDL)"大测距动态范围高重频相干测距测速体制,分析了该体制信号调制需要考虑的调频线性度、发射光和本振光信号的"幅-频"特性、对称三角线性调频(STLFM)信号的周期稳定性等因素,通过参数的对比、仿真及实测,提出了适合本系统的信号调制方案.实测结果表明,采用声光移频器(AOFS)外调制提供高线性度STLFM信号,直接数字频率合成(DDS)驱动AOFS,通过DAC调节射频驱动源功率补偿AOFS非平坦的"幅-频"特性,以及基于FPGA的高精度时间测量系统监测STLFM信号周期及测量多个STLFM周期间的时间差,可以使该"双频双调制双本振"体制具有较高的距离测量精度,并为通过脉冲积累减小发射能量的途径提供了可能.     

背景辐射功率对星载激光高度计信噪比的影响研究

"嫦娥一号"卫星的有效载荷激光高度计通过测量发射与接收信号之间的时间间隔,获得星-月距离数据.本文分析了背景辐射功率、倍增因子与激光高度计最佳信噪比之间的关系,并利用积分球进行了不同背景辐射功率下的信噪比试验,验证了背景辐射功率以及雪崩二极管倍增因子对接收系统信噪比的影响.结果表明,在不同的背景辐射功率条件下,存在不同的最佳倍增因子,使接收系统获得最大信噪比.     

激光高度计探测视场角的测试研究

激光高度计的探测视场角是影响系统性能的一个重要参数,论述了视场角对系统探测性能的影响.受到回波杂散光和探测器响应不均匀性的影响,激光高度计的探测视场会随回波能量的改变而发生变化,而回波能量随探测距离发生变化.本文提出了测试激光高度计整机探测视场角的方法,并且模拟了系统在实际工作状态时的情况;对于有近程延时保护的系统,给出了测试的解决方案.对设计视场角为1.5m rad的激光高度计进行了测试,调节模拟回波信号能量至5×10-8W,模拟其工作距离为200km时的工作状态,得出系统的探测视场角为1.46m rad.     

空间位姿测量中面阵点云CPD方法的优化及验证

面阵激光成像雷达可以实现瞬态三维探测,适用于运动平台及非合作目标的位姿测量。针对相邻像元间具有串扰特性的面阵非均匀格网型稀疏点云,提出了一种适用于空间非合作目标位姿测量的多视角点云自动配准方法。该方法基于改进的相干点漂移(Coherent Point Drift, CPD),将目标点云视为观测数据集,源点云视作为高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)的质心点集。利用贝叶斯后验概率公式及期望最大化(Expectation-Maximum, EM)方法,对构造的GMM模型似然函数进行求解,在寻优过程中通过点云重叠特性对运算点集的权值参数进行自适应调整。对单次EM迭代后源点云间距离残差进行排序,选取最优变换点云对使用最近邻方法建立局部扰动量,得到每次漂移迭代的空间变换矩阵。为了避免陷入局部解,通过监督点云均方误差更新率,对参与漂移运算的点集属性进行交替。针对空间配准目标,建立了两种近似运行下的阵列成像仿真工况。试验结果表明：在强背景及像元模糊干扰下,该配准框架具有鲁棒性优势,其结果平均最大公共点集测度相对于粗+精组合配准框架提升约61%,可应用于空间面阵平台下...     

激光诱导现场探测月壤成分的可行性分析

为了验证激光诱导离解光谱技术在月球环境条件下月壤成分现场探测的可行性，设计了一套实验模拟装置，以合成月壤样品为检测目标，Nd:YAG激光器为光源，线列CCD光栅光谱仪为光谱的采集系统，真空罐模拟月球气压环境。用高纯度Fe2O3,Al2O3作为标准参考光谱样品提高识别精度。实验结果说明在模拟环境下利用激光诱导探测手段能够采集到样品的原子发射光谱，并完全可以定性识别物质中含有的成分。     

GPS伪卫星信号捕获的仿真分析与研究

GPS伪卫星是模拟GPS卫星信号的地面发射设备。其终端接收设备的射频前端将天线接收到的伪卫星信号变换为中频信号,再经模拟数字转换,便可得捕获的原始信号。采用专用集成电路设计的GPS接收机极大地限制了用户对原始信号的性能分析和新算法的开发,而基于FPGA DSP架构的设计能提高研究的自由度。本文先对GPS伪卫星信号的形成和接收机的结构作扼要介绍,再对伪卫星信号的搜索算法和捕获性能做分析,并通过频域FFT实现仿真。结论表明,通过仿真技术能有效地复现出了捕获的GPS伪卫星信号。