Delayed range-gating super-resolution imaging lidar with high accuracy

We present a range-gating delayed detection super-resolution imaging lidar with high accuracy based on the signal intensities of three consecutive delay samples. The system combines the range and signal intensity information from multi-pulse detections to calculate the pulse peak position under the assumption of a Gaussian pulse shape. Experimental results indicate that the proposed algorithm effectively calculates pulse peak position and exhibits excellent accuracy with super-resolution. Accuracy analysis shows that accuracy is best improved by enhancing signal-to-noise ratio, strategically selecting samples, reducing pulse width, and appropriately choosing the delayed periods between samples.     

空间环境之光学探测

 自然界中多姿多彩、纷繁变幻的光学现象激励人们不断认知和探索丰富的未知世界。在地球大气层之外, 存在一个叫做“空间环境”的领域, 它涵盖从离地面大约20 km 开始一直延伸到太阳的广阔空间。     

基于数字非线性锁相环的相干态相位估计

基于量子理论获取相位参数的导航机制,理论上可以突破经典物理极限对导航精度的限制.利用量子零拍探测对相干态光场相位进行测量时,通常需要相位与之正交的本振光才能使测量精度达到量子标准极限.由于导航信号相位的高非线性特点,想要利用传统的线性锁相环获取完全满足条件的本振光具有一定的难度.为此,本文设计了一种基于容积准则的非线性锁相环,实现了在非正交本振光的条件下对相干态相位进行精确测量的功能.首先,利用相干态的Wigner函数推导了其相位在量子零拍探测的输出结果,设计了量子相位估计的非线性数字锁相环框架.然后基于正交单纯形容积准则设计了非线性滤波算法实现锁相环功能,该锁相环通过对本振相位进行多次状态更新,最终实现非线性迭代估计.实验结果表明,本文方法突破了本振光相位需与相干态相位正交的局限性,避免了传统量子锁相环方法引入的线性化误差,实现了对相干态相位的准确、稳定估计.     

曲波域统计量自适应阈值探地雷达数据去噪技术

非线性、非平稳探地雷达数据常掺杂各种复杂噪声源,其对精确提取弱反射波信号、识别绕射波双曲线同相轴特征具有严重影响,忽略噪声影响给探地雷达探测数据全波形偏移成像及后续解译造成较大误差.采用传统阈值函数的曲波变换去噪需要根据数据噪声水平人为确定合理阈值控制系数.对此,本文开展自适应阈值函数的曲波变换去噪算法研究.引入块状复数域阈值函数算法,分析传统阈值函数曲波变换去噪的效果随阈值控制系数变化的规律;利用高阶统计量理论,对曲波变换系数在尺度、方向上进行相关性叠加,通过相关性统计量自适应确定有效信号在曲波变换系数分布尺度、旋转方向,由此确定清除噪声成分阈值范围,构建统计量自适应阈值函数曲波变换去噪算法.针对包含随机噪声、相关噪声合成探地雷达数据及实测探地雷达数据,采用传统阈值函数曲波变换去噪与本文提出去噪算法处理结果对比分析,检验了本文算法的有效性及可行性.研究成果对复杂探地雷达数据精确推断解译具有指导意义.     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

火星车载激光诱导击穿光谱仪(MarsCoDe)在轨定标样品选取研究

我国首次火星全球遥感与区域巡视探测任务已获批立项,首个火星探测器也即将前往火星。为满足火星物质成分分析的需求,我国研制了不同类型的火星物质成分分析仪器,其中包括火星表面成分探测仪（MarsCoDe）,应用了激光诱导击穿光谱技术（laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS）。火星表面覆盖尘埃,探测仪器想要准确获取火星尘埃之下的物质成分,必须剥去尘埃或者进行破坏从而深入岩层取样。LIBS可以用激光烧蚀待测物体表面,获得深部物质光谱信息,在火星表面探测中具有其他仪器无法取代的优势。LIBS在火星探测中几乎适用于探测每一个元素,包括轻元素H,Li,Be,B,C,N,O等,帮助寻找有机物和含水地质过程的证据。由于LIBS在火星环境工作,等离子体的物理性质与地球上完全不同。为了确保火星车载LIBS返回数据的光谱质量,需要对LIBS在着陆后开展在轨定标。借助火星车的携带在轨定标样品,对探测数据进行在轨定标,确保返回数据的可靠性。定标样品的选择是一项十分重要的工作,存在仪器工程条件限制、定标样品类型的代表性、元素成分分布范围、样品稳定性等多种考虑因素,需满足科学任务的同时达到加工工艺要求。总结了国外已有的火星车载LIBS在轨定标的研究进展,重点分析了LIBS在轨定标样品选择依据、国外选择样品的优缺点,并总结经验提出了几点建议,为我国在轨定标工作提供参考。对火星探测数据的正确解译,对未来研究火星的起源、火星的长期地质演变过程等具有重要的科学意义。     

用于GPPD谱仪的大面积闪烁体中子探测器性能测试

中国散裂中子源（Chinese Spallation Neutron Source,CSNS）的建成为中子散射技术的发展和应用奠定了基础。通用粉末衍射谱仪（general purpose powder diffractometer,GPPD）是CSNS一期建设的三条谱仪之一。研制了用于GPPD的大面积闪烁体探测器阵列,在CSNS的BL20中子束线上开展了探测器关键性能参数的实验测试。测试结果显示,对波长为1.4 Å和2.8 Å的中子,其探测效率分别为（38.5±1.7）%和（56.1±1.1）%,模拟与实验相结合,给出对2 Å的中子,其探测效率约为（46.1±2.0）%,有效面积内的探测效率不均匀度约为19.6%,经优化后可以降低到14.9%;探测器位置分辨可以达到4.0 mm×4.0 mm,最高计数率约79 kHz。探测器单元的整体性能指标能满足GPPD的物理需求。     

1.6μm相干激光测风雷达的速度标定研究

介绍了相干激光测风雷达系统中用转盘进行速度标定的方法,在实验室搭建了激光雷达速度标定装置。采用1.645μm种子注入单频脉冲激光器,在激光中心频率相对种子光移频量约62MHz、转盘直径300mm、转盘速度-47.12～47.12m/s可调、激光出射方向和转盘线速度方向夹角为36°时,采用相干探测的方法测出了多普勒频移并反演出了测量速度;数据处理过程中分别采用最大值频谱估计法和频谱对齐法计算多普勒频移和转盘速度。实验结果显示,频谱对齐法相对于最大值频谱估计法能够提高36.3%的测速精度,因此在激光雷达测风系统中采用频谱对齐法相对于常用的最大值频谱估计法测量的风速精度更高,这对提高相干激光雷达测风的风速精度提供了实验依据和参考标准,验证了频谱对齐法在激光雷达测风的数据处理中的可行性。     

基于蒙特卡罗法的水下激光光幕探测性能研究

为了提高水下激光光幕的探测性能, 根据水下光束传播规律, 构建了水下激光光幕探测模型, 基于蒙特卡罗模拟方法对水下激光光幕探测性能进行研究。基于水下激光光幕探测模型, 利用MATLAB软件进行仿真, 分析海水衰减系数、初始功率及传输距离对水下激光光幕传输的影响。仿真结果表明:海水的衰减系数越小, 水下激光光幕传输率受到的影响越小。海水参数和传输距离一定时, 随着初始功率的增加, 只会影响到达探测端的最终功率, 但对传输率影响不大。当海水衰减系数一定, 传输距离为1 m时, 其传输率约为15%且变化稳定; 当传输距离增加到30 m时, 传输率在5%以下。     

波导H-T纵向双缝耦合器的研究

提出一种波导H－T双缝耦合器,并用矩量法对其进行了分析计算、结果表明这种耦合器反射系数小、耦合度频响特性好,优于单缝耦合器。