差分吸收相干激光雷达中偏振分集技术研究

为减小差分吸收相干激光雷达(DIAL)中偏振衰落对 回波信号功率反演精度影响,研究了偏振分集技术(PDT)在相干DIAL中 的作用,构建了利用STM32控制的双光束切换DIAL实验装置。依托构 建的装置,利用平衡探 测,分别采用PDT和一般外差探测完成多组次实验,应用单频检测方法得到20m光程下吸收 气体不同浓度下相干中频信号的振 幅值,并由此求解出on光和off光回波信号功率。对回波信号功率值差分信息与由HITRAN得 到的参考差分信息比较 发现:应用PDT能使探测分辨率提高4倍,对应到2km距离内,可以探测到3.5×10－6ppm的CO₂浓度变化,满足了 气候研究所需的优于1％的精度要求,验证了PDT消除偏振衰落以及提高相干DIAL分辨精度的 作用。     

双通道符合计数光子外差探测系统仿真构建与研究

本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中,将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统,能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数,提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应,以及光子符合计数原理,本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能,利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标,结果表明,双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加,两种计数模式的信噪比能够相差2～3 dB。针对该方法,又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明,随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大,系统信噪比先增大后减小,在kL=3附近时达到最大;背景噪声越大,饱和信号光子数越大,饱和信噪比越低;探测时长越长,饱和信噪比提高幅度越大;而在探测带宽之内,中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能,为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。     

不同气溶胶环境中相干激光雷达回波特性

基于Mie散射理论,给出了利用半解析蒙特卡罗法模拟气溶胶粒子对水平线偏振激光后向散射的主要过程;基于气溶胶和云的光学特性库,选择了4种典型环境、5种典型气溶胶组分和3种湿度条件,分别计算了1.5μm和2.0μm波段处后向散射回波的退偏度、偏振度和回波光子数,得到了后向散射光的偏振特性随各组分粒径的变化规律以及各气溶胶环境的后向散射激光回波特性,并分析了不同环境下达到相同探测性能时所需的激光功率比,为远距离高精度相干激光雷达系统的设计和分析提供了参考。     

基于调制传递函数的激光反射层析成像质量评价方法

激光反射层析成像技术作为实现空间目标远距离、高精度探测的有效途径之一,其成像质量的优劣对目标的探测精度有着很大的影响。将调制传递函数引入到激光反射层析成像质量评价中,通过求解激光反射层析成像系统的调制传递函数,得到变量为距离分辨率的调制传递函数曲线,在无需先验图像的情况下实现了对激光反射层析成像质量的定量评价,并搭建实验系统进行了验证。实验结果表明,基于调制传递函数曲线得到的距离分辨率与实验系统距离分辨率的理论计算值基本一致,该评价方法能够准确直观地描述激光反射层析成像质量。     

光电侦察技术发展现状与趋势

随着光场多维度调控、高灵敏度光电探测和新型材料等技术的进步,传统光电侦察系统的信息获取能力有了长足进步,但在日益智能和复杂的信息域作战中仍需提升探测精度、信息获取维度和可靠性。分析了光场的多维物理量在光电侦察中的作用机理;总结了光电侦察中光场调控的发展现状,归纳了振幅、传输方向、频率、相位和相干性等物理量的调控能力,分析了典型光电器件在光场调控中的作用;综述了光电侦察技术的发展现状,总结了光电侦察面临的挑战。最后,对光电侦察在人工智能赋能、集成化、全光波段动态侦察和主动多光谱探测模式等方面的发展趋势进行了展望。     

变速目标的光子回波外差信号处理方法研究

变速运动目标的中频信号特征频谱具有连续集中的多频分量,且具有一定的多普勒展宽,在背景噪声和暗计数的影响下,光子回波外差信号的信噪比较低时,使用传统的信号处理方法得到的中频信号频谱以及时频分析特性效果较差。为提高信噪比,本文提出了将稀疏度自适应压缩感知和密度聚类相结合的信号处理方法,并采用该方法对变速目标的光子回波外差信号进行处理。该信号处理方法解决了变速目标频谱稀疏度K无法提前确定的问题,而且只需要较少的观测数据就可以重构信噪比较高的中频频谱。此外,该方法结合密度聚类算法对中频频谱进行了第二重去噪,大幅度减少了噪声分量。研究结果表明,该信号处理方法能够将信噪比提高一定幅度且多普勒展宽精度误差在10%以内,可以得到较为完整的重构中频信号频谱,同时较好地解决了信号时频分辨率较差的问题以及单光子探测等间隔时间序列造成的时频图中的倍频现象,得到了更好的时频特性描述。     

风场扰动的相干激光探测建模仿真研究

为了实时掌握机场上空的风场及扰动情况信息, 保障航空飞行安全,提出一种运用相干激光探 测风场扰动的方法。在解算背景风场矢量速度模型的基础之上,建立解算风场扰动矢 量速度的模型。 基于相干激光回波信号的径向速度仿真,为解算风场扰动矢量速度提供可靠有效的径向风速 数据。在噪声 干扰情况下,采用阻尼最小二乘算法解算风场扰动矢量速度,并对比分析在不同扫描方 位角间隔下解算 得到的风场扰动矢量速度。仿真结果表明,扫描方位角间隔越小解算结果误差越小,当扫 描方位间隔小 于60°时,风场速度扰动量均方误差(MSE)小于1m/s,水平方向扰动量小于4°。     

反射层析激光雷达实现小远目标超分辨成像

<正>反射层析激光雷达是一种新型成像探测技术手段,探测系统发射脉冲激光束对目标进行全覆盖,通过其与目标之间的相对运动,多角度准确获取包含目标表面反射分布信息的回波数据,并解算得到反射系数投影分布。根据傅里叶切片定理,投影数据的一维傅里叶变换和目标投影图像的二维傅里叶变换相等,利用专用算法进行重构处理,从而实现激光垂轴方向的目标投影成像。该成像方式在激光回波信噪比足够大的情况下,成像分辨率与探测距离、系统孔径无关,而主要与激光脉冲宽度、探测电路带宽和采集系统采样率有关。     

2.79 μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验研究

开展了不同重频下2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤实验。基于传热学理论,利用有限元法对2.79μm中红外激光辐照PbS探测器中的温度分布进行了数值分析,并比较了脉冲数目、重复频率对损伤效果的影响,分析了2.79μm中红外激光辐照PbS探测器的损伤机理,获取了相关阈值数据。研究表明,2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤机理主要以热熔融为主,在温度没有达到PbS熔点时,PbS就会发生热分解反应,析出黄色沉淀物PbO;计算得到单脉冲2.79μm中红外激光对PbS探测器的损伤阈值为13.03 J/cm²,且脉冲数目、重复频率对损伤效果影响很大,损伤累积效应明显。理论模型能够较好地解释PbS表面初始损伤形貌特征。     

大气湍流对相干激光雷达CO2探测精度影响研究

为研究大气湍流对激光回波的光强起伏、漂 移、波前畸变以及偏振退化的影响,计算了大气后向散射回波在不同探测高度下的信噪比 (SNR),结合Hufnagel-Valley模型 分析了球面波大气闪烁调制因子,得到了近地大气光强起伏方差;利用模式匹配数值积分方 法,得到了不同高度的空间 光-单模光纤(SMF)的耦合效率;从光场复振幅和探测面上光斑的爱里斑模型出发,研究了 空间相位起伏对外差效率的影响;最 后基于20m气体池差分吸收探测CO₂浓度的实验数据,分析大气 湍流对外场实验影响。结果表明,大 气湍流会使系统精度降低1.21倍,20m光程下系统精度由424.83×10－6变为514. 04×10－6,性能下降严重。本文所作的分析对差分吸收相干激光雷 达(DIAL)外场实验有重要参考意义。