单光子模式激光测高探测概率模型与精度分析

单光子模式激光测高仪具有灵敏度高、重复频率高、重量轻、体积小等诸多优势,其代表着新一代天基激光雷达的未来发展趋势。对常见的高斯回波波形,基于激光雷达方程、单光子探测器统计特性,建立了单光子回波探测概率模型,基于该模型进一步推导了测距误差的量化关系式,并利用蒙特卡罗方法对所建模型进行了仿真验证。理论分析和仿真计算表明:回波脉宽越窄,测距的系统误差和随机误差越小;回波强度越大,测距的随机误差减小,但系统误差增大。以均方根脉宽为1.5ns的高斯回波为例,忽略噪声影响,当平均信号光子数为1时,单次测距系统误差约6cm,随机误差约22cm。     

大光斑LiDAR全波形数据小波变换的高斯递进分解

高斯分解是波形激光雷达数据预处理的常用方法,但在应用于大光斑全波形激光雷达数据中的叠加波时却难以发挥作用,为此提出一种基于小波变换的高斯递进波形分解方法.首先,利用小波变换多尺度分析特性检测出目标地物并准确估算组分特征参数,进而建立高斯模型优化特征参数;然后通过拟合精度指标,判断是否需要添加新组分进行逐级递进分解,确定最终模型及其组分构成,最终实现全波形激光雷达数据的波形分解.为了验证算法的有效性,分别对实验数据使用本文算法和常用的基于拐点匹配的高斯分解法进行分析,结果表明,本文算法提取的目标数几乎是拐点匹配算法的2倍,可以有效地从叠加波中检测出目标组分,且拟合精度高于98%.     

基于高斯插值提高雷达测距精度的研究

本文结合脉冲法雷达测距原理,分析了距离量化误差产生的原因。针对LFM信号加入高斯白噪声作脉冲压缩得到的脉压波形,结合先验信息,将脉压结果主瓣内的波形近似为高斯分布,利用脉压结果中采样最大值点和次大值点的位置信息和幅度信息作高斯插值处理,预估脉压波形真实峰值时间。仿真结果表明,通过高斯插值处理,距离量化误差显著减小,雷达测距精度明显提高。     

基于粒子群算法的3维激光雷达回波分解

为了提高3维激光雷达回波分解的精度和准确度,采用粒子群算法与最小二乘法相结合的方法,分析了激光雷达回波分解原理以及粒子群算法原理,研究了粒子群算法在激光雷达回波信号分解中的应用;进行了理论分析与实际数据验证,取得了实际激光雷达回波数据的分解结果。结果表明,采用粒子群算法与最小二乘法相结合的分解方法,激光雷达回波可以更高精度地分解为一系列单个波形的叠加,并获得了延时、强度及脉宽等参量,拟合度提高至0.989,一定程度上抑制了噪声的干扰。该算法可以有效提高激光雷达回波分解的精度。     

高斯拟合误差对测距精度的影响

给出了激光测高仪接收信号模型的建立过程,并模拟了斜坡地形下接收信号的波形图.为了判定是否可以将接收信号简化为高斯信号处理,提出了以高斯拟合误差对测距精度的影响作为判定依据.以MOLA系统为例,采用LM非线性拟合算法,得到了不同目标倾斜角及阈值情况下,最优化高斯拟合波形与实际接收信号波形的误差.详细分析了MOLA系统中拟合误差对系统测距精度的影响.结果表明,这个影响相对于系统测距误差而言,可以忽略不计.因此,将MOLA系统的接收信号简化成高斯信号处理是完全可行的.     

激光雷达测距系统光源驱动设计

脉冲式激光雷达探测性能与激光光源发出的光脉冲密切相关,而激光二极管(LD)驱动电路性能直接决定了光脉冲的优劣。基于激光雷达系统要求,选用超快速金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)作为开关器件,建立驱动电路模型,对驱动电路设计与分析,经过多次试验,成功设计出最小脉宽10 ns,上升沿3.5 ns,重复频率可达50 kHz的LD驱动电路。驱动LD峰值功率将近60 W,成功用于激光雷达光源部分,测距精度达到3 cm/10.77 m,满足激光雷达系统要求。     

改进的峰值检测反距离加权插值算法

采样频率限制和回波脉冲展宽是导致数字化激光脉冲测距峰值检测精度低的主要原因。传统的反距离加权插值算法只能解决低采样频率的问题,却无力解决回波脉冲展宽的问题。针对该问题,根据回波时间能量分布模型,从采样得到的峰值位置分别向上升沿和下降沿方向搜索,各自对搜索半径内的采样点按照距离远近赋予不同权重和插值,然后加权平均提取修正后的峰值时刻。该改进算法有效地解决了回波展宽的问题,减小了低采样频率和回波脉冲展宽带来的测量误差,通过实验论证了算法的有效性。     

基于欠采样谱分析的激光拍频相位式测距方法

介绍了一种高精度相位式测距方法,载波通过双频氦氖激光器加偏振器产生1.08 GHz光强调制的拍频信号来实现,以克服半导体激光器的调制带宽限制,从而提高测距精度。为降低高速ADC实现难度,根据带通抽样定理,采用欠采样的方法采集波形数据,分析了其理论依据;然后通过全相位谱分析法对采样数据进行鉴相,并重点分析了鉴相数据的截取问题。搭建系统实验,在采样率为50 MSa/s时,157个欠采样数据就能实现0.1 mm左右的测距精度。实验表明,应用欠采样全相位谱分析法,以远低于测尺频率的采样率采样依然能实现高精度测距。     

LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Q高重频窄脉宽激光器

激光二极管(LD)泵浦的Q调制高频率、窄脉宽、高峰值功率的固体激光器在激光雷达、激光加工等领域日益得到广泛的应用,而更高调制频率的固体激光器在将来会更受青睐.分析了泵浦功率和输出透过率两个因素在10～100 kHz调制频率下对脉宽的影响程度.研制了LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Q激光器,实现了重频100 kHz下窄脉宽激光输出.在重频为80 kHz时,获得脉宽17.7 ns,平均输出功率3.49 W,峰值功率2.46 kW和在重复频率为100 kHz时,获得脉宽19.6 ns,平均输出功率3.52 W,峰值功率1.79 kW的效果.     

短脉冲在色散平坦光纤中传输前后波形、相位和啁啾测量的实验研究

二次谐波频率分辨光学门(SHG-FROG)是能够准确测量短脉冲多项特性参量的新技术。利用二次谐波频率分辨光学门脉冲分析仪对在色散平坦光纤中传输前后的短脉冲进行了测量,得到了待测光脉冲的频率分辨光学门(FROG)图、自相关曲线、自相关频谱曲线、波形和相位曲线以及脉宽、谱宽、啁啾等反映短脉冲特性的信息,对实验结果进行了分析,并与高斯脉冲在单模光纤中的线性传输理论进行了比较。结果表明,激光器输出的短脉冲是具有负线性啁啾的近变换极限高斯脉冲,经过12.7 km色散平坦光纤传输后仍然为具有负线性啁啾的高斯脉冲,其谱宽在传输过程中基本保持不变,脉宽展宽了3.1倍,啁啾增大了4倍。实验测量结果和理论预期一致。     

云雾干扰条件下激光引信高斯分解测距方法

在云雾影响下,脉冲激光引信存在着虚警概率高、测距精度差的问题,这些问题是制约激光引信全天候工作的主要问题。为了降低云雾对于全波形采样激光引信的影响,提出一种基于高斯分解的回波脉冲处理方法,采用高斯模型将回波信号分解成单独高斯脉冲的形式,根据波形特征分辨出真实目标回波与云雾后向散射回波。从理论仿真和实验上对比了该方法与数字互相关方法的性能差异,结果表明:在能见度小于4 m的云雾条件下,数字互相关法测距精度恶化到1.6 m,而高斯分解法能够实现0.18 m的测距精度,优于互相关处理方式。该方法为激光引信在云雾环境下高精度测距提供了新的数据处理思路。     

Optical A/D Conversion by Time-Interweaved Sampling

A time-interweaved sampling scheme for optical A/D conversion is proposed, and to demonstrate this technique 2.5 GHz sine microwave signal is sampled at a rate of 16×2.5 GHz. 29dB signal-to-noise rate is acquired after processing the experimental data. In this paper we analyse the impacts of the imperfect optical sampling pulses, including the waveform, pulse width, and time jitter, and then discuss the way to improve the sampling precision.     

微带宽缝天线的谐振频率和带宽特性

借助时域有限差分法(FDTD)对微带宽缝天线的频率和带宽特性进行了分析讨论.采用高斯脉冲激励,对计算空间采用非均匀网格划分,通过FDTD,一次计算就可得到天线谐振频率和带宽的参数.研究了微带宽缝天线的频率和带宽特性随着缝宽变化的规律.发现当缝宽从1mm增加到30mm时,天线的谐振频率从3.4GHz降低到2.3GHz,天线的10dB带宽可从9%增加到28%.     

Optical down-sampling of wide-band microwave signals

Phase-encoded optical sampling allows radio-frequency and microwave signals to be directly down-converted and digitized with high linearity and greater than 60-dB (10-effective-bit) signal-to-noise ratio. Wide-band electrical signals can be processed using relatively low optical sampling rates provided that the instantaneous signal bandwidth is less than the Nyquist sampling bandwidth. We demonstrate the capabilities of this technique by using a 60-MS/s system to down-sample two different FM chirp signals: 1) a baseband (0-250 MHz) linear-chirp waveform and 2) a nonlinear-chirp waveform having a 10-GHz center frequency and a frequency excursion of 1 GHz. We characterize the frequency response of the technique and quantify the analog bandwidth limitation due to the optical pulse width. The 3-dB bandwidth imposed by a 30-ps sampling pulse is shown to be 10.4 GHz. We also investigate the impact of the pulse width on the linearity of the phase-encoded optical sampling technique when it is used to sample high-frequency signals.     

全局收敛LM 的激光雷达波形数据分解方法

全波形激光雷达是遥感领域的新兴技术,相比传统激光雷达,它对后向散射回波进行全数字化的记录,通过分解返回波形能够得到更加丰富的地物属性信息,因此波形分解是激光雷达全波形数据处理的核心内容。针对传统LM算法容易陷入局部最优解的问题,提出一种全局收敛LM的激光雷达全波形数据分解方法。该方法引入全局收敛LM算法对波形进行拟合,获得波形分量参数的最优解,利用迭代的波峰检测策略实现复杂重叠波形分量的逐步分解。通过对GLAS、LVIS与Lite Mapper-5600的波形数据分解实验证明:该方法相比传统LM算法能够得到更具鲁棒性的波形分解结果,并且适用于星载波形数据、机载大光斑以及机载小光斑波形数据,具备较高实用价值。     

基于有限新息率的THz脉冲信号采样和恢复

为了降低硬件设计的难度,采用有限新息率(FRI)理论,通过选择合适的采样核函数,对太赫兹脉冲信号以高于信号的新息率的速率进行采样,进而利用子空间算法对它的自由参量进行估计,重建出原始信号。一般信号的新息率远远低于信号的带宽,这样就大大降低了采样速率。通过延时估计误差,验证FRI采样理论对太赫兹脉冲信号采样的正确性以及子空间算法对信号重建的有效性。     

低信噪比下机载平台多脉冲激光测距机目标回波降噪算法

针对远距离飞机目标,机载多脉冲激光测距机通常采用数字化处理体制,影响其测距精度的因素包括发射激光脉冲宽度的距离分辨率、大气传播及目标反射特性造成的波形展宽、回波信号接收处理通道的非线性相频特性等。数字化采样率、回波信号降噪、目标峰值点位置估计等数字化处理过程引起较大的目标距离定位误差。提出了基于经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）和重构的回波降噪方法,首先对脉冲激光目标回波波形进行建模,然后分析了现有数字化回波降噪算法的性能及其对定位精度的影响。实验结果表明,所提方法可以准确提取目标峰值点位置,改善激光测距机的目标定位精度。     

基于可变分量的参数随机抽样的激光雷达脉冲波形分解

激光雷达脉冲回波的波形分解方法是提取其波形参数的重要手段，也为反演目标高度、倾斜度和粗糙度、反射率提供直接的参数来源。针对部分信噪比较差且具有一定混叠程度的脉冲回波，提出一种基于可变分量的参数随机抽样方法的波形分解算法（WDVCM）。该算法以高斯混合函数为优化模型，通过随机产生高斯分量的特征参数以及删减或生成高斯分量等操作，并分别基于能量函数和拟合标准差作为参数优化的判据，从而实现波形的分解及其参数提取。利用该算法对美国国家航空航天局（NASA）的对地观测星载激光雷达（GLAS）一个条带中的4584个原始波形进行了处理分析。结果发现，约99%的WDVCM和97%的NASA拟合波形结果的相关系数均超过0.95，其中两者相关系数差异不超过0.05占98%。同时，WDVCM和NASA拟合波形的标准差系数均值分别为2.21和3.28，约89%的WDVCM拟合波形的标准差系数均小于NASA拟合波形的标准差系数。所得结果表明，WDVCM对混叠高斯波形的拟合效果更好，适用性更强。