距离漂移误差抑制获取Gm-APD激光雷达高精度三维像

由于Gm-APD存在第一光子偏移效应，Gm-APD激光雷达存在距离漂移误差，并引起距离像的畸变。提出了两种抑制距离漂移误差的方法，并完成了实验验证。利用信号复原算法从光子计数分布图中复原了信号光电子数分布图。第一种方法采用双高斯函数对光电子数分布图进行拟合，并利用峰值位置计算距离。第二种方法采用质心算法对光电子数分布图进行加权计算并获取距离。采用6 ns脉冲宽度的激光，利用两种方法都获取了目标的高精度距离—强度三维融合像。两种方法的强度测量相对精度都小于3%。信号复原&双高斯拟合寻峰法的测距精度为1.2 cm。信号复原&质心算法的测距精度为0.6 cm。     

高灵敏度的光子偏振激光雷达系统

在空间目标探测中,由于远距离、小目标的特点,回波信号十分微弱,传统的激光雷达不能很好地探测如此微弱的信号。而且现在空间目标探测不仅需要距离信息,还希望获得目标的强度、偏振等更加多维的信息。提出了基于Gm-APD单光子灵敏度探测器的四路光子偏振探测系统,以Gm-APD探测器的泊松概率响应模型为基础,推导了回波微弱信号的强度解算公式,通过四路的强度解算出回波信号的偏振信息,在实验室搭建了四路Gm-APD光子偏振探测系统的原理样机,并介绍了四路Gm-APD光子斯托克斯参量的探测实验。在平均每个脉冲回波能量为7.7810-19 J的情况下,获得3.95%的线偏振误差和5.84%的椭圆偏振误差的探测结果。     

一种新型的抗干扰高精度混沌激光雷达

提出并研究了一种新型的具有天然抗干扰能力的,高精度混沌激光雷达.此激光雷达基于光反馈半导体激光器的连续波混沌激光的相关特性探测目标距离.数值分析了混沌状态和相关时间对混沌激光δ线型相关曲线特性的影响,表明高维、频谱平滑的混沌激光是理想的雷达光信号.实验验证了基于光反馈半导体激光器的混沌激光雷达测距及其高抗干扰能力,并获得了与测量距离无关且优于9 cm的测量分辨率.     

衰减片提高多脉冲Gm-APD激光雷达的探测性能

从Gm-APD的泊松统计的雪崩探测模型出发,在长死时间情况下,提出了一种提高Gm-APD激光雷达探测性能的方法。利用衰减片控制信号和噪声的强度,实现了多脉冲探测Gm-APD激光雷达的探测概率、虚警概率和测距误差的提高。研究结果表明:随着衰减片透过率的变化,探测概率存在最大值,测距误差存在最小值,将衰减片透过率控制在0.33~0.20之间,探测距离为1.5 km时,探测概率能提高1倍,测距误差可以从m量级提高到cm量级。     

荧光偏振短距激光雷达测量生物战剂/气溶胶

基于激光诱导荧光（LIF）原理和弹性散射作用于非球形粒子上产生的偏振特性,设计研制了短距测量荧光和偏振激光雷达:采用了三个激光光源、两个接收望远镜、一个退偏组件和一个荧光光谱特征分析光谱仪,设计遥测探测距离为200 m至数千米。荧光测量采用了Nd:YAG激光器的三倍频355 nm和4倍频266 nm输出,激光束脉冲宽度约为6 ns,重复频率为20 Hz,荧光接收光学及光谱分析子系统由25.0 mm口径的f/4牛顿望远镜,车尔尼特纳光谱仪和32通道的光电倍增管（PMT）等组件组成;偏振和弹性散射信号由孔径12.5 mm的卡塞格林望远镜接收。荧光测量的信噪比仿真计算表明:以最小SNR=10作为参照,在1 km距离上,白天探测不到数浓度为10 000个/升的战剂云团,但在夜间则可以获得较好的信号强度;偏振测量结果初步分析表明:（1）退偏比表现出较强的波长依赖性;（2）多波长退偏比测量可以显著提高生物战剂的鉴别能力。     

四Gm-APD探测器提高激光雷达探测性能的研究

提出了一种四Gm-APD单次探测的激光雷达系统,该系统采用22的光纤阵列同时接收回波脉冲,利用四通道实时比对得到目标的距离信息。计算了该系统探测概率、虚警概率和测距精度,并与传统单Gm-APD四次累积探测激光雷达系统进行相互比较。结果表明,四Gm-APD激光雷达系统不仅能够使探测速度提高到4倍,其探测性能也都明显优于单Gm-APD四次累积探测的激光雷达。探测概率从60.6%提高到了91.6%,虚警概率从1.9%下降到了0.2%,测距精度从1.771 m提高到了0.440 m。最后,分别对两个系统进行了6464像素的距离像仿真,仿真结果验证了该方法的正确性。     

基于法布里-珀罗干涉仪的脉冲激光谱型测量

脉冲激光谱型是大气风温探测激光雷达的重要参数之一,它的精确测量能够为激光雷达风温反演提供科学有效的数据。由于激光的重复频率通常为几十赫兹(重复周期为几十毫秒),而脉冲激光宽度仅为几纳秒,因此脉冲激光的线宽测量比连续激光困难得多。构造了一套基于法布里-珀罗干涉仪、窄脉冲信号门积分平均器、模数采样器等的脉冲激光谱型测量系统,并利用该系统完成了钠层风温激光雷达脉冲激光线宽的测量。利用该系统测量出该脉冲激光器的输出线宽约为123 MHz,与国外的测量结果120 MHz基本一致。该系统可搭载于激光雷达上用于实时监测激光谱型,能为确保测风激光雷达的精度和稳定性提供技术支撑。     

海洋激光雷达测量水体剖面偏振信号的仿真模拟

基于蒙特卡洛模拟方法,建立了一个水中激光偏振辐射传输模型,用于模拟分析船载偏振激光雷达水体垂直剖面的偏振探测回波,分析了不同光学参数的水体和激光雷达测量模式下的偏振测量误差。使用高斯分布设置了三种深度分布在10~30 m的低、中、高浓度散射层,其叶绿素a峰值浓度分别为0.1 mg/m3、1 mg/m3和10 mg/m3。模拟了激光发射波长为532 nm,接收视场角为10~1000 mrad的船载海洋激光雷达的偏振回波信号,并分析了影响偏振测量误差的主要因素。研究结果表明,由于激光在水中的多次散射过程,随着探测深度、叶绿素a浓度和接收视场角的增大,激光雷达接收光信号的单次散射率不断降低,导致激光雷达直接测量的退偏振比的误差随之增大。以100 mrad接收视场角为例,中浓度散射层情况下,在散射层上（0~10 m）、散射层中（10~30 m）和散射层下（30~40 m）的退偏振比相对误差分别为16%、125%、281%;在散射层中,低、中、高三种浓度散射层的退偏振比相对误差分别为54%、125%、731%。视场角从10 mrad增大到1000 mrad时,退偏振比相对误差逐渐增大,在中浓度散射层情况下,其在散射层上、散射层中和散射层下的变化范围分别为6%~28%、17%~452%和10%~734%。文中结果表明,偏振海洋激光雷达探测水体退偏振比时,由于多次散射过程的影响,传统的退偏振比算法会引入较大误差,有必要在反演算法中对其进行校正,以提高激光雷达的探测精度。     

基于M—Z干涉具的激光光谱探测技术研究

为了探测来袭激光光谱信息,设计了一种激光探测与光谱实时测量装置,以相干探测技术和傅里叶光学与光信号处理为基础,进行激光光谱测量.使用实心小型静态马赫-泽德干涉具作为分光元件,有效地抑制背景光,且能探测纳秒级窄脉冲激光信号;用高速DSP芯片和多通道帧减技术实现实时信息处理,达到背景噪声去除、激光探测和光谱测量.测试结果表明,可探测激光脉冲宽度为10 ns,波长测量误差小于10 nm.     

本振调制型高重复频率远距离脉冲激光相干测距

为了解决静态目标高重复频率远距离激光相干测距过程中出现的多盲距点和距离模糊问题,对激光测距发射波形、本振波形以及解算方法进行研究。对发射波形和本振波形进行不同斜率的线性调制,将最远可测目标信息调制到本振光端,探测器对回波相干信号进行探测,采集卡进行数据采集。采用高精度的脉冲压缩数据处理方法得到匹配滤波结果,并进行距离解算分析。仿真和实验结果表明,该测距方案可以有效解决因高重复频率产生的距离模糊问题,同时避免因脉冲发射时刻光泄漏带来的多点盲距问题。在64μs重复周期、2μs脉宽发射信号和512μs重复周期连续调频本振光条件下,实现模拟29.0525 km目标（延时光纤58.105 km）的探测。该方案可满足高重复频率远距离脉冲激光相干测距无模糊、无间断的测量要求。     

增益调制非扫描激光雷达测距精度的理论分析

非扫描成像激光雷达是激光雷达重要发展方向之一.介绍了增益调制型非扫描激光雷达系统的成像原理.根据该激光雷达的成像原理可以得出,脉冲宽度和背景光积累将会对激光雷达的测距精度产生较大影响.分析了脉冲宽度、回波展宽以及背景光会对距离精度产生的影响.在考虑脉冲宽度和背景光积累,忽略其他噪声和目标表面粗糙度的情况下,对大气传输和目标对回波脉冲展宽的影响进行了分析,对增益调制型非扫描激光雷达在不同的系统及目标参数情况下的回波波形和测距精度进行了仿真计算,为系统性能参数的选择和距离图像的后续处理提供了理论依据.     

脉冲光纤激光切割连杆裂解槽工艺参量优化

为了获得36MnVS4连杆裂解槽最优的切割质量,采用正交实验法对裂解槽进行了激光切割理论分析和实验验证,通过激光共聚焦显微镜测量裂解槽的深度、宽度、张角及曲率半径等几何尺寸,同时采用扫描电镜观测裂解槽底部微观形貌及热影响区的厚度,采用极差分析法得到了峰值功率、脉冲宽度、切割速率和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,并获得了最优实验参量组合。结果表明,裂解槽热影响区厚度皆小于100μm且裂解槽底部存在微裂纹及气孔,各参量组合对裂解槽宽度、张角及曲率半径的影响较小,对裂解槽深度的影响较大;脉冲宽度和峰值功率对槽深的影响较大,脉冲频率和切割速率对槽深的影响较小;优化后切割速率为1.0m/min,峰值功率为700W,脉冲频率为1000Hz,脉冲宽度为50μs。这一结果对实际生产具有重要意义。     

AM50镁合金激光冲击强化实验研究

为了研究激光冲击强化对镁合金性能的影响,采用钕玻璃脉冲激光(波长1054 nm,脉冲宽度23 ns)对AM50镁合金试样表面进行冲击强化处理,并对其表面形貌、微观组织、显微硬度、残余应力进行实验测试与分析。结果表明,在激光功率密度为3.1 GW/cm2的强脉冲激光作用下,试样表面留下光亮致密的微凹坑,凹坑深约27μm;表层材料发生高应变速率的塑性变形,材料内产生大量位错与孪晶,强化层深度约0.8 mm;冲击区的显微硬度明显增加,表层材料的显微硬度比基体约提高58%;冲击区表面存在残余压应力,数值高达-146 MPa。实验结果表明,激光冲击镁合金的强化效果明显。     

水汽差分吸收激光雷达发射机935 nm高功率光参量振荡器

水汽分子的3强振动吸收带位于935 nm附近,差分吸收激光雷达在这个波段具有高探测灵敏度。不幸这一波段位于Ti:Sapphire激光器增益带宽的边缘和Cr:Alexandrite激光器增益带宽之外,染料激光器有较高的自发荧光成分而使其光谱纯度不高,光参量频率转换器可以用作该波段水汽差分吸收激光雷达的发射机。动态稳定的环形谐振腔中有一对走离补偿的、70.7切角的KTP非线性晶体。它由种子注入单纵模Nd:YAG激光器的二倍频532 nm光脉冲泵浦,脉冲重复频率10 Hz。通过935 nm分布反馈半导体激光器种子注入和ramp-hold-fire方法,主动锁定光参量振荡器谐振腔的腔长。发射机平均输出功率达到4.5 W,脉冲长度6 ns,光（532 nm）-光（935 nm）转换效率大于17%,光频的短程和长程频率稳定性30 MHz（RMS）。光束质量M2大约7.8,光谱纯度可以达到99.9%。它将是空间探测大气水汽廓线遥感器的候选光源之一。     

Atmospheric multiple scattering effects on GLAS altimetry. I.Calculations of single pulse bias

Estimates of the effect of pulse stretching on satellite laser altimetry, such as planned for the Geoscience Laser Altimeter System (GLAS), by cloud multiple scattering were made from an analytical method and with Monte Carlo simulations. Altimetry is dependent on the time required for a laser pulse to complete the roundtrip to the surface and return to the transmitter. Since a transmitted Gaussian pulse will be stretched by the effects of multiple scattering, the use of the pulse centroid as the receive time will produce a biased measurement or an apparent delay in the receive time. The magnitude of this delay was found to be dependent on several factors including cloud height, cloud optical depth, cloud particle size, particle shape, and receiver field of view. The delay was found to be largest for low-level clouds with particle radii of 3-20 μm, potentially amounting to altimetry biases of tens of cm. Alternate methods for measuring the receive time, such as a simple Gaussian fit of the return pulse peak reduce the path delay estimates for all cloud conditions. Since GLAS is a dual mode instrument that includes an atmospheric lidar channel, altimeter measurements that are likely to be significantly contaminated by multiple scattering can be identified     

脉冲光纤激光加工36MnVS4连杆裂解槽的研究

为了获得新材料36 MnVS4连杆裂解槽的最优切割质量,采用光纤激光器对36 MnVS4连杆进行了裂解槽激光加工的工艺研究,分析了离焦量、峰值功率、脉冲宽度、切割速度和脉冲频率对裂解槽几何尺寸的影响,通过激光共聚焦显微镜测量对比,研究不同激光工艺参数下裂解槽几何尺寸的变化规律。结果表明:负离焦能加工出质量更好的裂解槽;峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和切割速度对槽深和张角的影响较大,对槽宽和曲率半径的影响较小,但在裂解槽深度为0.5~0.6 mm时,张角在10°~25°的较小范围内变化。