深海目标探测中载波调制激光雷达技术的仿真分析

在深海目标探测中,蓝绿激光雷达发出的激光受到水体的后向散射,回波信号对比度下降严重,无法满足水下目标探测应用的要求.载波调制激光雷达水下目标探测技术能够有效抑制海水后向散射,提高目标对比度.利用计算机仿真载波调制激光雷达水下目标探测系统,通过仿真系统模拟回波信号,然后对比回波信号中激光信号和微波信号的目标对比度,并分析...     

载波调制激光雷达滤波带宽的半实物仿真平台

将脉冲激光调制成更窄脉宽的脉冲串,并作为激光雷达信源信号用于水下探测,在接收端采用窄带滤波器的方案被证明可以有效抑制海水后向散射对水下探测的影响。在实际应用中,在调制频率一定的情况下,接收端滤波器带宽设计直接决定系统对海水后向散射抑制能力。在研究海水水质参数与脉冲激光频率展宽的基础上,构建海洋载波调制脉冲激光雷达半实物平台进行仿真实验研究。半实物仿真表明,随着滤波带宽增大,对比度提升呈现出了先增大后缓慢下降的趋势。最后通过实验结果的对比分析给出了一种滤波器带宽设计方法。     

布尔混沌调制激光雷达水下目标成像实验研究

在激光雷达的水下目标探测中,浑浊水体中悬浮颗粒对激光的吸收和散射作用,使得激光在水中的传输严重衰减。尤其是后向散射所造成的噪声会降低目标对比度甚至淹没信号回波。载波调制技术可以有效抑制后向散射,提高目标回波信号的信噪比。文章将布尔混沌信号作为载波调制信号,基于其内禀高频强度调制特性,构建了布尔混沌调制激光雷达水下成像系统,并在实验室水箱环境下,对衰减系数不同的浑浊水体中的目标物体进行了三维成像实验研究,对比了不同水质中的目标物体三维成像效果。     

混沌脉冲激光雷达水下目标探测

海水对光波的吸收和散射,严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析,说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力,提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测,设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究,使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明,当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时,仍能提取出目标信号。     

脉冲调制激光雷达水下成像系统

针对水下目标探测应用场景,给出了相应的532 nm波长激光雷达系统参数,结合条纹管激光雷达和载波调制激光雷达的优点,设计研制了一套水下三维成像增程激光雷达原理样机。相对于常见的微波调制激光产生高频脉冲的方案,该原理样机采取调Q技术压缩激光脉冲,再结合F-P腔的特性产生高频激光脉冲,具有峰值功率高和输出能量高的优点。实验结果表明,该原理样机在清水环境中成像距离优于20 m,能够捕捉到13 m处直径9 mm的目标细节;在浊水环境中的信号处理增程能力达到81.4%,相对距离分辨误差为0.01 m。所获得的实验结果为进一步提升水下激光雷达的成像距离和分辨率进而发展水下成像装备奠定了基础。     

频域滤波抑制海水后向散射的带宽研究

在激光雷达探测海水水下目标的应用中,基于频域滤波的信号处理技术可以抑制海水后向散射噪声.其中接收系统中滤波器带宽的大小不仅对后向散射起到抑制作用,而且对目标信号产生抑制作用.为了确定带宽取值范围,分析了调制脉冲激光雷达探测信号水下传输模型,研究了海水后向散射信号以及目标反射信号的频域特性.通过对接收信号在频域上进行仿真,归纳出接收系统滤波器带宽的最优设计方法.该研究结果为系统达到最佳信噪比奠定理论基础.     

水下声信号光电探测技术的实验研究

为了实现水下声信号的遥感探测,针对水下声信号光电探测技术的强度调制理论,提出了光线分析理论模型,并进行了初步的理论分析和实验验证,取得了频率为65Hz和100Hz的水下声信号的探测数据,验证了水下声信号光电探测技术的强度调制理论.实验结果表明,在空气中利用激光,在水中利用声波,通过这两种信号载体来探测水下声信号技术是可行的,这一结果对于水下声信号光电探测技术的研究具有一定的参考价值.     

Chirped AM激光雷达中线性调频信号的产生

线性调频强度调制(Chirped AM)激光雷达将微波雷达中调频测距原理巧妙地应用于激光雷达,用一个线性调频的射频副载波调制激光输出强度.介绍了FM测距的基本数学原理,及激光雷达系统的基本构成和工作原理.在分析对比本体制激光雷达中一项关键技术一一线性调频信号产生几种实现方法的基础上,依据直接数字频率合成和正交调制技术,提出了一种宽带线性调频信号产生方案.介绍了信号发生系统的基本结构以及工作原理,探讨了系统实现的关键技术、技术难点及改进办法.     

面向车载应用的混沌激光成像雷达抑制交叉干扰实验研究

激光雷达已经成为无人智能车必备的环境感知设备.现有基于脉冲测距体制的车载激光雷达极易受到其他车载激光雷达的交叉干扰,导致雷达虚警和误判,引发交通事故.文章利用布尔混沌信号调制激光器产生的混沌激光作为雷达探测信号,结合扫描成像技术,构建混沌激光成像雷达系统,实验实现了 目标物体的三维成像,并对其抑制交叉干扰的能力进行了实验测试.实验结果表明,在不采取任何抑制干扰措施的前提下,基于布尔混沌雷达波形的正交性,仍可在高强度干扰下实现探测目标的三维重构,有效抑制交叉干扰的影响.     

强度编码合成孔径激光雷达原理与实验

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。由于传统线性调频模式受制于调频速率和非线性等因素,无法应用于高速运动平台。从合成孔径激光雷达原理出发,结合光通信调制手段,详细推导了强度编码合成孔径激光雷达编码压缩原理公式,并仿真验证了M序列应用于强度编码的压缩性能。通过对模糊函数推导与仿真,证明强度编码信号不存在多值性模糊和互耦合误差。搭建了基于光纤的强度编码距离向分辨率验证实验系统,选取长度1 023、码元宽度5 ns的M序列进行强度编码调制,利用2 000 m延时光纤进行了距离向验证。在考虑载波光幅值抖动的情况下,得到了0.787 5 m的距离向分辨率,精度误差5%。该文从理论与实验两方面证明强度编码合成孔径激光雷达的可行性,为工程实现提供了一定实践支撑。     

海洋光学系统中的时空方法

海洋光学系统在海洋探索、开发和监测中起到了越来越重要的作用。水下无线光通信、水下激光雷达是两种迅速发展且有良好应用前景的海洋光学系统。水下无线光通信凭借高速率与低延迟的特点在中短距离应用中成为理想的通信选择;水下激光雷达在获取地理信息、目标探测等应用中也是常用的高精度、高效率的观测方法。然而,海水信道的复杂光学特性为海洋光学系统性能的进一步提升带来了挑战。在海水信道中,不仅吸收与散射作用较强,而且信道中可能有湍流、气泡等动态变化的干扰因素。为应对这些挑战,一方面可通过时间或空间方法提高信噪比;另一方面,时空信息转换的方法有利于提升系统的性能。文中对以上解决方案进行综述,并指出海洋光学系统的发展趋势。     

船载激光雷达测量水体光学参数的仿真模拟研究

激光雷达能够高效获取海洋光学特性的垂直剖面信息,是海洋光学探测的重要手段之一。利用蒙特卡罗仿真方法,基于Gordon(1982)的机载激光雷达测量水体光学参数模型,研究了船载激光雷达在水中的传输过程和水中光场分布。特别研究考虑了接收视场角和望远镜半径等参数的影响,建立了适用于船载海洋激光雷达的模拟系统。在激光雷达的传输等效为太阳光传输后,该模拟系统与常用的HydroLight的模拟进行了比对印证并获得了一致的结果。在此基础上,通过模拟得到的激光雷达回波信号分析了不同激光雷达测量模式及典型水体条件下激光雷达消光系数α和海水光学参数之间的关系。船载激光雷达结果表明,在窄接收视场角情况下,激光雷达消光系数α趋向于水体光束衰减系数c;在宽接收视场角情况下,α趋近于水体的向下辐照度漫射衰减系数K_d。相比机载观测,船载观测的α趋近K_d的速度变缓。在垂直分层水体中,激光雷达在下层水体中测量的α值会向上层水体的α值偏移。该结果为研究海洋激光雷达测量参数与海洋光学参数之间的关系提供了进一步的认知。     

激光偏振技术压缩激光雷达信号动态范围

为了解决激光雷达信号的大动态范围引起远距离弱信号的失真问题,采用通过压缩信号的动态范围的方法,设计了一个利用电压调制系统透过率进而压缩激光雷达信号动态范围的方案。计算表明,系统最小透过率为4.05×10-5,可以压缩信号的动态范围达到4个数量级。利用激光雷达后向散射信号的两个方向偏振光,避免了时控光衰减器只透过一个方向偏振光的弊端。研究结果为压缩激光雷达信号动态范围提供了有价值的新方法。     

蓝绿光星载海洋激光雷达全球探测深度估算

为了评估和分析激光雷达探测全球海洋光学参数的性能,根据激光雷达方程和给定的激光雷达参数,使用MODIS Level 3全球年平均的海水吸收系数a（）和后向散射系数bb（）数据作为海水光学参数的参考值,对蓝绿光星载海洋激光雷达在全球海洋的探测深度进行了估算和分析。研究结果表明:星载海洋激光雷达探测深度的分布主要依赖于探测波长和水体光学性质,清洁大洋水的最优探测波长在460 nm左右,白天和夜间的最大探测深度分别为~110 m和~120 m;沿岸浑浊水的最优探测波长多在500 nm以上,最大探测深度只能达到20 m或更浅。探测波长为470~480 nm时,星载海洋激光雷达在全球范围内的平均探测能力最佳。     

基于ICCD的机载海洋荧光激光雷达模拟研究

机载海洋荧光激光雷达是最有效的海洋环境监测手段之一, 世界上许多国家发展了机载海洋荧光激光雷达系统,并成功的应用于业务化测量。根据国际机载荧光激光雷达系统发展趋势,本文对基于512通道ICCD的机载海洋荧光激光雷达系统进行了实验室实验模拟和计算,对其可行性进行了评估。本文采用单脉冲能量70uJ的355nm Nd:YAG激光器作为激发光源,直径100mm,的透镜收集探测距离5米远荧光信号,信号具有较好信噪比。模拟计算表明,对于同样基于ICCD探测的机载海洋激光雷达,采用20Hz、单脉冲能量80mJ的激光器和200mm口径望远镜在150米探测距离可获得与实验室相当的结果。     

Performance Evaluation of Short Range Underwater Optical Wireless Communications for Different Ocean Water Types

This paper has presented our interesting in wireless underwater communications for different ocean water types. Recent interest in ocean exploration has brought about a desire for developing wireless communication techniques in this challenging environment. Due to its high attenuation in water, a radio frequency (RF) carrier is not the optimum choice. Acoustic techniques have made tremendous progress in establishing wireless underwater links, but they are ultimately limited in bandwidth. In traditional communication systems, constructing a link budget is often relatively straight forward. In the case of underwater optical systems the variations in the optical properties of ocean water lead to interesting problems when considering the feasibility and reliability of underwater optical links. The main focus of this paper is to construct an underwater link budget which includes the effects of scattering and absorption of realistic ocean water. As well as we have developed the underwater optical wireless communication systems to have shorter ranges, that can provide higher bandwidth (up to several hundred Mbit/s) communications by the assistant of exciting high brightness blue LED sources, and laser diodes suggest that high speed optical links can be viable for short range application. The received signal power, signal to noise ratio, bit error rate, transmitted signal bandwidth, and transmission bit rates are the major interesting parameters for different ocean water mediums as a criteria of the best signal transmission characteristics of short wireless optical communications over wide range of the affecting parameters.     

海洋激光遥感技术研究进展(特邀)

国内正处于实施21世纪海洋丝绸之路战略部署的关键时期,发展海洋光学技术是支撑国家中长期发展战略的重要方向。海洋激光遥感技术是海洋光学的重要研究领域之一。激光雷达作为近年来快速发展的新型主动遥感技术,由于其具有高精度及高时空分辨率的优点,已在海洋激光遥感领域得到广泛的应用。文中基于布里渊散射激光雷达和海洋成像激光雷达介绍了海洋激光遥感技术的研究进展,以及我国在水体参数测量、水下目标探测和海洋地形地貌的激光遥感中的应用。     

滤波器组在相干激光测风雷达信号处理中的应用

首先简要介绍了相干激光测风雷达和数字滤波器组的工作原理,然后重点分析了余弦调制滤波器组。余弦调制滤波器组具有实现简单、占用资源少等特点。信号通过滤波器组后可分解成若干个窄带子信号,目标的多普勒频率将落入其中一个子带信号中,针对这一子信号进行处理可获得较高的信噪比。利用Matlab设计出了8通道余弦调制滤波器组,然后对回波信号进行处理,从仿真结果和实测信号处理结果可以看出:该方法可以判断并抽取出多普勒频率所在的子带信号。     

一种改进的光载波抑制产生光毫米波的方法

为了延长光毫米波的传输距离,提出了一种改进的光载波抑制产生光毫米波的方法。在中心站采用马赫-曾德尔调制器将射频信号调制到光载波上产生光载波抑制调制光信号,再将产生光信号的2个边带分离,将2.5Gbit/s数据信号调制到其中1个边带上,再与未调信号耦合后产生光毫米波并通过光纤传送至基站。在基站中通过光电转换器产生电毫米波。从理论上分析了这种光毫米波的传输特性并通过实验验证了光毫米波在光纤中可以传输40km。仿真和实验结果表明,这种方式产生的光毫米波具有很好的抗色散能力,延长了传输距离。     

Optical heterodyne carried generation using stimulated Brillouin scattering in birefringent optical fibre

An optical technique for producing a heterodyne carrier frequency suitable for electronic signal processing schemes in sensing applications is described. The technique exploits stimulated Brillouin scattering generated in birefringent optical fibre. A single fibre system is reported which produces a 10.6 MHz output carrier signal, modulated by optical chaos induced instabilities. The implications of the results for future signal processing and sensing schemes based on stimulated Brillouin scattering are then discussed.<>