双光子三能级光子回波的新的可能形式

本文全面分析了在各种可能的能级组合、布居以及各种光脉冲顺序下产生双光子三能级光子口波的可能性,指出除了已观察到的一种外,还有七种新的可能形式,完善了双光子三能级光子回波的理论.     

双光子三能级光子回波及其在原子间碰撞截面测量中的应用

本文用弹球模型讨论了双光子三能级光子回波的形成。实验上在 Na 蒸汽中观察到了这种光子回波。并报导了用光子回波测量 Na 3 D-3 P 态原子和 Ar 原子碰撞截面的结果。     

双共振的双光子三能级多重光子回波

自双光子三能级光子回波(TTE)的实验观测报道以来,理论上已找出在三能级系统中产生TTE的各种形式。但这些研究中,双光子激发脉冲只满足双光子共振,中间能级不满足共振条件。     

扩展目标光子测距回波特性及误差研究

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。     

运动条件下光子计数激光测距系统点云数据的处理

研究了运动条件下光子计数激光测距系统的探测机制,分析了该系统在数据处理中涉及到的回波光子信号的统计特性、探测概率等理论问题。针对运动条件下的测距背景,根据该系统的回波信号特点,基于Matlab产生了符合统计分布规律的包含目标回波和噪声回波的仿真信号。在对泊松滤波算法等传统数据处理算法进行研究的基础上,提出了一种改进的基于栅格滤波的算法,并利用该算法对仿真回波数据进行了处理,最终有效滤除了随机分布于整个探测空间的噪声信号,获得了目标的运动轨迹。与传统的数据处理算法相比,该算法对运动条件下的光子计数激光测距数据具有良好的处理效果。     

空中运动目标光子探测回波的俯仰姿态敏感规律研究

光子探测技术是研究远小运动目标的有效手段,光子回波受目标在运动过程中姿态变化的影响较大。为了描述空中目标姿态变化过程中光子探测回波的姿态敏感规律,基于海灵格距离和Canberra距离理论,定义了光子回波的姿态影响水平,并将其作为影响不同目标光子探测识别性能的定量分析工具。对三种空中目标在一定姿态变化范围内的光子探测回波波形差异度进行仿真研究,分析其变化规律以及目标间的差异,并用两个飞机模型进行了实验验证。结果表明：不同目标的光子回波姿态影响水平具有稳定的特征和明显差异,说明利用光子回波波形的姿态影响水平来区分不同的空中运动目标具有一定的可行性,其统计特征的姿态影响水平可以用于对结论进行进一步验证,并在细节之处加以补充     

内嵌结构光子晶体在F 型微带天线中的应用

对常用的正方晶格光子晶体结构进行改进优化,设计出一种新型内嵌结构式二维光子晶体,即在普 通正方晶格光子晶体内部嵌入同类晶格的光子晶体。将该结构光子晶体应用到F 型微带天线中,采用平面波展开 法,进行大量仿真计算。结果表明:与传统的微带天线相比,加入该结构光子晶体后的微带天线回波损耗由 -18. 2465dB 降低到-41. 0624dB。天线具有更好的阻抗特性和辐射效率,方向图有所改善,背瓣辐射最大处减少约 5dB。这种新型的光子晶体微带天线达到了提高天线性能的目的。     

空心平板光波导中二脉冲TE模的光子回波

讨论了空心平板光波导中二脉冲TE模光子回波问题(包括单阶模和多阶模两种情况),所得结果表明,空心平板光波导中的光子回波与非波导情况下的相比,具有许多不同的性质.     

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。     

基于统计直方图两步法的星载单光子数据去噪

针对星载单光子激光有效回波信号混杂于噪声中难以区分的问题,提出一种基于统计直方图两步法的星载单光子数据去噪方法。先后采用沿轨小窗口直方图粗去噪与距离平方统计直方图精去噪,实现星载单光子回波数据中的噪声光子有效剔除。利用该方法对美国星载单光子激光雷达先进地形激光测高系统(ATLAS)的强与弱波束、白天和夜间、平地与山地3种典型情况下的回波光子数据进行实验,结合ATLAS官方去噪结果,基于混淆矩阵统计去噪精确度。实验结果表明,强波束数据去噪精确度为98.86%,弱波束数据去噪精确度为96.94%;夜间数据去噪精确度为99.02%,白天数据去噪精度为98.86%;山地数据去噪精确度为96.28%,平地数据去噪精确度为96.94%。说明本文方法适用于常见的以上3种典型情况下的星载单光子数据去噪。     

激光测距中APD阵列探测信噪比分析

APD阵列可提高光子探测效率,然而在回波探测概率提高的同时提高噪声探测概率,因此需合理选择阵列单元数以提高探测信噪比。根据回波和噪声在距离门内的分布情况,结合光子探测概率,建立了盖革模式下APD阵列探测信噪比随阵列单元数的变化模型。讨论了回波光子数、背景噪声强度、回波在门控内位置、占空比等因素对探测信噪比的影响。分析结果表明,提高回波光子数、探测器占空比、轨道预报精度有助于增加APD阵列的探测信噪比;4元APD阵列适用于回波光子数小于0.1、门控内噪声光子数小于1的观测情况,而回波和噪声强度较强时,25元APD阵列能够取得相对较优的探测信噪比。建立的APD阵列探测信噪比模型有助于快速选择APD阵列单元数以达到较高探测信噪比。     

光子带隙光纤准直器回波损耗研究

研究了一种光子带隙光纤准直器。为了降低回波对光源的干扰,通常光纤准直器的回波损耗不应低于60 dB。由于带隙光纤端面没有反射,因此满足这一条件的带隙光纤准直器GRIN透镜入射面的倾斜角与普通光纤准直器不同。从高斯光束通过光学系统的一般模型出发,利用矩阵光学和高斯光束耦合理论,推导了光线传输矩阵。结合实际应用中光纤及GRIN透镜的参数,仿真分析了尾纤与GRIN透镜之间的间距及GRIN透镜的参数对准直器回波损耗的影响。结果表明,镀有增透膜时,当光子带隙光纤准直器的GRIN透镜入射面倾角等于3时,回波损耗大于60 dB。研究结果对进行光子带隙光纤准直器的设计具有指导意义。     

基于去调频接收技术的微波光子双波段线性调频连续波雷达

该文提出一种基于光子辅助去调频接收技术的双波段线性调频连续波雷达方案,该双波段雷达接收机基于平行架构光子混频器,能够利用同一套硬件设备同时接收双波段雷达的回波信号。接收机中使用一个双偏振正交相移键控(DP-QPSK)调制器,工作中将双波段雷达的两组参考信号和回波信号通过DP-QPSK调制器调制到正交偏振的光载波上,调制后的双带光回波和参考信号经过放大和滤波后,输入到偏振解复用相干接收机中进行光子辅助去调频处理。在发射机端,对于具有更高频率和带宽的发射信号,采用包含延时功能的光子倍频信号产生技术,产生参考信号与发射信号的同时,将发射信号延时,使得在接收机端对相同距离目标的双带回波信号去调频得到的中频信号可在频域分离。实验中通过逆合成孔径雷达成像实验评估了该双波段雷达系统的性能,该双波段雷达系统工作在C波段和Ku波段,发射信号带宽分别为1 GHz和2 GHz,接收机模拟-数字转换器的采样率为100 MSa/s。实验结果证明微波光子技术能为双波段线性调频连续波雷达提供有效的实现方案。      

基于单光子线性APD的信息提取算法研究

针对新型单光子线性APD器件获得信息维度多、灵敏度高的特点,提出了一种基于单光子线性APD的微弱回波信号距离信息提取算法。首先利用微弱信号的泊松分布特性对回波信号进行建模,随后对每纳秒内的回波光子数进行统计,利用与脉宽等宽的距离窗进行滑窗求和,将最大值位置作为信号脉冲接收时刻,进而反算距离信息。设计了跟踪前的目标搜索策略和稳定跟踪后的距离门匹配算法,有效降低了背景光干扰和计算资源消耗,在回波光子数分别为200、10、5个时分别获得了100、9993、9658的计算正确率。对单光子量级信号设计了脉冲积累算法,单个光子信号回波的计算正确率为995。同时对静止目标通过算法迭代实现了信噪比为0dB甚至负dB的信息提取,对003个光子信号回波探测的计算正确率为961。仿真结果表明该算法可以综合应用单光子线性APD的强度信息以及单光子灵敏度,实现了在极限灵敏域下的距离信息提取。     

光子计数三维成像激光雷达的分析与实验

对于直接探测三维成像激光雷达,采用光子计数探测器可以响应单光子水平的目标回波,从而大大提高探测效率。研究的光子计数三维成像激光雷达采用盖革模式雪崩光电二极管（APD）作为探测器。首先分析了回波光子探测模型,并根据此模型讨论了激光雷达探测概率和测距模式。在理论分析的基础上,设计了一套光子计数三维成像激光雷达系统,对一些选定目标进行了测距和三维成像实验,并对实验结果进行了分析。     

光子晶体微带天线的设计与仿真

以传统的介质型光子晶体结构为基础,提出了一款新型的光子晶体微带天线,其介质板中空气孔洞按三角形点阵形式周期排列于介质板上下两层,其高度为原有高度的一半,研究该结构对天线性能的影响。结果表明:该结构的引入使天线的回波损耗降低到–44 dB,天线具有更好的阻抗特性和辐射效率,天线全向性增强,达到了改善天线性能的目的。此外,由于该结构的特殊性,讨论了天线加入缺陷结构后的禁带特性。     

0.2 THz频段的光子晶体微带天线研究

将缺陷型一维光子晶体应用在微带天线上,设计了一款工作在0.2 THz 频段处的光子晶体微带天线,并且利用基于有限元法的三维电磁仿真软件 HFSS 以及软件 Origin 进行模拟仿真及作图。研究表明：光子晶体微带天线的增益可以达到9.3 dB,与普通微带天线相比增益增加了2.5 dB。并且讨论了光子晶体的周期层数对微带天线的影响,发现光子晶体周期层数为3层时,天线的回波损耗最低。然后以周期层数为3层的光子晶体微带天线为例,讨论了不同的光子晶体与微带天线的距离对天线的增益和回波损耗的影响。     

基于单光子计数激光雷达的恒虚警检测研究

本文围绕光子计数激光雷达在噪声背景下的目标检测问题，利用其回波雷达信号的特点，设计了一种降噪预处理方法，继而提出了一种改进的恒虚警检测方法。该方法能在目标回波较弱时自适应地对不同宽度的回波进行检测，同时能够保持较高的检测概率。仿真结果显示：相比传统的信号检测方法，本文所提方法的检测性能更优。实验结果表明，在噪声较强或回波信号较弱的情况下，所提检测方法依然可以以较高的检测概率检测到目标。相比当前的检测方法，在相同信噪比环境下，所提检测方法可使目标的平均检测概率提高40%。     

光子计数激光雷达的自适应时空关联深度估计

光子计数激光雷达具有高灵敏度、高时间分辨率等优势，为了实现在大量回波数据及强噪声环境下目标信息的高效提取，提出一种自适应时空关联深度估计算法。首先，根据回波数据中信号光子和噪声光子与发射激光脉宽的关系，利用回波光子在时域上的统计差异，自适应重构具有不同时间分辨率的直方图，并结合邻域像素数据之间的空间关联性，自适应调整时间窗口的大小，寻找信号光子所在的时间区间并提取相应的数据，显著降低后续处理的数据量；其次，基于所提取的回波光子数据，设置滑动窗口初步估计各像素的时间值；最后，通过自适应均值滤波得到各像素的飞行时间，解算相应的距离信息。相较于峰值法和Chen算法，在起伏地形探测的仿真实验中，当信号光子数约为14、噪声强度小于6 MHz时，重建的均方误差至少降低了20%；在室内静态目标成像实验中，当噪声强度在5.08 MHz范围内，所提算法进行目标重建的最大均方误差为0.017。仿真及实验结果表明，所提算法对强噪声下起伏地形和室内静态目标探测的回波数据均具有较好的滤波效果。     

利用光子回波研究尼尔蓝的电子态振动模式

对样品分子建立多模布朗振动模型,分析了理论计算三脉冲光子回波信号强度的方法。以尼尔蓝分子为例,采用多模布朗振动模型来分析尼尔蓝分子的振动,将尼尔蓝分子的振动当作高斯型、过阻尼型、完全非均匀型、欠阻尼型这四种模式的加权耦合。改变四种振动模式的权重以改变尼尔蓝分子的相关函数,对三脉冲光子回波信号进行了数值模拟。以浓度为8×10-5 mol/L的尼尔蓝乙醇溶液为样品,波长为623nm、脉宽为40fs的飞秒激光为光源,进行了三脉冲光子回波信号的实验测量,研究了尼尔蓝分子的电子态振动模式。