基于不同伪随机码调制的光纤激光测距系统

在高速伪随机码调制和光子计数技术的激光测距系统中,采用不同的伪随机码,在光纤延时的方法下开展了基于不同伪随机码调制的测距实验并与M序列伪随机码进行对比。结果表明在相同的入射条件下,M序列伪随机码具有更好的信噪比和测距精度。搭建了实际测距平台并开展了室外测距实验,在10阶M序列伪随机码,1GHz调制速率,发射光输出峰值功率12.1W,测量768.5m远的目标时,得到3.2cm的测距精度。     

高噪声高精度时间相关单光子测距系统性能研究

为弥补伪随机码调幅测距系统性能研究的不足,采用可编程逻辑器件实现1GHz和2.5GHz速率的伪随机码发生器。实验系统以50m为测试距离,针对两路伪随机码光子到达时间点,采用快速傅里叶变换算法得到互相关波形。在此基础上,建立互相关波形的数学模型,采用参数估计法,运用马尔可夫技术完成参数迭代,重构距离波形,得到距离估计值。实验结果表明,伪随机码为1的比例为1%,探测到的光子计数率为2×106 s-1;低背景噪声下,积分时间和信噪比成正比,与理论相符;高背景噪声下,随着积分时间的增大,采用该方法估计的距离值标准差比峰值距离标准差的增大速度缓慢,整体距离精度高于峰值距离精度。积分时间为0.001s时,2.5GHz码速测距的精度从7.3cm提高到4.62cm。另外,该方法估计得到的1GHz的距离精度仍然低于2.5GHz的距离精度,同等速率下,可降低噪声对距离精度的影响。     

基于伪随机码调制和单光子计数的光纤激光测距研究

开展了基于伪随机码调制和光子计数的1550 nm光纤激光测距技术研究,研制了一套测试实验系统。为了克服常规InGaAs单光子探测器由于抑制后脉冲而导致的探测速率低的问题,系统采用离散放大光电探测器作为单光子探测器件,单光子探测速率可达100 MHz。在室温,偏置电压53 V,伪随机码序列长度81.91μs时,系统探测灵敏度可达-83.6 dBm。在不同信号功率及伪随机码序列长度情况下,对系统性能进行了测试。在伪随机码序列长度163.83μs,信号平均功率-78.6 dBm时,系统测距精度可达12.7 cm。根据实验结果,推算出一套星载条件下的系统参数。     

伪随机码调制的高精度星载激光测距雷达

伪随机码调制激光测距系统通过发射高阶调制激光,实现高频率、低峰值功率探测,利用高频率探测和统计实现高信噪比,具有系统体积小、质量轻的特点,是一种适合远距离的激光雷达系统。但是测距精度与调制频率有关,以往研究中通常使用高调制频率实现高精度测量。文中研制了一台伪随机码调制的激光雷达样机,采用调制重复频率100 MHz、入瞳直径0.1 m的光学天线,通过对周期内回波信号进行高斯统计,在信噪比为5时的实验室环境下实现了0.1 m的高精度测距。通过理论和试验分析证明了通过提高时钟频率和信噪比可以有效提高测距精度。     

光纤无线通信系统中用高非线性光纤实现全光频率上转换

研究了一种基于高非线件光纤(HNLF)中交叉相位调制效应的全光频率上转换射频耦合到光纤无线通信(ROF)系统.数值计算结果表明,由于交叉相化调制引起的调制不稳定性.波长1.54μm,重复频率为40 GHz的抽运光可使波长为1.56μm,载有速率为2.5 Gbit/s的非归零码作为下行链路数据的弱信号光光波分裂,产生与载波距离为40 GHz且与载波相干的两个一阶调制边带,抽运光脉宽、抽运光功率和光纤长度对载波与边带功率差有较大影响.仿真实验结果证实了以上原理,速率为2.5 Gbit/s的数据信号在高非线性光纤中被上转换到40 GHz毫米波上.信号光功牢为0 dBm时,得到的优化光纤长度为600 m,抽运光功率为17 dBm.     

基于伪随机码调制的测距通信一体化激光雷达

由于自主导航等领域对激光雷达的需求,构建了基于伪随机码调制的测距、通信一体化激光雷达。该系统具有功耗低、体积小、多功能的优点。该系统采用伪随机编码的方式,实现了测距与通信的功能复合,采用硅光电倍增管进行光子计数,实现了系统的小型化。详细介绍了测距、通信一体化的设计原理、系统组成、仿真分析和实验结果。实验结果表明,在日光条件下,对反射率为0.1的目标实现了1 km的测距,测距精度小于1 m,实现了码率为10 kbps,误码率小于10-5,距离3.7 km的通信。     

基于幅度调制的连续微波雷达测距研究

为实现实时快速的全天候、高精度、大范围测距,该文提出了基于幅度调制的微波雷达测距方法。在分析主要微波雷达特点的基础上,深入探讨了该方法测尺频率和测距范围、精度之间的数学关系,并利用调制在高频载波的低频信号满足大范围测距需求,采用基于测时技术的高精度测相方法实现高精度与高速度测距,并基于混频器、测时芯片TDC-GP2等器件搭建了雷达实验系统。实验表明,基于TDC-GP2测相单元的测相精度达(2.7110-4),并在2.4 GHz载波、150 kHz调制信号的条件下,对3.0～4.1 m内目标的测距实验证明了系统具有1000 m大范围测距的可行性,且目标处于3.0 m时测距精度为0.0187 m,系统单次平均测距时间为0.02～0.03 s。     

载波重用微波光纤矢量信号传输系统性能研究

提出了一种基于双边带(DSB)部分载波抑制调制(OCS)方式的微波光纤传输(ROF)系统结构,实现了矢量信号的传输以及调制方式由8PSK到QPSK的转换,并使用光纤Bragg光栅(FBG)实现了光载波的重新使用,降低了系统的成本。分析了实验原理并搭建了实验链路,在中心站,采用光OCS方案产生并倍频加载了携带有1 Mbps的8PSK矢量信号的5 GHz微波信号,实验结果表明,在基站,使用FBG实现光载波重用的同时,微波信号频率由5 GHz上转换为10 GHz,传输的矢量信号调制方式由8PSK变为QPSK。通过光谱可以看出,实验链路成功实现了50 GHz nm波矢量信号的产生和传输。     

基于窄带光纤光栅的微波载波单边带调制

利用窄带光纤光栅简单而有效地实现了RoF系统中单边带调制,克服长距离传输时的色散损耗.分析了RoF系统中双边带调制对系统带来的影响,以及单边带滤波对窄带光纤光栅反射光谱和反射率的要求.研究了采用基于窄带光纤光栅的单边带调制后,对不同调制方式、不同调制速率、不同传输距离的RoF传输系统性能的改善情况.实验研究表明,光纤光栅单边带调制在以16QAM调制的15GHz RoF系统中传输25km后,信噪比与双边带调制相比可提高约4dB.     

采样频率和激光脉宽对全波形激光雷达测距精度的影响

全波形激光雷达测距精度,又称测距重复精度或测距标准差,受激光器出光稳定性、激光脉宽、探测器响应时间抖动、电路噪声、波形形态、波形采样频率和波形处理算法等因素影响。理论分析了不同采样频率和不同脉宽对全波形激光雷达测距精度的影响,并采集不同的采样频率(1.25、2.5、5 GHz)和不同脉宽(1、2、3、···、10 ns)条件下的波形数据,经滤波、插值、波形提取等预处理后,利用线性高斯拟合、加权线性高斯拟合、迭代加权线性高斯拟合、期望最大化算法、和Levenberg Marquardt算法共5种算法计算测距值并统计测距精度。实验结果表明,EM算法获得的测距精度相比其他4种算法受到波形畸变的影响最小;加权线性高斯拟合算法获得的测距精度受采样频率变化的影响最小;相同波形幅值条件下,实际脉宽增加2.47倍,利用EM算法获得的测距精度从0.97 mm下降至1.18 mm,因此增加脉宽会降低测距精度;在光脉宽为4 ns的情况下,5 GHz采样频率数据在EM算法获得的测距精度分别为2.5 GHz、1.25 GHz采样频率数据的测距精度的1.71倍和3.07倍,而当2.5 GHz和1.25 GHz采样频率数据分别插值2倍和4倍至5 GHz后,仅为1.17倍和1.29倍,因此提高采样频率能够提高测距精度,而对低采样频率数据进行插值能够获得接近高采样频率数据的测距精度。     

线性增益调制激光雷达系统参数对测距精度的影响

增益调制非扫描激光雷达是一种新体制的激光雷达,其测距精度的研究具有重要价值。从增益调制激光雷达距离表达式出发,研究了增益调制激光雷达各系统参数对于距离精度的影响关系,综合考虑了回波强度较低时的光子噪声和距离精度较高时微通道板的增益饱和带来的影像,给出了测距精度与回波功率的关系曲线,得到了增益调制无扫描激光雷达系统存在一个回波强度区间,通过调整系统参数控制回波强度在该区间内,可以保证系统获得最高的测距精度。     

单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术（TCSPC）被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。     

一种少光子高精度多波束激光雷达系统及验证

介绍了一种基于8×8面阵SiPM（Silicon photomultiplier）的少光子高精度多波束三维成像激光雷达系统,并给出了激光测距的理论计算以及系统设计。从64波束线阵激光并行发射出发,采用线阵转面阵光纤的排布技术实现激光发射与探测器接收配准。设计了离轴三反的光学收发系统、超窄带滤波结构以及64通道高速并行读出电路,并搭建了激光雷达样机。实验结果表示,静态21 m测距下,64通道一致性较好,测距精度均达到1 cm,最大距离偏差为6 cm;三维成像中,分辨率达到512×512,成像时间100 ms,能够分辨15 cm不同目标,平面点云厚度为5 cm。     

Top surface-emitting vertical-cavity laser diodes for 10-Gb/s data transmission

Intensity modulated proton-implanted top surface-emitting vertical-cavity InGaAs QW lasers (VCSELs) with a small-signal modulation bandwidth of 12 GHz butt-coupled to multimode fibers are investigated as light source for optical interconnection. At 10-Gb/s pseudorandom data rates the bit-error rate (BER) remains under 10/sup -11/ after transmission over 500 m of graded index multimode fiber. Optimum transmission behavior is achieved for linearly polarized nearly single-mode laser operation with a side-mode suppression of better than 25 dB under modulation. Spectral characterization indicates that linearly polarized single-mode light output is essential for good BER performance.     

少光子灵敏度精密激光测距方法及验证

针对传统线性探测激光能量需求高、光子计数难以区分信号和噪声的特点,提出了一种基于少光子的高精度激光测距方法。利用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier,SiPM）作为回波探测器,并对脉冲测距系统的回波响应模型、噪声特性以及测距精度进行分析。搭建了实验验证系统,实现了在激光波长为532 nm、能量为10 nJ的条件下,对107.86 m处的面目标进行测距。实验结果表示,系统的噪声为随机分布,且噪声幅度不超过3个像元同时响应量级,鉴别阈值略大于该值时,即可清晰地分辨出信号和噪声;对于包含32个光子的回波信号,探测器中发生雪崩像元的个数约为4个,此时系统测距精度达到3=3 cm。     

量子点激光器瞬态响应及调制特性分析

基于二能级系统建立量子点激光器的载流子-光子速率方程模型,分析量子点激光器的瞬态响应和调制特性,获得其动态特性.同时分析了注入电流对量子点激光器输出光子密度的影响,随着注入电流的增大,激光器光电延迟时间缩短,弛豫过程缩短,弛豫振荡频率增大,且输出光子峰值和稳态功率增加,适当增加注入电流可拓宽量子点激光器调制带宽.通过小信号调制分析,发现量子点激光器上限调制频率比普通激光器高一个数量级,证明了其具有良好的高频调制特性.     

Dynamic spectra of 1.3-µm InGaAsP lasers under pseudorandom word modulation

The dynamic spectra of 1.3-μm InGaAsP lasers were studied under low-duty-cycle pulse modulation and under 180- and 432-Mbit/s psendorandnm pulse modulation. The average dynamic spectra of these lasers differ from their dc-bias spectra, and also show variation betweeh low-duty-cycle pulse modulation and pseudorandom pulse modulation due to local heating effect. Under pseudorandom word modulation, no distinctive pulse-to-pulse variation in average dynamic spectra was observed. Transient damping times of the individual longitudinal mode of the average dynamic spectra of 2-4 ns were observed in the turn-on stage. Carrier buildup and decay of the side modes are the cause of these spectral transient responses. Essentially, the same average dynamic spectra were observed at 180 and at 432 Mbit/s where the time slot is less than the transient damping time in the turn-on stage. This suggests that the transient damping time of the individual longitudinal mode in the turn-off stage is much faster than that in the turn-on stage when the laser is biased below threshold. This result is supported by simple calculations from the rate equations which show that when the laser is biased below threshold, the transient damping time in the turn-off stage can be an order of magnitude faster than that in the turn-on stage.