我首台大气二氧化碳探测拉曼激光雷达研制成功填补我国大气二氧化碳空间分布探测技术空白

<正>由中科院安徽光学精密机械研究所承担的中科院重点装备"二氧化碳拉曼激光雷达"不久前研制成功,并通过中科院组织的专家组验收。二氧化碳拉曼激光雷达系统是我国第一台具有自主知识产权的探测大气温室气体二氧化碳时空分布的激光雷达系统,能够全方位探测大气二氧化碳浓度距离分布。二氧化碳拉曼激光雷达与二氧化碳分析仪观测结果表明具有很好的一致性。该系统探测范围水平方向大于2000m,垂直方向大于3000m,探测分辨力30m,探测精度(方差)在1000m范围内优于1%,在3000m范围内优于3%。专家组对激光雷达     

光子计数三维成像激光雷达反转误差的校正

实施光子飞行时间测量法时,光子飞行时间测量值受激光回波信号能量的影响会出现测量反转误差,从而影响系统三维成像的精度.本文描述了一种光子计数三维成像激光雷达系统反转误差的校正方法及其实验.提出的反转误差校正方法包含先验模型标定和反转误差校正两个步骤.首先,通过标定法得到系统反转误差相对于激光脉冲响应率的函数关系,建立系统的反转误差预测函数.然后,由系统反转误差函数预测出原始三维图像的反转误差图像并实现原始三维图像的反转误差校正.实验搭建了光子计数三维成像激光雷达系统,采用盖格-雪崩光电二极管(Gm-APD)作为光子探测器,由高速扫描振镜二维扫描获取三维图像.通过时间相关记录仪获取光子到达时间分布,分别得到原始三维图像和激光脉冲响应率.在反转误差校正的测试实验中,系统的测量均方差由校正前的33.2 mm提高至8.1 mm.实验结果表明,该反转误差校正方法可以有效降低光子计数三维成像激光雷达的反转误差.     

空间激光主动探测离轴三反系统的猫眼效应

采用光线追迹法,分析了空间环境下离轴三反结构系统的猫眼效应。给出了离轴三反系统的像面倾斜、视场和离焦对猫眼回波效率和发散角的影响,证明了离轴三反系统像面倾斜量是决定能否发生猫眼效应的主要因素。提出利用阈值法实现激光主动探测猫眼信号的基本原理,并结合高阶余弦漫反射模型,分析了目标漫反射信号对猫眼信号检测的影响。估算了20km到120km探测距离下,理论上所需不同光束质量激光的最小脉冲能量。仿真表明,当发射光束的全角发散角为0.3mrad时,50km和120km探测距离下所需的最小激光脉冲能量分别为0.7mJ和3.1mJ。最后,通过原理实验,验证了空间激光主动探测法探测目标"猫眼"效应的可行性。     

10.6μm激光光斑跟踪系统总体研究

本文研究的激光光斑跟踪系统包括一台发射波长为10.6μm 的脉冲激光发射装置(包括扫描系统)和一台与之匹配的光电接收转换装置以及信息处理装置,用以接收激光回波脉冲,并控制激光光束,将其峰值功率对准被跟踪目标。文章对该系统进行了全面、系统的分析计算与研究。涉及大气传输、光学系统、激光探测、信息处理以及光电扫描、激光偏转等多个领域。     

新型旋转激光扫描系统轴系调整与误差标定

旋转激光扫描系统是一种基于精密转台结合多路激光的空间多目标并行角度传感系统。为改善系统光源性能,设计了一种采用光纤从外部导入光源的新型轴系结构。但是当激光以一定角度穿过中空的转轴进入镜组后,若倾斜入射柱镜,将导致出射的扫描光面型发生变化。针对此问题,研究了一种基于平行线的传递性的激光光轴姿态的调整方法,并借助激光跟踪仪测量平台,分别对光轴与转轴轴系进行拟合,建立了对光轴倾斜误差的标定方法。实验结果表明,调整后光轴与转轴轴线的空间夹角优于0.15°,完全满足扫描光截面中心直线度对激光入射柱镜的角度要求。该调整方案可用于系统的装配环节,使扫描光更加接近理想平面,有助于系统测量精度的提升。     

远场光束扩展对光斑瞄准偏差影响的实验

在远场大气环境下的激光瞄准过程中,大气湍流效应会造成光束的漂移和扩展,从而影响激光器的瞄准精度。本文基于修正的VonKarman湍流谱和部分相干光在湍流大气中的传输理论,设计了高斯光波经过大气湍流后的光场模拟软件,并在一定气象条件下,通过一种激光光轴瞄准偏差测试系统进行外场实验。该测试系统光束直径≤9mm,接收部分为120mm大口径光学镜头。研究了3km范围内强湍流条件下光束的传输特性;结合实验数据,分析了在湍流大气中远场光传播时波束扩展对激光瞄准精度的影响。基于文中研究结果设计的瞄准偏差补偿方案可提高系统在大气能见度10km范围内的瞄准精度。在激光传输距离3km,斜程仰角为0~45°时,激光光斑偏移计算误差≤0.1mrad。     

基于光锥扩束机理的单脉冲激光近程静态探测方法

针对激光近程全向探测问题,在激光近程动态周向扫描探测机理研究基础上,提出了基于光锥扩束机理的单脉冲激光 近程静态周向探测方法。 基于激光近场探测理论和静态探测场空间几何分布,推导出基于光锥扩束机理的单脉冲激光近程静 态探测回波方程。 构建了单脉冲激光近程测距概率分布模型并搭建了实验室静态探测实验平台,研究了脉冲激光发射功率、倒 置反射光锥角、脉冲激光束发散角和目标尺寸投影面积对激光近程周向探测概率分布的影响机制。 结果表明:随着发射功率和 目标投影尺寸分别从 10 W 和 0. 01 m 2 增加到 30 W 和 0. 25 m 2 ,回波信号幅值亦随之从 0. 16 和 0. 43 μV 提升到 4. 22 和 5. 95 μV,随着倒置反射光锥角和光束发散角分别从 30° 和 10 mrad 增加到 120° 和 30 mrad,回波信号幅值随之从 3. 18 和 2. 52 μV 降低到 0. 88 和 1. 92 μV;周向探测概率分布随着发射功率和目标投影尺寸的增加而半宽减小且峰值增加并向左偏离、 随着倒置反射光锥角和光束发散角的增加半宽增大且峰值降低并向右偏离;探测分布对称性并不受以上 4 种因素影响。     

高转速扫描激光雷达中探测器偏离焦平面的应用

为了提高激光雷达测距的动态范围,解决高转速扫描激光雷达测量远距离目标时的脱靶问题,提出了探测器偏离焦平面的方法。对远距离回波脱靶现象、探测器在焦平面径向和轴向上偏离的作用原理、回波光斑在焦平面附近的空间能量分布进行研究。根据目标距离、激光扫描线转速、焦距和离焦量,分析回波光斑中心相对于光轴的径向偏离角和径向偏离量。当不同距离回波的像平面、光学系统焦平面和探测器靶面之间的相对位置变化时,分析了回波光斑尺寸在探测器靶面的变化规律。考虑激光高斯光束的能量分布、光学系统孔径光阑、衍射和离焦的影响,分析了回波光斑在探测器平面的能量分布以及探测器靶面的收光率。最后,通过数值仿真和实际测试验证了探测器在偏离焦平面后对不同距离回波的收光率的变化规律。实验结果表明：在75 Hz四棱塔镜扫描方式下,通过调节径向偏离能测到的最远目标距离从约800 m提高至约1 300 m;通过调节轴向偏离,保证远距离回波收光率基本不变的情况下,5 m目标的收光率可降低约70%。该方法基本解决了远距离回波脱靶问题,提高了测距动态范围。     

三维成像激光雷达应用的亚纳秒激光器研究进展

激光雷达具有高分辨率和测量精度、体积小和数据率高等特点,已经成为地面三维成像和大气探测的主要技术手段之一.微脉冲激光雷达技术可以实现对目标的准连续测量,有效地降低了激光雷达的体积和功耗,对于推动激光雷达在航空航天领域的应用具有重要意义.本文针对微脉冲激光雷达应用的高重复频率亚纳秒激光器进行了综述,对比和讨论了亚纳秒激光...     

调频连续波激光雷达及数据采集信号链噪声分析

在调频连续波激光雷达中,用于中频信号采集的模拟-数字采集模块是其关键组件,信噪比、信纳比、无杂散动态范围等参数是衡量该数据采集信号链交流特性的重要指标,直接决定着调频连续波激光雷达的探测范围和测距精度等性能。设计了用于调频连续波激光雷达的中频信号采集模块,获得49.13 dB的信噪比和48.90 dB的信纳比;然后研究了其噪声特性,获得系统的主要噪声来源为采样时钟的相位噪声,并且通过引入数字滤波器将信噪比和信纳比分别提升11.38 dB和11.32 dB,理论上激光雷达的探测范围提高3.7倍。可通过采用专业时钟芯片降低噪声,经计算可将信噪比提高8.65 dB;最后,搭建了光学相控阵调频连续波激光雷达系统,验证了数据采样模块的有效性,完成了40 m距离的探测,最大测量误差为7.7 cm,最大探测范围为133.67 m。     

用于激光雷达的高精度脉冲延时及脉宽控制研究

针对激光雷达距离选通可实现不同距离雷达回波信号的选通采集,采用AD9501延时芯片和单片机设计了脉冲延时时间和脉宽可调的延时电路。其中,采用LabVIEW编写上位机控制软件,2片延时芯片级联实现了16位精度的延时调节,第3片延时芯片及R-S触发器实现了8位精度的脉宽的调节。实验中,3片AD9501由单片机进行控制,通过调整电路参数和上位机参数,延时范围达到1.8 μs可调,延时精度大约为30 ps,存在固有延时280 ns,完全满足激光雷达距离选通的要求。     

基于激光雷达回波强度的反光板位置拟合方法

针对目前激光雷达定位系统中的拟合算法存在拟合精度较低、数据容错能力较差等问题,设计了一种基于回波强度的反光板位置拟合方法.首先对原始扫描数据进行滤波,并结合回波强度分割法与基于点距离的分割法进行数据分割,对分割后数据结合回波强度进行反光板圆心拟合,以得到反光板实际位置.最后使用堆垛式叉车搭载激光雷达R2000进行实验,...     

基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统设计

设计了一种基于米散射激光雷达的大气气溶胶检测系统。依据米散射激光雷达的原理,研究了激光光束与大气气溶胶的相互作用,设计并搭建了米散射激光雷达大气气溶胶检测实验平台,利用Zemax设计了一套具有滤波聚焦功能的光学望远系统。通过对光束进行扩束并利用可调谐式固定装置来增强回波信号强度。实验结果表明,设计的系统具有高的回波信号...     

Evaluation of point cloud registration using Monte Carlo method

Supervision and control are one of the most important steps while executing a construction project and their automation remains an area of growing interest. LiDAR systems provide accurate point clouds with geometric information that can help to improve the automation of survey control. Alignment of the point clouds acquired from a number of scan positions is a fundamental issue regarding surveying accuracy and is frequently carried out in two steps: coarse and fine registration. Fine registration can be achieved automatically by means of an Iterative Closest Point (ICP) procedure. This work presents a Monte Carlo based method to quantify the reliability of a coarse registration step that would enable the automation of the alignment. The method consists of verifying the tolerance of a particular ICP implementation to coarse registration errors. Results show that the ICP alignment used works fine when coarse registration errors are lower than 18° for rotations and 1 m for translations. These values were similar for four case studies analysed. Quantifying these limits is crucial for operations such as robotic stop & go surveying, where coarse alignment is based on Simultaneous Location and Mapping (SLAM) and fine alignment is achieved through ICP.     

某雷达光轴采用CCD系统光电标校精度分析

相控阵雷达机、光、电三轴与普通炮瞄雷达一样讲究三轴的一致性,而对于一维有源相控阵雷达采用的大型平板阵列天线系统机、光、电三轴匹配精度的标校,特别是光轴在采用简易CCD成像系统的精度对系统精度的影响是重点分析内容。     

Magnet alignment on a common girder: Development of a length artefact for measurement accuracy improvement

The tolerances for the alignment of the magnets on the girders of the proposed particle accelerator of the Brazilian Synchrotron Light Laboratory (LNLS), Sirius, are as small as 40 μm for translations and 0.3 mrad for rotations. The functional axis of the magnets is measured by the vibrating wire technique, which employs conductive wires of diameters of approx. 0.1 mm. Since the alignment has to be performed targeting these magnetic axes, rather than their geometric centrelines, non-contact measuring sensors mounted on a coordinate measuring machine have been chosen to measure the relative deviations between magnets. To better the measurement accuracy for that specific measuring task, to allow interim checks on multiple coordinate measuring systems, and to provide effective traceability to the SI unit of length, a multipurpose geometrical artefact has been devised. The reasoning behind this development and the first measurement results are described in this paper.     

基于激光雷达与倾斜摄影融合技术的电力巡检系统设计

针对传统的电力巡检系统仅应用激光雷达或倾斜摄影技术,导致电力巡检的可视化效果差,无人机巡检时间长的问题,将激光雷达与倾斜摄影技术融合起来,对电力巡检系统进行优化。对激光雷达和倾斜摄影相机进行了详细设计,给出倾斜摄影相机的摄影模式示意图;采用无人机三维激光雷达技术对输电线路通道环境进行扫描,获取架空输电线路走廊大范围的三维激光点云数据;设计点云数据与图片的采集和处理流程,对点云数据进行精度校验,布设倾斜摄影技术的像控点点位,校正影像并协同外业测量成果和POS数据得到匹配点云,将2种技术得到的数据进行融合建模,完成系统设计。为验证设计系统的有效性,选择某段路线进行建模测试。实验结果表明,所设计系统的可视化效果好,有效缩短了无人机巡检时长,有效提升了巡检效率。     

视场外回波引起条纹场扫描成像重构混叠现象研究

为了消除成像视场外回波对条纹场扫描成像(又称为傅立叶望远镜或者相干场成像)的可能影响,本文从理论上分析回波引起重构混叠的主要原因,并针对不同的应用场合提出对应的最佳解决方案。本文通过计算机仿真手段详细研究不同照明区域回波对成像的影响,仔细分析增加短基线方案对重构模糊的改善效果。仿真结果表明:三光束(同时发射的最多光束)重叠区域的回波对重构结果有最严重影响;增加短基线可以消除图像混叠,单臂增加一个短基线则能使图像质量明显改善,对应的斯托里尔比(Strehl ratio)从0.49上升到0.59;且单臂增加基线数越多,则重构图像细节就越丰富。本文所提出的消除成像视场外回波影响的几种方案对于条纹场扫描成像系统在不同领域的应用均具有重要的借鉴价值。     

An automated image alignment system for the scanning electron microscope

We have developed an automated image alignment system for the scanning electron microscope (SEM). This system enables specific locations on a sample to be located and automatically aligned with submicron accuracy. The system comprises a sample stage motorization and control unit together with dedicated imaging electronics and image processing software. The standard SEM sample stage is motorized in the X and Y axes with stepping motors which are fitted with rotary optical encoders. The imaging electronics are interfaced to beam deflection electronics of the SEM and provide the image data for the image processing software. The system initially moves the motorized sample stage to the area of interest and acquires an image. This image is compared with a reference image to determine the required adjustments to the stage position or beam deflection. This procedure is repeated until the area imaged by the SEM matches the reference image. A hierarchical image correlation technique is used to achieve submicron alignment accuracy in a few seconds. The ability to control the SEM beam deflection enables the images to be aligned with an accuracy far exceeding the positioning ability of the SEM stage. The alignment system may be used on a variety of samples without the need for registration or alignment marks since the features in the SEM image are used for alignment. This system has been used for the automatic inspection of devices on semiconductor wafers, and has also enabled the SEM to be used for direct write self-aligned electron beam lithography.     

Self-alignment of microparts using liquid surface tension—behavior of micropart and alignment characteristics

The purpose of this research is to establish a self-alignment technique for microparts assembly using liquid surface tension. The factors that influence alignment performance are examined and ways of performance improvement are discussed experimentally and theoretically. First, the relationship between the alignment accuracy and the behavior of the micropart and the water droplet is examined in the alignments with six different water droplet volumes. The experimental results show that the volume influences the alignment accuracy and the behavior. Next, the relationship between restoring force induced theoretically and the experimental alignment accuracy is discussed. Then, the effect of pattern change of the boundary between different wettability areas on the alignment accuracy is examined experimentally. In the experiments, the micropart with the hexagonal boundary pattern demonstrates smaller alignment error than those with the square, triangular, cross and star patterns.