载波调制激光雷达技术在海洋探测中的应用

介绍了一种水下探测技术,以激光脉冲信号为载波,将微波信号加载到激光脉冲上进行调制编码,调制编码信息由光信号携带进入水下.在接收端,通过频率滤波实现对编码信号的提取,由编码信号的信号处理实现激光雷达水下目标探测.将该技术与多种抑制海水后向散射的方法进行比较,对载波调制激光雷达在海洋探测应用的特点和研究现状进行了综述.     

CALIOP反演海洋颗粒物后向散射系数方法概述

颗粒物后向散射系数(particulate backscattering coefficient, b_bp)是海洋光学应用于海洋生态学和生物地球化学研究的核心参数。但目前常用的原位方法短时间内无法完成大范围的探测,被动水色遥感无法在缺乏光照以及有云的条件下工作,相比之下,主动遥感方式星载激光雷达可以突破以上限制,在海洋探测方面具有极大的优越性。2006年发射的CALIOP成为首个能够提供全球海洋b_bp数据的星载激光雷达,特别是为极地观测和昼夜观测提供了重要数据。文中详细介绍了CALIOP系统原理及其三级主要数据产品,重点梳理了利用CALIOP 532 nm偏振通道退偏比反演b_bp的方法以及后续的退卷积校正系统瞬态响应等改进措施,总结出了一套详细完整的反演流程,开发出对应算法并展示了b_bp的反演结果,旨在为我国未来星载海洋激光雷达的数据处理及应用工作提供参考。     

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。     

机载激光雷达探测大气气溶胶时人眼安全的数值分析

采用美国ANSI标准,定量分析了机载环境激光雷达进行气溶胶探测时激光脉冲眼睛安全最大阈值能量、激光束发散角及高度的关系;计算了当1064 nm和532 nm激光脉冲能量相等时不同高度上激光脉冲眼睛安全最大阈值能量;同时模拟计算了激光脉冲眼睛安全系数SL与1064 nm和532 nm的激光脉冲能量、高度的关系,为我国第一台机载大气探测激光雷达探测气溶胶提供了激光脉冲能量设置的理论依据.     

瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算

设计了一台探测大气温度和气溶胶的瑞利-米散射激光雷达。对不同参数的大气后向散射回波信号信噪比进行了数值仿真计算,讨论了激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜口径、空间分辨距离以及窄带干涉滤光片的带宽和透过率对激光雷达回波信号信噪比的影响。根据仿真结果,设计的激光雷达在白天时,气溶胶的米散射信号采用1 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了10.6 km;中层大气温度的瑞利散射信号采用0.2 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了47.1 km。     

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。     

气溶胶环境下FMCW与脉冲激光探测性能对比

研究了气溶胶干扰的情况下调频连续波（FMCW）和脉冲激光探测体制的探测性能,并进行两种体制探测性能的量化对比。基于蒙特卡罗方法建立了气溶胶干扰下的目标探测模型,研究了不同距离目标的探测结果,论证了FMCW与脉冲两种体制进行比较的可行性,并量化对比了二者的探测性能。以沙尘气溶胶为例进行了仿真和实验室环境内的测距实验,结果表明:FMCW激光探测系统可以通过提高调制频率来得到更好的探测性能;在气溶胶环境下,FMCW激光探测比脉冲体制有更高的信号杂波比（SCR）,意味着更好的探测性能和更强的抗后向散射干扰能力。在气溶胶能见度较低且距离分辨力相同的条件下,400 MHz初始调制频率的FMCW系统探测性能较脉冲体制探测性能提升约8~10 dB。     

户外型探测臭氧和气溶胶激光雷达系统研制

激光雷达探测臭氧和气溶胶垂直廓线分布近年来在环境监测领域获得广泛应用。介绍了一套可同时用于探测臭氧和气溶胶浓度的激光雷达系统。采用Nd:YAG激光器,通过二倍频器和四倍频器分别产生532 nm和266 nm激光光源,基于受激拉曼散射原理,在两根拉曼管中分别充有氘气和氢气,产生拉曼频移光289 nm,299 nm,通过差分吸收算法原理反演垂直空间臭氧浓度廓线,通过米散射算法原理来反演气溶胶浓度廓线。水平扫描试验结果显示,雷达系统的探测结果与近地面点式臭氧分析仪测量结果有较好的一致性,相对误差小于10%。在安徽合肥科学岛外场观测结果表明:臭氧探测高度,白天可以达到3 km,晚上可以达到5 km,气溶胶探测高度,白天可以达到10 km,晚上可以达到15 km。     

距离选通水下激光成像系统设计及实验

针对浅水目标探测这一难题,设计了一种基于距离选通技术的水下成像系统。系统围绕532nm Nd…YAG脉冲激光器和选通式增强型电荷耦合器件(ICCD)摄像机搭建而成,并且采用激光脉冲作为系统同步控制的触发信号。采用基于现场可编程门阵列(FPGA)技术设计的同步控制电路,进行了距离选通水下激光成像实验。实验结果表明,采用激光脉冲触发同步控制电路的方法,可有效抑制激光脉冲抖动对系统同步控制精度的影响,从而克服水体表面反射和后向散射对成像的影响,提高了成像质量。在有效衰减系数为0.52m-1的湖泊中,系统的成像深度可达到水下7m,对于浅水目标的探测、识别非常有效。     

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...     

CALIOP 532 nm通道光电接收系统瞬时响应研究

使用Version 3.01 (V3)、Version 4.0 (V4)星载激光雷达CALIOP Level 1 (L1) 廓线数据和Level 2 (L2) 的大气气溶胶和云层数据，对CALIOP 532nm通道的不理想瞬时响应进行分析。对不同时间、地点的数据进行晴空条件的筛选，比较不同晴空条件下的瞬时响应，再利用夜间特晴条件的数据比较不同天底角、版本数据条件下的瞬时响应，同时也探究了地表信号强度对瞬时响应的影响。结果表明，不同晴空条件的结果不同，提取瞬时响应要选用特晴数据；裸地地表类型(t_IGBP=16)不受其他散射物的影响；V3、V4版本变化及天底角改变对瞬时响应没影响；地表后向散射信号强度大小对瞬时响应有影响，去除了小于0.40 km-1sr-1的弱信号。     

北半球冬季和夏季CALIOP 瞬态响应差异性

利用2008年冬季和夏季星载激光雷达CALIOP版本3一级数据产品,分别对北半球两个季节CALIOP 532 nm垂直通道和平行通道的瞬态响应进行统计分析,对比可知北半球冬季和夏季的瞬态响应具有明显的差异。由于南极大陆和格陵兰岛常年被冰雪覆盖,利用CALIOP在该区域的数据得到532 nm垂直和平行通道的瞬态响应函数作为冰雪后向散射特性,并以此作为判断冰雪的依据。北半球冬季有41.8%的数据点和夏季数据点的特性保持一致,表明这些点未被冰雪覆盖。而其它58.2%的数据点的特性和南极大陆以及格陵兰岛数据点特性一致,表明这些点被冰雪覆盖。     

基于CALIOP和MODIS数据的气溶胶时空分布特征对比分析

利用两个AERONET站点（Hangzhou_ZFU、SACOL）的Level 2 气溶胶光学厚度（aerosol optical depth, AOD）数据对比验证CALIOP Level 2 AOD数据。结果表明：Hangzhou_ZFU、SACOL站的相关系数为0.87、0.85,回归方程的斜率为0.76、0.92,这表明CALIOP AOD与AERONET AOD显著相关,在这两个站点及附近区域具有适应性。基于2008~2015年无云条件下的CALIOP Level 3月气溶胶产品和同期的MODIS Terra/Aqua Level 3月气溶胶产品,对比分析中国东南和西北区域气溶胶光学厚度（aerosol optical depth, AOD）时空分布特征。分析表明：中国东南区域AOD季节与空间变化明显,AOD高值主要分布在长三角、珠三角等地,且夏季最高、春季次之,秋冬季相当。MODIS AOD月均值保持在在0.25~0.8之间,且与CALIOP 夜间AOD值接近,但与CALIOP白天AOD值差异较大,最大相差值可达0.45。中国西北区域两种卫星获取的AOD值空间分布非常相似,其高值区都位于塔里木盆地、准格尔盆地和柴达木盆地;AOD值春季最高,夏季减少、冬季次之、秋季最低;MODIS AOD值波动显著且普遍高于CALIOP AOD值。     

探测气溶胶消光特性的双波长米散射激光雷达

研制了一台双波长米散射激光雷达,用来探测对流层大气气溶胶532nm和1064nm两个波段的消光特性及其时空分布.该雷达系统采用四个通道分别用于对流层下部和中上部532nm及1064nm的大气回波信号,并采用窄带滤光片.借助小孔光阑,有效压制背景,以提高系统白天探测能力.描述了该雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法.给出了合肥地区(N31°54',E117°10')对流层大气气溶胶532nm及1064nm大气气溶胶消光系数的垂直廓线及其时空分布的典型探测结果,分析了气溶胶的波长依赖指数和532nm波段的光学厚度.观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好地反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征.     

基于独立成分分析的舰船气泡尾流后向散射光信号处理

光尾流自导鱼雷激光探测系统所获取的信号是水体和舰船气泡尾流共同产生的后向散射光信号,从该信号中提取出舰船气泡尾流的信息是光尾流自导鱼雷的关键技术。由于水体所产生的后向散射光信号强度大于舰船气泡尾流所产生的后向散射光信号,两个信号在时域和频域里的特征又十分接近,因此难以用传统滤波方法将其分离以提取有用的尾流信息。提出了采用盲源分离和独立成分分析的方法来处理激光探测系统所获取的信号,研究了盲源分离的算法,编制程序对课题组在激光探测舰船尾流海上试验所获取的数据进行了计算,结果表明:该方法可在不同探测条件下有效地将舰船气泡尾流场所产生的后向散射光信号从原始信号中提取出来,有利于系统正确判别舰船尾流及其特征。     

一种基于劈尖干涉的激光波长测量装置的研究

基于激光在光学劈尖表面上产生干涉条纹的特点,设计了一种激光波长测定装置。利用线阵CCD将激光垂直照射光学劈尖表面时所生成的干涉条纹感应成电信号并转移输出,经过线性放大、模数转换后变成有限长的离散周期序列,通过快速傅里叶变换测定条纹间距来计算出激光波长,并用532 nm,632.8 nm,980 nm三种波长的激光进行了测试。测试结果表明该装置在背景光不是太强的情况下,性能令人满意,精确度较高,并能从虚拟仪器面板上直观形象地观察信号波形和结果,具有一定的实用性。     

典型滤波器对星载高光谱分辨率激光雷达532 nm通道回波信号的影响

高光谱分辨率激光雷达（High Spectral Resolution Lidar,HSRL）系统利用窄带滤波器将激光雷达回波信号中的大气粒子（云或气溶胶）散射和分子散射成分分开,提升了云或气溶胶光学特性的反演质量。提出了一种基于HSRL探测原理的HSRL回波信号模拟方法,其原理是利用CALIPSO云/气溶胶消光系数产品和数值天气预报数据被用来仿真星载HSRL 532 nm回波信号。两种典型的窄带光谱滤波器:FPI（Fabry-Prot Interferometer）和碘吸收滤波器,作为分子通道滤波器的性能通过仿真的星载HSRL回波信号进行分析。对三种典型:晴空、卷云、气溶胶（两层厚云）的HSRL回波廓线进行详细的敏感分析表明碘分子吸收滤波器的性能明显优于FPI滤波器,其中碘吸收滤波能保持可以忽略不计的相对偏差（4.010-3%）,这是由低光学厚度（1.0）的粒子后向散射效应引起的。但是,如果FPI滤波器的粒子后向散射透过率能保持在10-3水平以下,其仍不失为是一个好的选择。     

调Q开关532nm激光治疗咖啡斑的临床分析

目的观察调Q开关5 3 2nm激光治疗咖啡斑的临床效果。方法运用调Q开关5 3 2nm激光治疗咖啡斑。结果5 92例咖啡斑患者经一次治疗的患者2 86例,其中无效98例( 2 9% ) ,有效2 4例( 8% ) ,显效3 6例( 12 % ) ,痊愈12 8例( 5 1% ) ;经二次治疗的患者2 3 5例,其中无效3 5例( 14 % ) ,有效12例( 5 % ) ,显效18例( 7% ) ,痊愈170例( 74% ) ;经三次治疗的患者71例,其中无效15例( 2 1% ) ,有效2 8例( 3 9% ) ,显效6例( 8% ) ,痊愈2 2例( 3 2 % )。所有患者治疗后均无疤痕产生。总有效率为64 %。结论Q -开关5 3 2nm激光治疗咖啡斑是一种安全可靠、疗效较满意的方法。