空间碎片天基光子计数激光探测研究

为了满足空间碎片探测与精确定轨的需求,采用光子计数的高灵敏激光探测方法,讨论了盖革模式下雪崩二极管探测器的光子计数探测基本原理,并建立了引入探测器与空间碎片的相对径向速度的天基光子计数探测模型,进行了空间碎片光子计数激光探测的理论分析和仿真验证。结果表明,在可探测速度范围内,光子计数激光探测技术能有效探测到尺寸为10cm的空间碎片目标,测距平均误差为34.72cm。与传统地基雷达和光电探测手段相比,此技术测距精度能提高3个数量级,可有效降低航天器与空间目标碰撞的概率。     

光子计数探测的非线性失真及其改进的研究和探讨—一种多路光子探测法的方

对光子计数探测中堵塞漏计引起的非线性失真现象作了一些新的探讨和分析，提出了一套新的减少漏计的方法，多路光子探测法将会大大扩展光子计数探测的线性范围，进一步提高探测的灵敏度，信噪比和精度，使探测的水平跃上一个新的台阶。     

155μm InGaAs APD单光子探测中的小脉冲现象

对InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)在探测单光子过程中出现的小脉冲现象进行了研究,分析了小脉冲的产生原因,并讨论了其对光子计数及时间精度的影响。同时在准单光子条件下进行了试验,并在此基础上提出了改进方案。APD最大输出脉冲峰值约200mV,最大脉宽为30～40ns时,鉴幅电平取其峰值的1/e,同步符合门宽取最大脉宽的2/e,将获得较好的结果。     

光子计数激光测深系统

设计了一套基于光子计数探测体制的激光雷达水深探测系统,该系统工作波长为532 nm,单脉冲激光能量为0.5 J,脉冲宽度为400 ps,激光重频为10 kHz,单光子探测器死时间为22 ns,时间间隔分辨率为50 ps。首先介绍了光子计数探测体制激光雷达用于水深探测的基本原理及其相对于传统机载激光测深雷达的优越性;然后分析了水底回波信号产生的平均光电子数与系统单脉冲激光能量的关系,从而理论求取出该系统的极限测深能力为3.7 m左右。最后进行了外场实地试验,对所获激光雷达点云数据进行滤波和解算,成功测得了透明盘深度为1.2 m的浑浊水体深度为2 m以内的水下信息。     

光子计数探测的非线性失真及其改进的研究和探讨—一种多路光子探测法的方

对光子计数探测中堵塞漏计引起的非线性失真现象作了一些新的探讨和分析，提出了一套新的减少漏计的方法，多路光子探测法将会大大扩展光子计数探测的线性范围，进一步提高探测的灵敏度，信噪比和精度，使探测的水平跃上一个新的台阶。     

光子计数法及其在微脉冲激光测距中的应用

本文介绍了脉冲选通二进制调制的光子计数法及其在微脉冲激光测距应用中的系统结构及测距方程表达式,提出了探测误差概率pc与平均信号光电子数＜ns＞和宽带热背景＜nb＞之间的关系,最后分析了堆积效应等因素对计数误差（δ）的影响并提出了减小δ的方法措施。     

飞秒激光脉冲在光子晶体光纤中的频率变换实验

具有微米或亚微米尺度微结构的光子晶体光纤被证明非常适用于高效反斯托克斯波的频率转换。纳焦耳量级的飞秒激光脉冲在光子晶体光纤的传输过程中，通过控制入射光的偏振方向或者耦合模式可以产生具有可调频率的反斯托克斯超短脉冲，并具有极高的转换效率。     

基于光子脉冲的外差探测高精度测距系统

设计了光子脉冲外差探测系统的系统结构,利用光子脉冲外差原理与光子探测统计理论,建立了基于光子脉冲外差探测系统的测距精度理论模型。根据方波近似条件和光子脉冲外差探测系统的典型参数,研究了噪声和温度参数对测距精度的影响。仿真实验表明,该系统可以实现高精度的测距。     

激光在光子局域化研究中的应用

概述了无序光学介质中光子局域化的理论基础及其研究内容,介绍了几个常用激光器进行强光子局域化现象观测的实验,总结了用超短脉冲激光器进行的光子局域化时域研究所取得的成果,建议加强中红外可调谐超短脉冲激光生成的研究以促进中红外光子局域化的研究.     

星载微脉冲光子计数激光雷达的探测性能仿真分析

星载微脉冲光子计数激光雷达能够实现对地面目标的高重频、多波束探测,有效提高了激光雷达在轨测量的采样密度和覆盖宽度,满足全球高效高精度测绘的需求。依据微脉冲光子计数激光雷达的工作原理,建立了基于多像元光电倍增管（PMT）的星载微脉冲光子计数激光雷达的探测仿真分析模型,并对典型探测过程进行了仿真分析。结果表明,多像元PMT像元数的增加能够明显降低激光雷达的首光子效应,提高测距精度;激光雷达的测距标准差随地形坡度增大而明显增大;对于复杂地形,增加像元数和回波光子数,光子计数点云能够更准确描述地形轮廓的分布特征。同时,机载飞行试验验证了在复杂地形条件下,多像元PMT能够显著增加有效回波光子计数点,准确有效地反映了被测地形的轮廓特征,实现复杂地形下的高精度光子计数测距,验证了仿真分析结果的正确性。     

星载光子计数激光雷达海面点云仿真方法

星载光子计数激光雷达作为一种新的探测体制激光雷达,已开始应用于海面测量。然而受海风等多种因素的影响,海面存在一定的粗糙度和较大的起伏变化,因此光子计数激光雷达返回的信号点云在返回能量和信号光子分布上存在较大的变化,潜在的影响到了海面高程测量精度。本文基于JONSWAP海浪谱和微面元模型理论,结合蒙特卡洛方法建立了光子计数激光雷达海洋目标的仿真模型。以ICESat-2星载光子计数激光雷达的系统参数作为输入,仿真了不同风速条件下海面的信号光子分布,通过与ICESat-2实测结果对比证明了仿真方法的正确性。基于仿真模型,分析了不同风速条件下,光子计数激光雷达的测距误差分布。结果表明,光子计数激光雷达测得的海面高程小于实际参考海面,且测量偏差和标准差随风速增加而增大,当风速为10m/s,累计脉冲次数为100次时,测量偏差约为-2.5 cm,标准差为3.6 cm。所建立的仿真模型和分析结果对优化针对海面观测的星载光子计数激光雷达的系统参数设计和平均海面观测结果修正具有重要的参考意义。     

Micro pulse lidar

An eye safe, compact, solid-state lidar for profiling atmospheric cloud and aerosol scattering is described. The transmitter of the micro pulse lidar is a diode pumped microjoule pulse energy, high-repetition-rate Nd:YLF laser. Eye safety is obtained through beam expansion. The receiver uses a photon counting solid-state Geiger mode avalanche photodiode detector. Data acquisition is by a single card multichannel scaler. Daytime background induced quantum noise is controlled by a narrow receiver field-of-view (FOV) and a narrow bandwidth temperature controlled interference filter. Dynamic range of the signal is limited by optical geometric signal compression. Signal simulations and initial atmospheric measurements indicate that systems built on the micro pulse lidar concept are capable of detecting and profiling all significant cloud and aerosol scattering through the troposphere and into the stratosphere. The intended applications are scientific studies and environmental monitoring. which require full-time unattended measurements of the cloud and aerosol height structure     

遥感测云微脉冲激光雷达

文中介绍一种用于大气云层研究与气溶胶监测的结构紧凑、对人眼安全、高性能和高可靠性的新型全固态激光雷达－微脉冲激光雷达（ＭＰＬ）,该雷达可长时间、实时和自动化工作,对人眼十分安全,它的性能在大气辐射测量（ＡＲＭ）项目中得到验证,并和ＵＩＳＡＬＡ云高计进行比较。证实了遥测云层时,在分辨率、成像能力、云层结构分析、抗干扰能力、小型化、多样化运载平台和成本上均优于微波气象雷达。作用距离已达６０ｋｍ以上。三维测量能力和测量度优于被动辐射计。     

非扫描脉冲成像激光雷达灵敏度方程

非扫描成像激光雷达是激光雷达的重要发展方向之一.激光雷达的一个非常重要的性能指标就是给定条件下的最大探测距离,这需要通过激光雷达灵敏度方程对其进行计算.分析了脉冲直接探测的非扫描成像激光雷达与扫描成像激光雷达的不同,介绍了增益调制型非扫描激光雷达系统构成及成像原理,并给出了基于像增强器型CCD(ICCD)能量积分器件作为探测器的该激光雷达成像中的信号和噪声.最后,提出了一种基于对比度和图像信噪比的增益调制非扫描成像激光雷达灵敏度方程.     

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。     

脉冲激光测距机最大测程测试方法研究

最大测程是反映脉冲激光测距机性能优劣的主要参数之一。分析了现行激光测距机最大测程指标考核的方法,比较了各种考核方法的利弊。在此基础上提出了一种采用室外消光法与室内时序增益系数比检测相结合的方案进行激光测距机最大测程测试的新方法．并对两具测距机分别进行了室外消光比、室内时序增益系数比、最大测程的测试,对两者的结果进行了对比。最后针对本测试系统的组成进行了误差分析。结果证明,新的检测方法可以客观、真实、准确地测量1．06μm和1．54μm两种波段的脉冲激光测距机的最大测程,测试结果受天气条件和目标特性影响小,也不受脉冲激光测距机增益电路的影响,且测量精度高,重复性好,操作方便可靠。同时还可对激光测距机测程范围、测距精度、选通范围及选通精度、距离分辨率等主要性能参数进行模拟测试。     

Hybrid digital-analog technique for UWB direction finding

In this letter, we propose an alternative approach for UWB direction finding using hybrid digital-analog technique. The proposed system uses an array of leading-edge pulse detection scheme in analog domain. The detection scheme is realized using tunnel diode with envelope detector and comparator latch, whose output is digital binary signal. The outputs or all array branches are then summed up to form a staircase-shaped waveform, whereby the slope of the waveform indicates the direction of impinging UWB signal. In order to detect the slope and produce the estimation of the direction, an analog differentiator joint with a peak detector is utilized. The proposed system is relatively simple and does not require high sampling rate or high speed DAC.     

激光雷达观测斜程能见度反演方法

目前基于激光雷达测量能见度的反演算法可以较为准确地反演均匀大气条件下的水平能见度,对云雨雾等非均匀大气条件下斜程能见度的准确反演较为困难。为了准确探测复杂大气条件下的斜程能见度,分析了激光雷达探测大气能见度的反演算法,重点针对非均匀大气条件下能见度难以准确反演的问题,提出了一种将Collis斜率法与Klett后向法相结合的能见度反演迭代算法,适用于不同天气条件下不同倾角路径平均能见度的反演。利用车载式激光雷达系统对能见度进行了实际测量,实验表明:在均匀大气条件下,该迭代算法与广泛使用的Collis斜率法和Klett后向法完全吻合;对于非均匀大气条件,该迭代算法也可克服Collis斜率法和Klett后向法的局限,更为快速稳定准确地反演出需要的大气能见度信息。     

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.     

激光雷达一维距离像的目标识别算法研究

本文针对复杂背景下激光雷达一维距离像的目标识别,提出了利用最小二乘估计器和线性滑动窗口构造滤波器的算法。根据目标本身形态的总体尺度范围特征设定滤波窗口,很好地实现了对目标的识别过程。给出了该算法的设计思路和算法流程图,分析和优化了算法的时间复杂度,并列出了算法在不同距离上的目标识别概率。算法的时间复杂度分析和模拟实验结果表明,该算法目标识别的正确率可以达到89%以上,能够很好满足实时条件下的目标识别要求。