成像探测相干激光雷达技术研究进展

相干激光雷达采用激光本振相干探测并通过平衡探测器实现混频和共模抑制，具有探测灵敏度高、抗干扰能力强的优点。文中阐述了相干探测体制激光雷达的优势和技术特点，介绍了基于单元探测器/面阵探测器开展的合成孔径激光雷达(SAL)、逆合成孔径激光雷达(ISAL)研究进展，讨论了相干激光雷达波形选择、偏振选择、信号处理方法、扩束下的作用距离方程和探测性能、探测器形式和系统灵敏度等问题，在此基础上进一步分析了基于衍射光学系统的激光雷达的特点和激光/红外复合成像探测的需求，并展望了相干激光雷达的应用前景。     

全向激光告警系统的探测灵敏度分析

阐述了全向激光告警系统的结构特点,阐明了成像型全向激光告警系统的两个限制因素:光学系统像面照度均匀性和大视场角之间的矛盾;大视场接收和窄带光谱滤波技术之间的矛盾.分析了鱼眼镜头像面照度的均匀性,以及窄带干涉滤光片对于不同入射角的透射率.综合鱼眼镜头、窄带滤光片和面阵探测器3个硬件之间相互关系,给出激光全向告警探测灵敏度的估算公式,并通过实验验证了其准确性.最后得出结论,为了保证像面的均匀性及系统探测灵敏度,鱼眼镜头和滤光片的参数要配合得当:在选择鱼眼镜头时,需酌情考虑其最大像方出射角;窄带光谱滤光片需满足一定的透射率要求,则要求鱼眼镜头出射光线的最大像方出射角要控制在滤光片有较高透射率的入射角范围之内.对全向激光探测告警系统的器件选择,使器件组合达到最佳的探测性能具有指导意义.     

激光方位探测技术的分析

激光告警作为激光对抗的重要组成部分,在现代战争中起着重要的作用,精确测定入射激光的方向是激光告警发展的需要。介绍了多窗口探测型、成像型、掩膜型、相干型四种现有激光方位探测技术的基本原理和发展现状,总结了各探测技术的优缺点,并指出了来袭激光方位确定技术的发展方向。     

基于漫反射探测的全向激光告警性能分析

为了通过对基于漫反射探测的全向激光告警系统性能的分析,进而达到对系统性能优化的目的,采用理论推导和实验分析的方法,讨论了普通鱼眼镜头的成像规律,得出了系统所使用的鱼眼镜头的成像规律。推导了全向激光告警系统中探测器接收到的漫反射信号功率公式,讨论了鱼眼系统像面照度均匀性,分析了系统中CCD成像特性,得出光斑成像像素个数的公式。采用针对不同成像像素数,得出不同CCD成像面上单像素所探测到的光斑功率公式的方法。得到了不同传输距离时,光斑成像的像素数与探测器距光斑距离d的关系图;不同的能见度条件下探测器所探测到的单个像素功率与传输距离R的关系图;以及在能见度和传输距离一定的条件下,探测器单个像素功率随距离d的变化图。研究结果对于基于漫反射探测的全向激光告警系统设计和研制,优化系统性能具有重要帮助。     

光栅衍射激光告警接收机的探测性能分析

灵敏度和信噪比是激光告警接收机两个重要的性能指标,它们直接影响系统的探测性能和抑制噪声的能力.根据信号统计检测理论,提出了一种计算光栅衍射型激光告警接收机灵敏度和信噪比的方法.首先,对激光信号和系统的内、外噪声进行了系统分析.然后,基于阈值探测理论和奈曼一皮尔逊准则,通过引入探测概率因子和虚警概率因子,求解出以激光信号电流为变量的方程,得到了灵敏度和信噪比的一般表达式.最后,结合该方法利用自行研制的基于正弦光栅衍射型激光告警接收机的实际参数对探测灵敏度和信噪比进行了数值模拟和实验验证,得到0.532 μm激光入射时的探测灵敏度计算值为1.95 mW/cm2,实验值为2.55 mW/cm2.不同入射波长之间的信噪比差异较小,表明该分析方法可以对激光告警接收机的信噪比进行评估.     

全向激光告警系统中激光光斑精确定位方法

在成像型全向激光告警系统中,大视场探测与精确定向构成一对矛盾.为提高全向激光告警的定向精度,需要对激光光斑进行亚像素级的精确定位.在分析了鱼眼镜头大视场聚焦探测像差引起的光斑非对称性,并且信息量不足,不易于实现亚像素激光中心定位的基础上,提出通过镜头离焦的成像方式探测激光,使得激光在成像面上形成一定大小的弥散圆形光斑.在面阵探测器获取光斑采样像素点的基础上,通过双三次B样条插值曲面重建圆形光斑.并提取一定灰度值的光斑圆周插值点,作为圆形光斑边缘.通过快速Hough算法计算圆心,从而实现光斑中心的亚像素精度定位.通过实验对比验证,说明该方法可有效地提高激光光斑中心定位精度.     

一种激光照射方位识别新技术研究

为了提高激光告警系统对激光照射角度的探测精度,提出了一种新的探测方法。该方法用柱透镜将激光汇聚成线光斑后再用二元光电探测器接收。二元光电探测器的两个光敏元设计成外形完全相同的直角梯形并拼接成矩形,当线光斑照射在矩形光敏区域内时,两光敏元分别接收到不等的光强,根据两输出信号差异计算激光照射方位。试验结果表明,这种方法能够较为准确地探测激光照射方位,设计的测试系统对激光入射角度的探测误差小于±0.21°,优于传统的非成像通道识别技术。     

三维成像激光雷达线阵探测模式分析

以三维成像激光雷达对地面车辆目标探测为应用背景,采用线阵光电探测器并行接收的新体制来提高对目标成像的速度和实时性。按照对目标照射的激光辐射形式,总结出两种线阵探测模式：一种是激光多束发射模式,另一种是激光泛光发射模式。对这两种模式的机理、实现方式及优缺点进行了分析,并分别建立了两种模式下的激光雷达探测方程。采用信噪比和测距精度来分析两种模式的探测和测距性能。分别推导出了两种模式下信噪比与距离,发射功率与距离的关系表达式并进行了仿真。仿真结果表明,在相同距离和发射功率下,激光多束发射模式的回波信噪比更高;在相同距离和测距精度下,激光泛光发射模式需采用更高的发射功率。     

宽频带激光告警技术的研究

随着战场上日趋严重的激光威胁,为了保护光电装备,激光告警技术已成为光电对抗中一个非常迫切的课题。阐述了激光告警技术的基本要求,激光辐射探测的基本原理,并以此为基础,提出了激光告警的两种可实现方案;根据实际工作比较详细地给出了利用非制冷红外焦平面器件构成的凝视成像型激光告警器,同时给出了相应的实验结果。     

多元相关探测的改进与分析

为了降低虚警概率,激光警戒接收机大多采用多元相关探测技术．通过对多元相关探测的数学分析发现：尽管相关探测技术能降低接收机虚警概率,但它也降低了探测概率．基于同类传感器的数据融合理论,提出了多元相关探测的改进方法——在激光告警器的相关探测器中应用“Kout of N”规则．计算表明：该方法既能有效地降低告警设备的虚警概率,又能提高探测概率．     

基于盖革APD阵列的微扫描激光成像技术

盖革APD阵列探测的激光成像雷达具有高灵敏度、高帧频、宽视场、坚固、体积小等优点,成为了激光成像雷达发展的趋势。但目前APD阵列像元填充比低,器件阵列少,无法满足高分辨率激光成像的要求。为了解决该问题文中提出采用激光点阵发射的方法与APD阵列像元一一对应,采用拼接技术提高成像分辨率,采用微扫描技术提高激光成像视场。通过构建实验系统,完成了室外试验,成像效果良好,使用现有APD探测器（3232）将系统空间分辨率提高了四倍（6464）,提高了激光三维成像能力。     

激光侦察告警技术的现状及发展趋势

目前,激光侦察告警技术发展迅速,技术日趋成熟。文中首先介绍激光告警中的光纤前端、高精度方位分辨、多波长告警、多元相关探测和多目标处理等先进技术,并分析了激光告警设备的作战效果,最后综述了激光告警设备的新发展。     

线阵扫描三维成像激光雷达系统

针对小型智能机动平台对三维成像激光雷达小型化、低功耗、高精度、快速成像的特定应用要求,基于集成激光器阵列和APD探测阵列设计并实现了12元线阵扫描三维成像激光雷达系统;基于高速数字处理芯片和高精度时间间隔测量芯片实现了并行高精度激光脉冲飞行时间测量和实时数据处理和传输。详细描述了系统原理、组成部分以及实验结果。实验验证该系统激光脉冲重复频率大于10 kHz,垂直方向激光单元角度间隔小于2.5 mrad,近距离距离分辨率优于2.4 cm,测量数据统计标准差小于1,各通道一致性良好。在高速水平扫描转动平台驱动下实现了室内三维场景重构以及高塔大视场远距离目标探测成像实验。     

低空高分辨率激光雷达光学系统设计

针对“低慢小”目标光学成像识别能力差、复杂背景下信噪比低等问题，设计了一款低空高空间分辨率激光雷达光学系统。发射光学系统扫描器件采用MEMS反射镜，设计了专用扩束光学系统保证不同扫描角度发射激光的光束质量；接收光学系统采用物镜、数字微反射镜器件结合偏振器件，可同时实现激光回波接收与可见光成像，相较于采用单点探测器接收的激光接收系统，具有背景噪声低的优势。给出了光学系统的性能参数，利用光学设计软件设计了光学系统，该系统空间分辨率为0.5 mrad/pixel，扫描点阵列规模为200×200。模拟结果表明设计方法可行，计算其在大气中的探测距离可达到1000 m，背景噪声相较于单点探测器接收系统可降低约22162倍。     

二分搜索和压缩感知在激光超声内部缺陷快速检测技术的应用

激光超声检测技术由于其非接触、高灵敏度和高空间分辨率特点,在无损检测领域具有广阔的应用前景。但其在高空间分辨率下进行大面积扫查需要花费较长的扫描时间,实用性受到制约。针对上述问题,文中提出使用二分搜索方法提高了检测速度,并使用压缩感知算法将所探测到的激光超声信号表示为小波基的线性加权组合,最终从二分搜索获得的较少实测激光超声信号中还原出整个待测范围内的信号。进一步,搭建了内部缺陷的激光超声扫描检测装置,使用脉冲激光实现超声的激光激发,多普勒测振仪实现超声的非接触探测,通过固定激发探测距离移动样品的方式实现了基于二分搜索和压缩感知的激光超声内部缺陷快速检测。文中提出的技术不但具有非接触、高灵敏度和高空间分辨率等激光超声的特点,还能提高检测效率。实验结果表明,在120 mm×30 mm×8 mm的铝板上确定缺陷位置需6 min,相比于逐点扫查需要14 min,缩短了体内缺陷定位所需要时间。     

InGaAs单光子雪崩焦平面研究进展（特邀）

雪崩光电二极管（APD）是一种高灵敏度光电器件。按照工作电压的不同可分为线性APD和盖革APD。其中,盖革APD的工作电压高于击穿电压,利用半导体材料内部载流子的高雪崩增益可实现单光子级信号探测,也被称为单光子雪崩光电二极管（SPAD）。InGaAs材料SPAD在0.9~1.7 μm光谱范围内有高量子效率,是1.06、1.55 μm主动激光探测的理想探测器。通过将高效率InGaAs SPAD阵列芯片与CMOS计时/计数读出电路芯片集成封装,制备的雪崩焦平面探测器可对光子信号进行时间量化,在三维激光雷达、远距离激光通信、稀疏光子探测等领域有广泛应用。介绍了InGaAs单光子雪崩焦平面的器件结构及基本原理,在此基础上回顾了国内外雪崩焦平面技术的研究进展,并对未来发展方向进行了展望。     

Development of a Small-Animal PET System

Developments in small-animal positron emission tomography (PET) technology aim at reaching spatial resolution in the submillimeter range and increasing the system sensitivity. Various detector schemes have been implemented in complete tomographic systems for in vivo animal imaging. These include small scintillation crystals read out by multichannel-photomultiplier tubes with optical fibers to guide the light, phoswich detectors, and direct coupling of semiconductor detectors to small scintillation crystals. One design uses avalanche photodiodes (APDs) for the detection of scintillation light. A prototype sector scanner was the first to combine fast lutetium oxyorthosilicate (LSO) crystals with APDs. Based on the results from this tomograph, a new system is being built with smaller detector elements for improved spatial resolution and sensitivity. In this overview paper, the concepts, technical realization, and expected performance of this system are described.     

非扫描激光主动成像系统性能分析

介绍了面阵非扫描型激光主动成像系统的原理、特点及影响其性能和成像距离的因素。对激光主动成像模型、ICCD探测器性能、灵敏度指标换算和目标识别性能进行了分析计算。依据入射辐照度和探测器辐照度灵敏度,建立了探测距离公式和入射辐照度需大于探测器辐照度灵敏度2倍的距离估算方法。采用808 nm波段激光进行的主动成像实验证明了理论分析的有效性。     

全向多粒度的激光探测分辨力测试与评估方法

为了准确地测试和评估激光探测设备角度分辨力和探测范围指标,在研究分析常见测试评估方法的基础上,提出了一种全向多粒度的激光探测角度分辨力测试与评估方法,提出了跳区、有效探测范围比例等新概念。利用这一方法对某激光探测设备进行了角度分辨力和探测范围测试,并根据实验结果探讨了基于跳区的激光探测角度分辨力和探测范围指标评估方法。实验结果表明,该测试与评估方法能够更加方便地测试、更加准确地表征和评估激光探测设备的分辨性能,可为激光探测接收设备总体论证、设计生产和测试评估提供有益的技术参考。