基于VMD-ICA的水下激光雷达抗散射信号处理方法

提出一种基于变分模态分解(VMD)与独立元分析(ICA)相结合的水下信号处理方法.该方法运用VMD将一组回波信号分解为多组按照频率高低顺序排列的本征模态信号.然后,将这些模态信号作为ICA的观测矩阵,以确保分离所得目标回波信号的完整性.该方法提出将分解所得的各层模态信号与原信号进行相关性和信杂比比较,以确定其分解层数.应用ICA方法对散射与目标回波进行分离,从而恢复强散射水体中的微弱目标回波,大大提高其测距精度.进行不同衰减长度水体的532 nm调频连续光水下测距实验.经实验验证,该信号处理方法在激光输出功率2.3 W时,成功实现对9个衰减长度内目标的测量,使用算法将测距精度由16 cm提升至5 cm以内.

CEEMDAN联合小波阈值算法在水下激光雷达中抑制散射杂波的应用

水下激光雷达回波信号中往往含有大量散射噪声.为了能够有效抑制散射噪声,提高水下激光雷达测距精度,提出了基于自适应完备噪声经验模态分解(CEEMDAN)与小波阈值相结合的去噪新方法.首先通过相关系数法对自适应完备噪声经验模态分解得到的本征模态函数(IMF)进行筛选;然后对筛选后的本征模态函数进行小波阈值去噪,进一步去除本征模态函数中的噪声成分;最后将去噪后的本征模态函数进行信号重构得到去噪后信号.将该方法应用到不同衰减系数水体的强度调制连续光水下测距实验,使用白色聚氯乙烯(PVC)反射板为探测目标,在3.75个衰减长度时,直接采用相关极值确定延时,测距误差达到19.2 cm;应用该方法处理后,测距误差减小到6.2 cm,有效提高测距精度.

利用涡旋光场计算水中前向散射的频率响应

载波调制水下探测激光雷达利用散射光和信号光在频域特性上的差异来抑制杂散光,而不同水质中的散射光的截止频率是载波调制水下探测激光雷达设计中的重要参数。测量散射杂波的频率响应需要将目标回波与散射杂波分开,尤其是前向散射,与目标回波空间上重合,不容易被分开。文中提出了一种在载波强度调制激光雷达中分别测量水下目标和散射杂波的频率响应方法,利用散射光和目标反射的信号光在空间相干性上的差异,在回波光路上使用螺旋相位板将其分开并分别采集,再通过傅里叶变换得到它们的频谱。实验结果表明,前向散射杂波具有低通特性,而目标回波的响应是平坦的。将信号与散射在频谱中调制频率处的幅度之比定义为“信杂比”,并且用其来表示探测的有效性:当信杂比大于1时,认为探测到了目标。在较浑浊的水中,为了获得大于1的信杂比,载波的调制频率需要更高,基于蒙特卡洛方法对光子在海水中的传播进行了仿真模拟,结果与实验相符。测距实验也证明了,提高调制频率可以减小浑浊水中的测距误差。当信杂比小于1时,提高调制频率,测距误差降低明显。

基于LabVIEW的固体相干激光雷达多普勒测速的信号处理

建立了固体相干激光雷达对运动目标速度的测量系统.雷达发射源为种子注入Nd∶YAG脉冲激光器,回波通过光纤耦合器与本振合束,利用泰克示波器采集外差信号,使用LabVIEW进行信号处理.利用测量多普勒频移测量运动目标的速度,使用放大镜式的快速傅里叶变换提高频谱的频率分辨率,从而提高了测量速度的精度.

涡旋光场在强散射环境中的应用

涡旋光场具有螺旋形的波前和相位奇点,光场中的每个光子都携带轨道角动量。其独特的性质使得涡旋光场可以在空间上区分不具有空间相干性的散射光与具有空间相干性的非散射光,从而可以作为系统中的空间滤波器件使用,并且在强散射环境里这种空间滤波效果尤为显著。分析了涡旋光场所具有的空间滤波作用的原理,并介绍了近年来利用涡旋光场在强散射环境中进行空间滤波的研究。设计了使用涡旋光场的水下激光雷达测距实验,从而证明涡旋光场在强散射环境中可以通过其空间滤波作用提高激光雷达水下测距的精度,并且散射越强,这种空间滤波作用对测距精度的提高越明显。

城乡结合部基本农田空间布局方法研究——以南通市港闸区为例

研究目的:结合新一轮规划修编对基本农田保护区划定的最新要求,研究城乡结合部基本农田空间布局的方法。研究方法:以南通市港闸区为例,利用ArcGIS空间分析技术,采用因子加权分析法和数理统计法,选择土壤质量、实际产能、耕地趋近度、农地破碎度和连片度等因素构建基本农田布局适宜程度评价体系,依据评价单元综合得分划分适宜程度等级。研究结果:(1)港闸区基本农田布局的适宜程度由北向南逐渐降低,较适宜区域主要分布在宁启铁路和宁启高速以北的生态农业区;(2)在与相关规划协调的基础上,对照基本农田保护目标,可将宁启铁路和团结河以北集中连片的优质农地区划定为基本农田保护区。研究结论:该方法综合考虑耕地质量与集中连片等因素,在适宜程度评价的基础上划定基本农田保护区,能够有效落实新一轮规划基本农田"面积不减少、质量有提高、布局总体稳定"的总要求。

基于嵌入式平台的猫眼效应目标实时探测系统研究

在安保工作中,为快速发现狙击手,构建了利用狙击镜的猫眼效应原理来发现目标的系统。该系统不同于传统的采用连续激光扫描视场,而采用可调制半导体激光器为探测光源,在调制信号的控制下照射视场,CCD接收相应的主被动回波图像。并根据目标距离不同所成图像特征不同的特点,提出了分别针对远近目标的识别算法,最终在嵌入式DSP高速处理平台上进行图像处理实现。外场实验结果表明,主被动图像相结合,且利用远近目标不同的识别算法,有效提高了探测率,降低了虚警率,系统准确探测到了300m近目标和800m远目标,并达到10frames/s的实时处理速度。

1 .06μm相干激光雷达动目标多普勒信号探测

介绍了一套1.06μm脉冲式相干激光雷达测速演示系统.采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的Q开关高重复频率Nd∶YAG激光器为发射源,实现稳定的单频输出.通过外差式相干探测的方法,利用转速0～60Hz可调、直径为10cm的转盘为运动目标,回波信号被带宽为3.5GHz的高速光电探测器响应后,经采样率为2.5GS/s的A/D采样,输送到基于LabVIEW信号处理系统中,从而测量不同转速下的多普勒频移,各测速点的多普勒频移测量结果相对误差在3%以内.针对测量中存在的误差从激光器输出线宽和测速系统准确度两方面进行了误差分析,并提出了改进措施.演示系统的良好重复性证实了这种相干激光雷达系统的可行性.

强度调制532 nm激光水下测距

激光水下探测在水下目标搜寻、资源勘探等领域具有重要的应用,而散射是激光水下探测面临的主要挑战.载波调制激光雷达具有抗散射、抗干扰的优点,本文利用自行研制的532 nm强度调制激光源,在3 m长的水箱中搭建激光水下探测系统. 532 nm激光源最大输出功率为2.56 W,强度调制范围为10.0 MHz—2.1 GHz,光束发散角约0.5 mrad.通过在水箱中添加氢氧化镁(Mg(OH)_2)粉末,测量了不同浑浊度下水的衰减系数.采用相位测距的方法,目标反射光的调制信号为探测信号,对激光源进行调制的电信号作为参考信号,利用相关运算获得激光的延时时间,进而可以获得水下目标的距离.最大调制频率为500 MHz时,实现了距离为4.3个衰减长度目标的探测,测距误差约12 cm.探测距离越远,测距误差越大,调制频率越高,测距精度越高.

太阳光泵浦固体激光器的设计

提出了一种太阳光端面泵浦固体激光器设计方案.采用成像光学与非成像光学相结合的方法,以菲涅尔透镜结合复合抛物面聚光器对太阳光进行聚焦.实验表明:设计方案可以实现对太阳光的跟踪,保证入射太阳光垂直于系统入射面,使太阳光有效会聚于激光工作物质.分析激光器各能量转换环节,讨论了影响太阳光到激光能量转换效率的影响因素.

大气背景下盖革模式APD激光雷达探测性能计算

盖革模式工作的雪崩光电二极管,以其灵敏度高著称,广泛应用于天文观测、粒子物理学、激光雷达以及通信领域.但是由于雪崩光电二极管易受到噪音的影响,特别是在背景光较亮的白天,背景噪音对探测有很大影响.本文针对白天大气背景噪音的情况,建立了盖革模式雪崩光电二极管的探测统计模型,通过设定不同探测器阈值和噪音值进行仿真计算,分析了探测阈值与噪音对虚警率的影响,给出了提高最远探测距离的途经与方法.通过限制滤光片带宽、减小探测器开启时间等方法可以将背景噪音光子数减小到2,在900km处的探测成功率为96.6%.对雷达散射截面为1m2的非合作目标,探测成功率为70%.

激光二极管泵浦1319nm单频可调谐激光器技术研究

采用激光二极管泵浦单块非平面环形腔Nd:YAG激光器,获得了1319nm的单频可调谐激光输出,输出功率为99mW,斜效率为29%.用扫描F-P法和狭缝扫描法分别测量了激光器的纵模、横模特性,激光器为单纵模、基横模运转.用温度调谐方法研究了激光器的频率调谐特性,结果是调谐范围为14GHz,连续温度调谐系数为2.1GHz/℃.

利用相位闪耀光栅的光学相控阵扫描性能分析

针对透射型和反射型光学相控阵器件,分别进行扫描衍射效率和扫描角精度的理论及仿真研究。首先,以阶梯相位闪耀光栅为理论模型,推导了光学相控阵器件的扫描衍射效率及扫描角精度的表达式;其次,以器件的实际特性对表达式进行修正,给出了近似实际情况的扫描性能表达式;最后,在假设的器件参数条件下,对0°入射透射型器件和45°入射反射型器件的扫描性能进行了仿真分析。仿真结果表明:两种器件的扫描衍射效率与扫描角精度都随扫描角的增大而加速下降;透射型器件的扫描衍射效率和扫描角精度关于阵面法线对称分布,而反射型器件关于45°出射角不对称。最后还讨论了激光线宽对扫描角精度的影响,说明了此影响在10-9°量级。

激光微多普勒探测系统中降低相位噪音影响的方法研究

相干微多普勒激光雷达具有探测灵敏度高、探测信息量大等特点,特别适合于动目标探测、目标特征识别等应用.本文从线宽和探测距离两个方面讨论了模场相位随机起伏(相位噪音)对于测速准确度的影响,实验证实了相位噪音对激光微多普勒探测的影响,并探索出解决上述问题的方法——光纤补偿法.实验中,以输出波长为1.064μm单块非平面环形腔激光器为光源,利用光纤补偿方法,并结合时频变换的算法,用外差探测的方式成功观测到了微多普勒频移,在传输距离为11 km时,系统最低探测速度达到了0.5 mm/s,速度分辨率达到了mm/s量级,频率分辨率达到了kHz量级,为微多普勒激光雷达的实际应用奠定了良好的实验基础.

16.1W输出1064nm连续单频光纤放大器的实验研究

以976 nm光纤输出半导体激光器为抽运源,采用掺镱双包层光纤,对单块非平面环形腔激光器(NPRO)产生的1 064 nm连续单频信号光进行放大.当入纤抽运光功率49.6 W,信号光功率200 mW时,由10 m长的增益光纤获得了最高功率16.1 W的连续单频激光输出.采用不同长度的增益光纤进行对比实验,分析了在一定的抽运光功率和信号光功率条件下,光纤长度对放大输出功率的影响.研究了放大器的输出光谱特性,分析了信号光对光纤中放大自发辐射的抑制情况.用F-P频谱分析仪对放大前后的频谱进行测量,证实放大器实现了单频放大.

固体相干激光雷达多普勒测速实验

采用单块非平面环形激光器作为种子,注入到单纵模运转的 Q 开关高重复频率 Nd:YAG 激光器为发射源,同时运用温度反馈控制,使种子光源和从动激光器自由振荡频率相匹配,实现稳定的单频输出。采用外差式相干探测的方法,测量运动目标的多普勒频移,从而达到测量运动物体速度信息的目的。根据实验现象,分析失谐频率△ω对外差探测的影响,提出了改进措施并应用于实验。比较已观测到的实验数据与理论计算值分析误差来源。

激光主动探测成像中全景拼接的算法研究

激光主动探测成像是将激光技术、距离选通技术、微弱目标的成像处理等技术结合应用的一项新技术。因其分辨率高、抗干扰能力强、能够生成三维像的优点,广泛应用于各种探测领域。但这种方式获取的图像一般视场角偏小,不利于全局的观察和分析。本文描述了一种通过改进的并行SURF算法检测场景角点特征,能够高速实时地将相邻场景焦点特征相匹配的全景拼接方法。测试了这种方法的运行效率和拼接效果。利用改进后的SURF算法将小视角的图像拼接起来,增大了可视范围,提高了观察和分析的综合能力。并且将这一方法运用到了3D成像激光雷达距离信息的拼接中,测试了效果,验证了其可行性。本文提出的快速配准拼接算法,为高速实时大视场观察奠定了理论和实验基础。

用于太阳光泵浦激光器的菲涅耳透镜设计方法

建立并分析了太阳光点聚焦型菲涅耳透镜的理论模型。提出了适用于太阳光泵浦激光器的设计方法。综合考虑会聚总功率和功率密度提高倍数两个因素,合理设计了菲涅耳透镜口径,相对孔径以及环形小棱镜的宽度(环距)三个参数,获得了用于太阳光泵浦激光器的菲涅耳透镜。

激光二极管抽运单块Nd:YAG激光器电源的研制

为了研制一种用于抽运单频单块激光器的LD电源,采用恒流电路对LD进行驱动,并应用软件监测的方法对电流的长期稳定性和故障进行监测和调节。运用模糊和比例-积分-微分(PID)混合控制温度调节算法,具有超调小和控制精度高的优点,并对基本PID算法进行了简化。使用了一个分段取值的参数,在控制范围内使运算速度提高10倍以上。实验结果表明,实现LD驱动电流的稳定度优于2mA,LD温度长期波动小于0.1℃,激光输出的频率在一定温度范围内连续可调。

四面体光学棱镜

讨论了四面体光学棱镜(包括立方体角锥棱镜)的几何光学特性和光偏振特性,给出了四面体光学棱镜内空间走向光线的传播和反射规律;叙述和证明了立方体角锥棱镜的光学不失调特性和光偏振特性.设计了两组由四面体光学棱镜构造的单块非平面单向行波环形激光谐振腔,分别用于LD泵浦产生1.064μm和1.319μm两个波长的单频固体激光.给出了谐振腔的设计方法和实验结果.