光纤Mach-Zehnder干涉仪测风激光雷达技术与数值仿真

基于光纤Mach-Zehnder干涉仪双边缘检测技术,提出并设计了一套全光纤非相干测风激光雷达系统,对多普勒频移的提取和风速反演算法进行了理论分析,针对大气分子散射信号的特点,对光纤Mach-Zehnder鉴频系统进行了优化设计.应用美国标准大气模型,对系统的灵敏度、信噪比以及测量误差进行了数值仿真.仿真结果表明,对532nm波长的地基分子散射测风激光雷达,当垂直距离分辨率为300m,进行1 000次激光脉冲累计平均后,得到径向探测距离达到20km,径向风速在±100m/s的范围内时,径向风速误差小于1.4m/s,说明此系统可以进行远距离大尺度风速的测量,为新型小型化测风激光雷达的开发及研制提供了一种可行的技术方案.

基于VC++的改进的图像边缘检测算法研究

对4种常用的图像边缘检测算子的特点进行了分析和比较。在此基础上,针对LOG算子存在的一些缺点,运用选取阈值的方法,将Sobel算子和LOG算子结合起来,提出了一种新的图像边缘检测方法。基于VC++语言,研究了该方法的设计并得以实现。实验结果表明,相对于单纯的LOG算子,该方法更具有实用性和有效性。

法布里-珀罗环转线系统的测风激光雷达技术与数值仿真

设计了基于法布里-珀罗(F-P)条纹技术的非相干多普勒测风激光雷达系统,采用环转线干涉仪光学系统(CLIO)将F-P形成的环状条纹转换成线性条纹成像到具有高量子效率的CCD探测器上进行检测,克服了环状条纹与传统阵列式探测器不匹配的缺点并改善了探测系统的信噪比。采用光学设计软件ZEMAX对该系统进行了光学设计和数值仿真,得到了用于反演风速的不同波长干涉条纹图样,并对重心法和Voigt函数拟合法两种主要的风速反演方法进行了对比讨论。结果表明:用Voigt函数拟合法反演风速误差较小,获得风速在20 m/s时的误差小于0.5 m/s,验证了该系统的设计及数据反演算法的可行性,为测风激光雷达的进一步研制提供了理论依据。

基于Mach-Zehnder干涉仪条纹成像技术的多普勒测风激光雷达鉴频系统研究及仿真

多普勒激光雷达在大气风场探测中已经得到广泛应用。相比于Fabry-Perot(F-P)干涉仪、Fizeau干涉仪,Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪作为鉴频器具有透过率高、探测谱的范围宽、能进行视场展宽而获得大光通量、所成直条纹可以与CCD匹配等优点,同时也可以实现大的风速探测范围,弥补现有直接探测多普勒测风激光雷达探测范围较小,探测灵敏度的非线性问题。分析了基于M-Z干涉仪条纹成像技术的激光雷达大气风场探测原理,对干涉仪鉴频系统进行了参数优化设计及仿真分析,通过设定实验参数,获得仿真结果,进行数据反演,得到风速值与理论结果基本一致。

全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s^(-1))鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s^(-1)))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s^(-1)大动态范围内风速误差小于1 m·s^(-1)的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。

原向反射式大靶面光幕探测灵敏度分布特性

为了解决光幕探测能力不足的问题,提出了一种基于原向反射原理的大靶面光幕探测方法,根据探测系统的测量原理,建立了灵敏度分布模型,揭示了探测系统的灵敏度分布规律。进行了仿真与实验,仿真与实验结果均表明:随着弹丸过幕坐标与入射角逐渐增大,系统探测灵敏度逐渐下降;随着弹丸直径逐渐增大,系统探测灵敏度随之增强。在设定的参数条件下,当靶面为4 m×4 m时,系统可对直径6 mm及其以上的弹丸探测,指标要求探测捕获率不小于98%,目前实验中还未发现漏测情况,可以实现全靶面有效探测;建立的探测灵敏度分布模型对工程实践具有指导意义。

圆形阵列光电探测系统双目标识别方法

针对双弹丸同时着靶情况下的立靶坐标测量问题,提出一种圆形阵列光电探测系统的双目标识别方法。采用光电探测器件组成1个圆形的探测阵列,并将3个发光角度均为60°的扇形一字线激光器均匀设置于圆形探测阵列上组成探测光幕。当2发弹丸同时穿过探测光幕时,会在圆形探测阵列上产生6个弹丸投影,通过信号处理电路识别6个弹丸投影的中心位置,最后通过系统弹丸着靶坐标测量公式计算得到2发弹丸的着靶坐标。在对系统测量原理进行论述的基础上,建立了系统的弹丸着靶坐标测量模型,并对坐标测量误差进行了分析和仿真。仿真结果显示,系统在测量靶面为1 m×1 m时的X坐标测量误差标准差最大为2.7 mm,Y坐标测量误差标准差最大为0.6 mm。实验结果表明,系统在测量靶面为1 m×1 m时的X坐标测量误差标准差为2.22 mm,Y坐标测量误差标准差为1.98 mm。因此,该文所提出的系统可以有效测量弹径4.5 mm及其以上的双弹丸着靶坐标。

一种短靶距区截测速装置靶距标定方法

针对采用传统钢卷尺等方法无法精确测量光幕靶区截测速装置靶距,进而导致弹丸速度测量误差较大的问题,提出一种采用长靶距测速装置标定短靶距测速装置靶距的方法。将需要被标定的短靶距测速装置和一套长靶距标准测速装置进行比对测速,两套装置测量同一发弹丸在弹道同一点的速度,通过长靶距测速装置测得较为准确的弹丸速度,进而通过短靶距测速装置测得的时间和长靶距测速装置测得的弹丸速度,反求得到短靶距测速装置的靶距。通过理论分析和实验比对的方法,证明该靶距标定方法的可行性和标定精度。

三维微纳米半球周期结构光学表面场分布及复合散射特性

为进一步拓展微纳米周期超结构功能特性,满足光学周期超结构高精度设计需求,基于时域多分辨分析方法,从Maxwell方程出发,推导出微纳米三维半球光学周期结构表面散射耦合场,计算结果与时域有限差分方法结果吻合良好。给出微纳米三维半球光学周期结构表面场分布并数值计算微纳米三维半球光学周期结构表面微分散射截面,提炼分析填充材质、半球尺寸、半球间距等参量对光学周期结构表面散射场影响规律。结果表明:P偏振下电场分布更能突出周期结构表面结构单元轮廓;散射场值随入射角变大,在对应镜面散射角方向逐渐减小;在半径和波长值相当时,填充单元散射场峰值个数与探测范围内填充单元个数吻合;随填充半球间距增大,散射场的极大值数递增,且极大值对应的角度区间依次减小。

双N型六光幕阵列弹丸斜入射速度测量方法研究

针对炮管仰角射击、枪弹扫射、弹丸末端弹道飞行等斜入射情况下的弹丸速度测量需求,提出一种双N型六光幕天幕靶弹丸斜入射速度测量方案,系统主探测器,两台三光幕天幕靶通过“N”型狭缝光阑和光学镜头在预定弹道空间形成六个探测光幕,弹丸以一定角度入射并依次穿越六个探测光幕时,六个探测光幕对应的六套信号处理电路依次输出六路弹丸信号,通过数据采集仪对六路弹丸信号进行采集和处理,得到弹丸穿过六个探测光幕的时刻值,再进一步结合系统光幕结构参数,计算出弹丸的飞行速度和飞行方向,并对系统速度测量误差进行了分析和仿真,最后通过实弹试验的方法验证了系统的速度测量精度≤1.1‰。

基于多级树集合分裂的零飞仪实时图像压缩

为了解决靶场测试中零飞仪有效带宽无法满足实时跟踪目标图像无线传输的问题,提出了一种基于多级树集合分裂实时图像压缩算法。根据零飞仪图像特点分离目标与背景,背景区域采用常规JPEG压缩,目标区域采用优化JPEG2000压缩;优化JPEG2000算法以结合小波提升变换及优化分块方案,采用多级树集合分裂算法替代JPEG2000中优化截断嵌入式分块编码算法。试验结果表明:该算法的压缩比可达4.39,而压缩时间比传统算法减少了2/5,并具有峰值信噪比高、均方根误差低等优点,有效地提升了零飞仪图像无线传输速率,满足零飞仪实时大吞吐量的图像数据传输要求。

线阵CCD精度靶图像触发算法设计

针对线阵CCD精度靶测量弹丸坐标时需要额外触发光幕发送触发信号来决定其何时开始采集的问题;在图像采集过程中,设计一种图像触发算法在接收线阵CCD相机的图像数据信号的同时自动检测弹丸并实时发送触发信号;通过研究弹丸图像的特性以及算法在FPGA上的硬件实现方法,利用当前采集到的图像对算法进行了实验验证;实验验证表明,该算法可有效识别弹丸信号,并能排除其它非弹丸信号的干扰;该算法对提高线阵CCD精度靶触发精度,精简线阵CCD精度靶结构具有十分重要的意义。

Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪,Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点.本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统,构建了风速反演的数学模型,利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能.数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出,采用Sine Sqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离,并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响,从而实现视场展宽.结果表明:采用Sine Sqr函数拟合法可获得在±100 m·s-1的径向风速范围内<0.45 m·s-1的风速误差,克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点;视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下,能最大补偿1°的视场角.MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础.