利用双通道激光雷达验证低信噪比反演算法

针对相干测风激光雷达(LiDAR)在低信噪比(SNR)下反演算法的可靠性和精度难以验证的问题,搭建了一种双通道的脉冲相干测风LiDAR系统,可以同时获取高、低SNR的2组数据,并使用高SNR通道的结果作为真值,比较利用不同的算法在低SNR通道进行矢量风速估计的结果。该系统避免了使用其他观测设备作为真值时难以配准或观测目标不统一的问题。本文研究利用雷达获取的观测结果验证了各个算法的有效性,并在各个算法间进行了横向对比。最终,依据各个算法的性能表现和计算复杂度,指明了各个算法具有优势的使用场景。该结果对于充分利用现有系统、使用新算法提高低SNR下的数据获取效率,或在指定探测指标的前提下降低激光能量等硬件要求、实现系统小型化有一定意义。

基于光线追迹非同轴激光雷达重叠因子影响因素的分析研究

重叠因子是影响激光雷达系统探测近距离大气的一个关键因素,对其进行精确计算有利于获得更准确的探测结果.为此,提出了一种通过光线追迹获得非同轴激光雷达系统重叠因子的仿真方法.该方法利用ZEMAX分别对载入真实机械结构的发射系统和望远镜接收系统进行光线追迹,确定出同一距离处激光强度分布和望远镜的视场函数分布,通过计算重叠区域被望远镜视场函数加权后的激光强度占激光总强度的比例,可得到该距离处的重叠因子,最后通过不同距离处的重叠因子拟合出完整的重叠因子廓线.此外,利用此方法对一套激光雷达系统进行了几何因子廓线仿真,并分析了系统轴间距、光轴失调角度、激光发散角、望远镜视场角以及次镜机械遮挡对系统重叠因子廓线的影响.仿真结果表明当激光光轴偏离望远镜光轴的角度等于望远镜视场角和激光发散角差值的1/2时,远场的重叠因子不能达到1,这对激光雷达系统的设计和安装提出了更高的要求.

高动态范围激光雷达回波信号的全波形采集方法仿真研究

针对一些激光雷达系统中回波信号动态范围较大,难以对其进行强弱兼顾的高性能采集的问题,提出了利用高速数字化仪进行全波形采集,再配合算法软件处理的一种软硬件联合采集方法。对于其中的软件光子计数算法,还提出了一种脉冲甄别电压阈值的动态选择方法来提高计数准确度。为了对比验证方法的可行性,建立了光电探测采集的全链路器件仿真模型。基于一套优选器件的典型参数,仿真对比了全波形采集方法与现有方法的采集误差,验证了所提出的全波形采集方法及动态阈值选择算法的有效性与技术优势。该研究为高动态范围、微弱光信号的探测方法,提供了软硬件结合的新思路。

荧光米激光雷达气溶胶团边界检测

有机气溶胶具有荧光效应,能在特定波长激光的激发下产生荧光,针对此类荧光气溶胶团,提出了一种基于水平探测荧光-米激光雷达的径向边界检测算法。该算法利用荧光和米双通道的回波信号构造一个去除大气影响的函数,并采用截距法检测荧光气溶胶团的突变特征信号以确定边界。数值仿真表明,该算法在不同能见度和信噪比下对单个和两个荧光气溶胶团的径向边界检测都具有较高的精确度和稳定性。利用该算法检测了荧光-米激光雷达对单个或两个荧光气溶胶团的径向边界,结果表明该算法有效提高了边界检测的准确度和稳定性,且具有检测单个荧光气溶胶团边界的时效性。

一种低功耗的红外无线视频传输系统

设计了一套用于传送视频信号的低功耗红外无线传输系统。该系统以反熔丝工艺的FPGA器件作为编解码核心,高速串行红外收发器作为收发模组。FPGA内部配置了游程长度受限码作为红外信道编解码逻辑,并与缓冲、串并/并串转换、循环冗余校验、扰码/解扰等模块一起构成编解码核心。配合辅助的AD/DA接口电路,可实现对复合视频信号从采集缓冲、编码发射到解码回放的完整功能演示。该传输系统的位速率高达16 Mbit/s,而发射模块的功耗低于500 mW,适合应用于大型视频处理系统中作视频采集设备与视频处理设备间的无线接口。

一种新的红外焦平面图像信号无线光输出协议

文中提出了一种针对红外焦平面图像信号无线光输出的高速数据链路层协议。该协议以IrDA标准的红外数据链路协议(IrLAP)作为参考,通过红外无线信道来实现点对点、高速、稳定的图像信号输出。协议的设计充分考虑了对多种红外传输速率的支持,以及位错误率(BER)、红外帧长度、应答分组大小等因素对系统传输吞吐量的影响,提出了寻找合适参数有效的计算方法,以及基于FPGA的红外无线视频传输平台的设计方法。实验结果显示,传输平台可以在16Mb/s的红外传输速率下长期稳定工作。这表明本协议适用于VFIR及更高速率的图像无线传输,经过不断地测试与完善,可为制订今后焦平面图像信号光输出规范提供参考。

外差探测激光雷达光学收发器优化设计

基于激光雷达外差探测理论,给出自由空间和光纤耦合两种模式下外差效率的解析表达式,并通过参数代换使两者具有统一的形式;结合此表达式以及湍流环境下的信噪比公式,仿真给出了地基与天基外差探测激光雷达系统不同探测距离处的最优望远镜和截断因子。研究结果表明地基系统信噪比随着望远镜孔径变化比较陡峭,存在最优望远镜孔径和截断因子,如若取值不恰当,会造成系统信噪比巨大损失;而天基平台下回波信号的信噪比随着光学收发器孔径先增加后保持平稳,孔径取值需要综合考虑成本和信噪比,最优化的截断因子均为80%。此研究对外差探测激光雷达设计理论的发展及系统器件的最优化配置提供了理论依据。

焦平面图像红外无线传输系统中边沿位置调制的低功耗实现

在焦平面图像红外无线传输系统中,通过引入边沿位置调制(EPM)方式来代替传统的脉冲位置调制方式,提高了传输带宽效率。提出了基于反熔丝FPGA的EPM调制低功耗实现方案,包括输入接口、缓冲器与RLL(5,12)编码状态机的设计,以及数据恢复、脉冲提取等EPM解调关键技术的解决方案。实验系统利用EPM调制方式,在24MHz带宽条件下实现了320×240像素视频数据的低功耗红外无线实时传输,促进了焦平面图像红外无线输出的进一步实用化。

激光光斑中心高精度定位算法研究

为提高测风激光雷达系统光学结构能量接收效率,需要对激光雷达系统中的激光光斑中心进行准确定位.通过对常用亚像素定位算法的分析,利用高斯拟合和矩形区域来对灰度重心定位算法进行优化,提出了激光光斑定位的改进算法,并与已有的算法进行了对比分析,设计并开展了验证试验.试验结果表明改进算法比已有传统算法对激光光斑的定位准确性大幅提高,最大限度地减小光斑形状的不对称所导致的误差,对于光能量分布中心的估计也更为准确,是一种切实可行的光斑中心定位算法.

常见食用油和煎炸食用油的激光诱导荧光光谱特性

为了实现地沟油的快速检测,利用激光诱导荧光探测技术搭建了食用油类快速检测系统。对多种食用油和煎炸食用油(地沟油的一种)进行了光谱采集,建立了多种食用油和煎炸食用油的荧光光谱数据库,发现煎炸食用油的特征荧光光谱与常见食用油之间存在较大差异,在此基础上利用主成分分析法和BP神经网络实现了油类识别、地沟油的快速检测,总体识别率高达97.5%。实验证明激光诱导荧光光谱技术具有快速非接触和灵敏度高等优点,与BP神经网络相结合能够实现油类的快速识别,成为地沟油快速检测的一种新方法。

城区机载激光雷达点云数据与航空影像的多尺度配准方法

提出了一种激光雷达(LiDAR)点云数据和航空影像的多尺度配准方法.该方法采用渐进式的配准策略,利用面形态学的方法构建尺度空间.配准过程分为两部分:在大尺度下利用面片特征进行配准;在小尺度下利用直线特征进行配准.渐进式的配准策略简化搜索匹配的直线特征的过程,提高了自动化程度,构建基于面形态学的尺度空间提高了配准元的提取精度.最后,通过实验验证了方法的可行性.

基于激光诱导荧光的常见机油快速识别方法

基于激光诱导荧光光谱原理,提出一种常见机油的快速识别方法。利用激光器发射波长为355nm的紫外激光,诱导九种常见机油样品发射荧光,共采集450组荧光光谱数据,其中360组数据用于分类训练,90组数据用于识别。分析发现不同机油的荧光光谱特征有明显差异,利用主成分分析结合聚类分析法实现了对90组待识别光谱数据的快速识别,识别率可达97.8%。实验证明,激光诱导荧光光谱结合多元分析可以实现不同机油的快速识别与检测。

基于CALIPSO和转动拉曼-米散射激光雷达研究北京地区大气气溶胶特性

为提高大气气溶胶参数反演结果的准确性,结合实验室研制的转动拉曼-米散射激光雷达和NASA的CALIPSO,仅用2个激光雷达的弹性后向散射信号,无需对激光雷达比进行假设,反演出了2012年春季北京上空晴天、雨后、阴霾天气的气溶胶光学参数的垂直分布.结果表明:此方法可有效地获取气溶胶消光系数和后向散射系数的垂直分布;气溶胶的消光系数值在阴霾天气最高,晴天次之,雨后最低.

相干测风激光雷达望远镜孔径及截断因子的优化分析

基于相干多普勒测风激光雷达外差探测理论,给出自由空间和光纤耦合两种模式下外差效率的解析表达式,并通过参数替换使两者具有统一的形式;结合此表达式以及湍流环境下的信噪比公式,仿真给出了地基及星载相干测风激光雷达系统不同探测距离处的最优望远镜和截断因子。研究结果表明地基系统信噪比随着望远镜孔径变化比较陡峭,存在最优望远镜孔径和截断因子,如若取值不恰当,会造成系统信噪比巨大损失;而星载平台下回波信号的信噪比随着望远镜孔径先增加后保持平稳,望远镜孔径可以综合成本和信噪比进行合理取值,最优化的截断因子为80%。此研究对相干多普勒测风激光雷达探测理论的发展及系统器件的最优化配置提供了重要的理论依据。

拉曼-米激光雷达污染环境下气溶胶散射系数反演

提出一种针对雾霾等大气污染环境下近地面区域气溶胶后向散射系数的修正反演方法.针对大气污染环境下近地面气溶胶含量激增导致弹性信号强度超过激光雷达抑制比而引发弹性信号泄漏,进而造成转动拉曼信号发生畸变,提出一种拉曼回波信号修正方法;同时考虑了大气温度对大气分子散射应用于气溶胶反演的影响.实验表明,相比经典Raman-Mie气溶胶反演方法,修正算法反演近地面稳定气溶胶层内气溶胶后向散射系数精度可提高约20%,有助于改善拉曼米雷达在污染环境下的总体探测性能.

激光诱导荧光初榨橄榄油掺杂定量分析

利用激光诱导荧光技术开展了初榨橄榄油掺杂定量分析的研究。利用波长为450nm的激光激发不同掺杂浓度的掺杂橄榄油样品产生荧光并进行荧光光谱采集。将采集到的光谱利用线性判别法(linear discriminant analysis,LDA)结合k-近邻方法(k-Nearest Neighbor,kNN)建立掺杂橄榄油掺杂浓度预测的模型。通过交叉验证,该模型预测的橄榄油掺杂浓度的均方根误差为3.74%。按照掺杂浓度的不同将样品分为4组进行分类识别,分类正确率达88%。结果表明,利用激光诱导荧光原理结合LDA-kNN能够实现掺杂橄榄油掺杂浓度的定量分析,该方法可以用于掺杂橄榄油快速初筛。

星载CO_2探测频率步进扫描IPDA激光雷达回波信号反演及误差分析

设计了星载CO_2探测频率步进扫描积分路径差分吸收(IPDA)激光雷达,弥补了欧洲航天局ASCOPE项目单波长CO_2探测IPDA激光雷达对波长依赖性较强等不足.仿真计算了一个扫描周期内的激光雷达回波信号和系统的相对随机误差、大气压强不确定性误差以及频率不稳定性误差.当频率步进扫描到on-line波长为6 361.235 0cm-1时,在海面反射率为0.035sr-1、大气压强不确定性为0.001以及激光频率不稳定性为0.3MHz条件下,系统综合相对误差为0.084 2%.结果表明,采用频率步进扫描方法结合IPDA激光雷达技术探测大气CO_2浓度不仅可以观察到相对误差随on-line波长变化的关系,而且可以有效地减小测量误差,使其小于0.5×10^(-6).

改进简单多尺度法的激光雷达云检测

激光雷达作为大气主动遥感探测的重要手段之一,被广泛用于气溶胶和云层探测。基于简单多尺度层检测算法,通过添加尺度个数阈值,提出了一种在时均可提高云底反演高度准确性的云检测算法。该算法通过仿真云层内部多峰时的回波信号,得到了最优化尺度个数阈值范围;同时通过添加特征段合并有效减少了单层多峰情况下的漏判。分别使用微分零交叉法、简单多尺度法和改进后的算法对532 nm米通道激光雷达在2019年5~7月探测的20组探测时长75 min以上、结构稳定、时序上无突变的有效数据进行检测,并以微分零交叉法的云底高度为准,通过改进算法得到的均方根误差平均减小32.65%,不确定度平均减小33.80%,验证了改进算法在提高云底高度准确度上的有效性。

非均匀校正技术算法分析与实时系统设计

为获得良好的红外焦平面阵列非均匀校正效果,讨论了非均匀性的来源、噪声类型和目前基于定标、基于场景的常用非均匀校正方法。对修正的时域高通滤波、改进的神经元网络等利用场景信息来估计探测器参数的校正算法进行了仿真效果和实时性能的分析与评价。同时设计了一种以TMS320DM642为处理核心的小型低功耗DSP硬件系统平台,描述了系统流程和实时实现策略,为红外焦平面系统提供了一条有效的实现路径。

2μm星载相干测风激光雷达风速及风向误差建模与分析

基于全微分和统计理论推导了星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差的解析表达式,利用克拉默-拉奥误差下界代替Frehlich经验公式对风场的随机风速误差进行评估,建立了通用型的星载相干测风激光雷达合成水平风速和风向误差计算模型.在NASA/NOAA提出的星载测风激光雷达系统设计指标框架下,对风速及风向误差模型进行可行性分析,得到了总的径向随机误差随着探测距离的变化关系及水平风速区间的选取对随机误差的影响.同时,为了计算合成采样误差,改变不同的垂直分辨率和方向角取值,对水平分量的采样误差进行对比分析.仿真结果表明,合成的水平风速和风向的误差范围为0.8~3.2 m/s和2.38°~3.49°,基本符合星载测风激光雷达的相关指标要求.