大气环境监测卫星激光雷达技术

星载激光雷达是高精度测量全球大气CO_(2)柱浓度和气溶胶垂直廓线的重要手段,大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在一套激光雷达中集成了2种探测体制,采用1572 nm积分路径激光差分吸收方法测量全球CO_(2)柱浓度,采用532 nm高光谱探测(HSRL)方法测量气溶胶和云的垂直廓线,均为国际首次在星载平台成功验证,是国际首个星载CO_(2)探测激光雷达和国际首个高光谱气溶胶探测激光雷达。在国际已发射的星载激光雷达中,ACDL激光雷达是探测体制最全、波长最多、能量最高、频率最稳和精度最准的激光雷达,实现了创新跨越。大气探测激光雷达在轨连续工作,首次获得了全天时精度优于1×10-6的全球CO_(2)柱浓度、精度优于20%的气溶胶廓线等遥感数据。本文介绍了ACDL激光雷达的工作原理、系统参数以及相关的定标测试结果。

用于空间快速指向机构的轻量化反射镜研究

为了满足空间激光通信和激光雷达载荷中快速控制反射镜的使用需求,研制了一种轻量化SiC反射镜。首先,根据指向机构的使用工况和动力学响应要求,对反射镜结构的安装形式以及轻量化进行了优化设计;其次,通过有限元仿真分析,计算出反射镜的动态特性和安装使用中的面形变化,模拟出镀膜应力对反射镜面形的影响;最后,结合镀膜应力的产生机理和作用方式,在反射镜光学加工阶段预制面形补偿,解决了反射镜镀膜中面形退化问题。测试结果表明,反射镜在装配过程中的面形变化均方根(RMS)≤0.005λ(λ为波长,λ=632.8nm),反射镜安装后的最终面形变化RMS值为0.019λ,可以满足系统使用的指标要求。该反射镜的结构设计与分析流程以及镀膜加工方法可以应用到其他类似反射镜的设计与加工过程。

大气探测激光雷达校飞样机研制与飞行验证

星载激光雷达是高精度测量全球温室气体和气溶胶垂直廓线的重要手段,大气环境监测卫星大气探测激光雷达(ACDL)在国际首次采用激光积分路径差分吸收技术测量全球CO_(2)柱浓度,采用532 nm高光谱探测技术测量气溶胶和云的廓线。星载激光雷达载荷研制期间,同步研制一套主要功能一致的机载大气探测激光雷达校飞样机,并开展机载飞行试验,获取了大量飞行试验及其对比数据,提供了机载平台真实的数据源,对于优化ACDL激光雷达系统参数和研究星载数据反演算法至关重要。最后在机载飞行平台下,验证了优于1×10^(-6)的CO_(2)柱浓度测量精度和优于15%的气溶胶测量精度。未来利用该机载样机可以进一步开展星地对比验证。

激光告警技术研究进展

激光告警技术是光电对抗的重要组成部分,能够识别具有威胁性的激光信号并发出告警,有效提高了飞行器、舰船、卫星等重要平台的生存能力,在相关领域发挥着重要作用。按探测原理的不同,激光告警技术可以分为相干识别型、光谱识别型、光栅衍射型和成像型4类。梳理了国内外激光告警技术及装备的研究进展,对不同激光告警技术性能进行对比,并对激光告警技术的发展趋势进行总结。

星载激光雷达激光器热控技术研究

为了满足星载大气探测激光雷达在轨应用需求,对该系统采用的空间大能量脉冲固体激光器进行了空间环境下的热控设计仿真及试验研究。首先根据激光载荷整体布局以及轨道特性参数分析并计算了激光器外部空间热环境,随后介绍了激光器构型及热设计,然后利用热传导以及空间热辐射理论建立了热分析模型,开展了激光器在轨热设计及仿真,并通过空间热真空环境试验验证了热控方案。激光器在轨工作温度波动优于±0.033℃,激光器内部关键器件大功率的激光放大器模块温度低于28℃,实现了大能量脉冲固体激光器在轨超高精度控温,满足了激光器在轨稳定运行工作的使用要求,为激光雷达在轨正常工作提供了重要保障。

百纳秒脉宽单频大能量1064 nm激光器

报道了基于光纤-固体混合放大的百纳秒脉冲宽度单频大能量1064 nm激光光源的研究工作。采用1064 nm分布反馈(DFB)半导体激光器作为单频连续种子光光源,采用声光调制器将种子光整形为脉冲宽度约为149.0 ns的洛伦兹波形脉冲光,重复频率为60 Hz,经过级联的全保偏光纤放大器放大后,获得单脉冲能量约为2.1μJ、脉冲宽度约为216.7 ns的脉冲光输出。固体放大部分采用激光二极管(LD)端面抽运的Nd∶YVO4晶体作为高增益的前放大器进行双程放大,采用LD单侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为预放大器进行双程放大,采用两级LD双侧面抽运的Nd∶YAG板条晶体作为功率放大器,最终获得了单脉冲能量为151.4 mJ、脉冲宽度约为267.8 ns的激光输出。采用光学外差法对输出脉冲激光的线宽进行了测试,线宽约为14.2 MHz。研究结果为星载相干测风激光雷达采用1.06μm的激光光源提供了新的技术路线。

星载高光谱分辨率激光雷达大气气溶胶和云探测研究

为实现对全球气溶胶光学参数剖面的高精度测量,采用基于碘分子滤波器的高光谱分辨率探测技术。结合欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的大气再分析数据集(ERA5)的温度和压强数据,选取在轨期间途经撒哈拉沙漠和加拿大山火区域的星载高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的观测数据,对沙尘类气溶胶和烟尘类气溶胶的光学特性进行分析,包括气溶胶的后向散射系数、消光系数、退偏振比和雷达比。结果表明:撒哈拉沙漠地区近地面5km以内的气溶胶分布主要以沙尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.2~0.4,雷达比数值集中在40~60sr;加拿大山火地区的气溶胶主要以烟尘类气溶胶为主,其退偏振比集中在0.02~0.15,雷达比在50~70sr范围。激光雷达特有的高光谱探测技术,在气溶胶和云的精细化探测和分类方面具有重要应用,将在环境监测中发挥重要作用。

1.57μm IPDA激光雷达云回波信号CO_(2)柱浓度测量研究

路径积分差分吸收(IPDA)激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO_(2)浓度,具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%,因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中,除了地面和海洋回波信号,还有很多云层回波信号。结合机载大气探测激光雷达(ACDL)信号采集特点,针对复杂的云层回波信号,提出一种基于中位数绝对偏差的离群值筛选法提取信号,可分离多层云回波信号及云层与地面回波信号同时存在的信号。分析云信号的探测能力,并利用云层回波信号积分值反演云上CO_(2)柱浓度,结果与原位测量仪测量结果变化趋势一致,二者偏差为2.8μL/L。

大规模光学相控阵分级SPGD算法及优化研究

随机并行梯度下降(SPGD)算法是一种应用广泛的最优化算法,在光学相控阵的多光束相位调控中具有重要作用。常规的SPGD算法在光学相控阵单元数目较大的应用场景下存在着迭代步数多、收敛速度慢等缺陷。为此提出了一种分级SPGD算法,将多光束进行分级,通过在多级使用SPGD算法对光束的调控来实现快速收敛和稳定维持。介绍了该算法的理论模型和流程,运用数值仿真的方式与传统算法进行了性能比较,结果表明,分级SPGD算法能够在大规模光学相控阵中显著提高收敛速度。搭建了光学相控阵实验系统进行分级SPGD算法的原理和可行性验证,在不同光束数目条件下实现了分级SPGD算法的闭环锁相,验证了算法的优越性,结果显示分级算法在32路光束时可以将迭代次数降低到常规算法的59.6%。

基于改进型粒子群优化算法的畸变光斑校正仿真研究

相干探测激光雷达作为一项重要的光学探测技术,在实际应用中面临着大气湍流的影响:大气湍流会导致光斑发生畸变,从而降低探测性能。为解决这一问题,笔者提出了基于改进型粒子群优化算法的畸变光斑校正方法。该方法通过引入Metropolis准则以一定的概率接受劣质解,达到了更高的收敛极限。另外,改进型粒子群优化算法对惯性参数的取值不敏感。对于不同的惯性参数,随着迭代次数增加,所提算法最终都能够达到相同的收敛极限,这说明改进型粒子群优化算法的鲁棒性较好。在中强湍流和强湍流下,对比分析了随机并行梯度下降(SPGD)算法、粒子群优化(PSO)算法和改进型PSO算法的校正结果。仿真结果表明:在收敛速度方面,SPGD算法用时最长,其次是PSO算法,改进型PSO算法用时最短。在收敛极限方面,对于中强湍流,三种算法都能够使斯特列尔比提高到0.8以上,可以认为畸变校正达到了理想效果;对于强湍流,SPGD、PSO和改进型PSO算法使斯特列尔比分别提高了1.2、2.6、3.2倍(与校正前相比)。综合来看,相比SPGD和PSO算法,改进型PSO算法更有利于提高相干探测激光雷达的性能,尤其是在强湍流条件下。

高灵敏度光束位置信号提取的激光通信跟瞄一体化(特邀)

提出一种基于四象限探测器跟瞄和通信复用的强度调制直接探测的空间光通信系统,以超声波电机驱动的双光楔为光束偏转执行单元形成光束位置跟踪的闭环系统。驱动电机转动周期为15 ms,位置分辨率为0.83μrad。经理论分析和实验验证,该系统的位置闭环跟踪−3 dB带宽约为4 Hz。当位置探测误差小于10%时,即光束探测精度小于12μrad,对应的探测灵敏度为−45.2 dBm。在10 Mbit/s的通信速率和无信号编码下,误码率为1×10^(−3)时对应的通信灵敏度为−44 dBm。验证了利用四象限探测器作为跟踪与通信复用探测器的可行性,可应用于小型化、轻量化的星间激光通信终端。

深空激光扩频通信测距一体化技术(特邀)

在深空探测中,以微波为载体的通信、测距载荷面临链路损耗大、频谱资源紧张等问题。相比微波,激光光束发散角小,能量更为集中,可达更远的传输距离,以激光为载体的通信、测距载荷具有体积小、质量轻等优势。搭建了一套激光相干外差扩频通信测距一体化深空探测系统,提出了一种基于曲线模型的插值重采样方法,并对该曲线模型进行了理论仿真和实验验证。该模型由系统先验信息构建,是伪随机码相位差的线性函数。实验结果表明,对于静态目标,测距偏差不超过0.55 mm,测距精度不超过0.42 mm。对于动态目标,测距偏差不超过0.59 mm。静态和动态目标测距中实现了零误码通信。此外,扩频通信测距一体化设计应用于深空导航和深空时频同步,可以提高实时性。

准二维各向同性激光冷却的光场仿真

在各向同性激光冷却原子实验中,光场分布是影响冷原子分布的重要因素,可以利用真空腔的结构和激光的注入方式的不同来调控腔内的冷原子分布。本文提出了一种扁平形漫反射腔体结构,并对冷却光的不同注入方式和不同尺寸的腔体结构形成的光场分布进行了仿真。仿真结果表明,与自由空间光入射相比,激光由光纤入射能够获得更均匀的准二维分布的光场,因此可以通过调节光纤的入射角度及光纤参数,实现对光场均匀度的优化。此外,随着腔体边长的等比放大,腔内光功率密度呈负指数幂衰减。扁平形漫反射腔形状接近二维,在准二维分布的光场和特殊的扁平形腔体结构的作用下,能够获得呈准二维分布的冷原子,在量子传感及量子精密测量领域具有重要的应用前景。

2kHz重复频率分立路径Nd∶YAG Innoslab激光放大器

提出一种结构紧凑的分立路径Nd∶YAG Innoslab激光新型八程放大器系统。种子光源为采用Nd∶YVO4晶体作为增益介质的电光调Q激光振荡器,输出平均功率2.7W的种子光注入到Innoslab激光放大器中进行放大。当激光的输出重复频率为2kHz时,最高放大激光功率达到13W,脉冲宽度约为15.5ns,此时提取效率达到14.6%。实验测得光束质量因子在x和y方向上分别小于1.7和1.5。基于分立路径的激光放大器结构,在最大泵浦功率下依然没有观察到寄生振荡及自发辐射放大现象。

各向同性激光冷却的快速冷原子密度测量

在某些冷原子实验中,需要提前测定冷原子的密度分布并为后续实验提供数据支持,以前的手动方法已不再适用,针对该问题提出了一种新型的冷原子密度分布测量方法,可在单个冷原子制备周期内实现对原子密度分布的测量。新的方法利用一对反亥姆霍兹线圈与一对亥姆霍兹线圈分别产生梯度磁场和偏置磁场,通过调节亥姆霍兹线圈电流,即可改变总磁场零点的位置,进而影响不同位置处的原子对探测光吸收的贡献,最终实现对原子密度分布的测量。在理论上分析了该方法的可行性,并提出了快速冷原子密度测量的实验方案。

面向空间引力波探测的低噪声稳频激光器

基于未来卫星间激光干涉任务的需求,介绍了一种基于迈克耳孙光纤干涉仪稳频的1064 nm激光稳频系统,该系统采用全光纤器件,结构紧凑、体积小、可靠性强。通过拍频测试,得到该系统的频率噪声在30 mHz~1 Hz范围内小于30 Hz/Hz1/2,频率稳定度在积分时间为1 s和1000 s时分别为1.2×10^(-14)和3×10^(-13)。该系统的性能满足LISA任务对稳频激光的需求,有望应用于未来的空间引力波探测任务。

多体制兼容相干探测卫星激光通信技术

卫星相干激光通信系统中,信号调制格式以相移键控(PSK)为主,未兼容开关键控(OOK)的相干接收。针对卫星相干光通信接收机不兼容多种调制格式的问题,实验搭建了兼容OOK以及二进制相移键控(BPSK)的相干通信接收装置。在1 Gbit/s的通信速率下,当调制格式为OOK且信号光功率为-54.6 dBm时,误码率(BER)为10^(-3),接收灵敏度距离散粒噪声极限3.3 dB;当调制格式为BPSK且信号光功率为-57.95 dBm时,BER为10^(-3),接收灵敏度距离散粒噪声极限4.2 dB。该多体制兼容相干接收机的结构与当前大多数相干接收机的硬件通用,且具有较高的接收灵敏度,证明了卫星相干激光通信多体制兼容技术的可行性,具有重要意义。

超冷原子冷却用集成全光纤1064 nm激光系统的研制

深度冷却是超冷原子制备过程的关键步骤,是探寻极低温度的关键技术。详细阐述了一种用于87Rb原子深度冷却的集成化全光纤1064 nm激光系统的研制方案。激光器采用两级主振荡功率放大的方案,将单一种子源信号进行放大、分束和调控,输出4路具备独立控制的激光,作为制备超冷量子气体的交叉光阱的光源。经测试,激光器在功率、稳定性、噪声等各方面满足原子深度冷却的实验需求。在地面条件下进行的两级深度冷却预实验中,获得了10 nK以下的初步实验结果,这验证了激光器具备实现超冷原子深度冷却所需的全部功能。激光器集成了种子源、放大器和全功能光学平台的功能,其内部模块采用全光纤器件研制,具有集成化、数字化、高稳定、免调试、易维护等优点,经过简易改造能够应用于远程遥控和遥测的超冷原子项目中。

单频窄线宽窄脉宽高重复频率光纤激光器

报道了基于保偏光纤结构的窄线宽窄脉宽高重复频率光纤激光器。采用主振荡器功率放大器(MOPA),主放大级采用芯径为40μm的光子晶体光纤(PCF),获得了重复频率为10 kHz、脉宽为1.34 ns、光谱宽度为0.05 nm、脉冲能量为298μJ的稳定激光输出。通过腔外倍频的方式,使用长度为40 mm的温度匹配型三硼酸锂(LBO)晶体,获得了能量为155.5μJ的532 nm激光输出,倍频效率为52%,横向和纵向光束质量分别为M_(x)^(2)=1.28和M_(y)^(2)=1.26。该激光器可应用于基于单光子探测技术的空间激光探测雷达。

铷87原子双光子跃迁光谱稳频特性研究

铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考,分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号,通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件,大幅改善了光学对准引起的稳频误差,通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10^(-12)、500 s稳定度为2.88×10^(-13)的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比,构建的基于87Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10~100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性,并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。