激光技术前沿笔谈:从阿秒到纳秒--跨越时间尺度的脉冲激光的产生、发展及在大科学装置中的应用

2023年10月27日第十九届北京激光技术前沿论坛在北京工业大学知新园学术报告厅隆重开幕,本次学术论坛由北京光学学会与中国光学光电子行业协会、中国光学学会激光加工专业委员会、固体激光技术重点实验室、北京工业大学科协、北京工业大学理学部联合主办,旨在把握激光技术发展前沿和热点、共享研究成果,促进我国激光光电子技术的科技创新与合作,为与会者搭建高水平交流平台。本刊从论坛选取了北京工业大学黄婷研究员、中国科学院空天信息创新研究院李捷研究员、中国电子科技集团公司第十一研究所眭晓林研究员的分享报告整理为笔谈,以飨读者。

激光相干雷达中光单次下变频技术

在相干激光雷达远程测距中,为提高雷达的探测距离和距离分辨力,通常使用大时宽带宽积的信号如调频信号对光载波进行调制,并在接收端进行脉冲压缩处理,为降低接收端数字信号处理的数据量以提高运算的实时性,需要将接收信号下变频至合适的频段。传统的外差式雷达接收机需对光信号和电信号分别进行一次下变频,导致系统结构较复杂,且受器件非理想化的限制,下变频过程中会引入额外的噪声,此外还存在镜像频率噪声干扰的问题,导致解调信号信噪比降低。提出了一种将光信号直接下变频至脉冲压缩所需频段的方案,该方案使用正交解调的方式进行,能够简化系统结构同时抑制镜频噪声。首先将本振光进行频移并分为两束,通过控制相位使两本振光相互正交。将信号光分为两束并分别与两路本振光在光电探测器表面进行混频,接着对电信号进行采集,通过相关算法对幅相不平衡进行矫正。经仿真和实验,该方法能够在有效简化激光相干雷达接收机系统结构的同时避免镜频噪声干扰,在10 GSps采样率下,相较于外差式接收机,解调信号信噪比提高了约3dB。

V型啁啾调频单脉冲激光测速测距方法与实现

为实现雷达远距离动目标实时跟踪探测,单脉冲线性调频脉冲压缩算法和V型啁啾调频脉冲压缩算法为快速获得运动目标的距离速度信息提供算法基础。结合脉冲压缩算法优势以及两种波形脉压算法的弊端,利用V型啁啾调频脉冲发射波形,提出采用三角调频滤波处理方法,以解决目标的距离、径向速度值及速度方向信息同时获取的难题,为单脉冲实现速度矢量信息的隐蔽探测提供解决方案。通过搭建脉冲激光相干测量实验平台,在接收镜头后连接17.618 km延迟光纤以延长目标往返距离,对转速从−3.67~3.67 m/s的转盘进行速度距离测量。在40 MHz调制带宽,4.096μs调制脉宽,2.5 GS/s采样率条件下成功实现单脉冲距离速度多维信息获取,并对测速准确性进行评估,距离测量精度达到0.33 m,速度测量精度为0.061 m/s。

激光相干雷达中光电双下变频技术

在激光雷达远程测距中,雷达接收机需要在接收信号信噪比较低的背景下,对其中的有用信号进行识别、提取和判决。因此,为保证雷达系统的探测距离和精度,在激光发射功率一定的前提下,需在信号接收处理的各环节中设法提高信号的信噪比。当前外差式激光雷达接收机在变频时将本振光和信号光直接混频,导致镜像频率噪声与有用信号叠加,致使解调信噪比恶化。针对激光雷达接收机提高信号信噪比的需求,提出了一种在信号解调过程中对镜频干扰进行抑制,从而提高解调信噪比的方法。采用光电联合I/Q下变频,首先参考Hartley结构,在光信号的解调过程中对镜频处的噪声进行抵消,随后采用I/Q支路不平衡补偿算法对潜在的双支路不平衡量进行矫正,最后使用数字正交下变频将中频信号解调至基带。仿真和实验表明,该方法能够有效消除调频信号变频过程中引入的镜像频率噪声,相较于传统激光相干雷达接收机方案,该方案解调得到的基带信号信噪比提升了约3 dB。

采用数字直接合成技术实现激光调制研究

文中给出了一种应用数字直接合成(DDS)技术设计的新型激光调制解决方案。该方案具有频率精度高,稳定性好,分辨率高的特点,有利于提高激光相位探测的精度。

基于双处理器技术的激光微弱信号发生系统

研制了基于ADuC841和AT89C55双处理器的微弱信号产生系统。该系统可将任意波形转换为微弱激光信号。双处理器技术的应用提高了系统的整体性能,在实际使用过程中表现出了很高的可靠性和灵活性。

阵列分束激光三维成像技术

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大,导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点,提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束,将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束,调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置,使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上,提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理,提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案,研制了阵列分束激光三维成像原理样机,利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明,采用该技术后,采用峰值功率10 k W、脉宽8 ns的激光源,填充因子2/3的8×8 APD,三维成像作用距离达到510 m,同等条件下与不分束相比,作用距离提升39.1%。

脉冲式激光水下测距数字检测技术研究

文中针对激光水下测距信噪比低、回波信号提取困难的问题,采用数字检测技术进行处理,大幅提高了检测信噪比和激光水下测距能力,同时拓宽了激光测距的应用范围。

基于多波束风场位移测量法的高速数据采集和处理系统设计

为实现对风场的实时监控,多波束风场位移测量系统对数据采集系统提出了很高的要求。针对实际需求,设计了实现高速数据缓存和传输控制的FPGA芯片,主要包括PLL时钟管理模块、前级FIFO缓冲模块、后级双口RAM存储模块以及FIFO和RAM的读写控制模块等,很好地完成了数据的缓存和异步读取,并且极大简化了A/D芯片接口电路结构和印制电路板设计的复杂性。在开发环境QuartusⅡ6.1中对设计的各个模块分别进行了综合和仿真,仿真结果表明各模块均达到了设计要求。风场位移测量系统成功地对实地风场进行了测量,结果表明高速数据采集系统能够有效地检测出风场中不同距离处的散射回波信号,并据此计算出风速以及风向。

基于小信号放大的掺铒光纤放大器的仿真与实验

本文研究并设计了一种掺铒光纤放大器,该EDFA能够有效对微弱光信号功率进行放大。首先在OptiSystem环境下进行理论数值仿真优化,根据仿真优化结果对现有光路进行改进。为对比两种掺杂浓度光纤的增益特性,本文进行低掺光纤和高掺光纤仿真与实验,发现高掺光纤优势较大,选用高掺光纤增益系数可达34.2 dB。相较传统EDFA,选择的高掺光纤长度仅为传统光纤长度的十分之一,并且可以保证增益系数在34 dB以上;其次在缩短光纤长度的条件下对-40 dBm的信号产生较大增益,利用改进的插值法计算测量得到的噪声系数更加精确,较传统放大器低0.3 dB左右,实现较低噪声系数和较高增益。基于以上优点,该放大器已应用于信号光的前置放大系统,对小信号光具有良好的放大效果。

水下激光回波信号采集系统的设计与实现

针对水下激光探测遇到的特殊问题,设计了一种水下脉冲激光回波信号采集系统。信号前端放大电路采用AD603可变增益放大器,用于抑制水体后向散射并放大激光回波信号;数据采集及缓冲电路采用ADC08200配合FPGA实现,简化了电路设计结构,并使系统具备可扩展性;数据传输及系统控制基于C8051F单片机实现。整个系统工作稳定,已用于实际系统中。

非扫描激光三维成像系统算法及工程实现

介绍了非扫描激光三维成像系统的工作原理和基本组成模块,通过采用FPGA+DSP硬件架构,构建了系统信号处理平台。实验结果表明,系统能够较好地完成图像的三维伪彩色显示。

全光纤激光相干探测实现远距离目标测速

采用全光纤结构进行相干探测,使用输出功率100 mW窄线宽激光作发射源,利用多普勒效应,可对0.1 m～3 km目标进行测速。该系统探测灵敏度可达10-13W,具有功耗小、环境适应性好、可靠性高等优点,适用于飞船着陆器安全软着陆等应用。

双通道接收的无扫描激光成像技术

比较了几种无扫描激光三维成像技术的优缺点,提出一种基于双通道接收的强度调制型无扫描激光三维成像技术,该技术具有成像速度快、精度高、可靠性好、距离远的特点。采用大功率脉冲激光器作为激光照射源,两路ICCD同时接收,双通道分光系统将接收回波分到两路ICCD,通过两路ICCD强度信息反演出目标各点距离信息。重点介绍了该项技术工作原理和实现方法,研制了原理样机,进行了成像实验,对成像结果进行了分析,实现了作用距离5.1 km、作用距离30 m时距离分辨率0.25 m的技术指标。

水下微脉冲激光雷达单光子测距技术研究

在水下测距中,回波强度不足以在探测器输出端形成完整的回波波形。本文提出运用微脉冲激光雷达体制,对于单光子进行探测,利用Poission分布概率检测原理可检测出回波出现的位置,并结合水下测距系统进行一系列仿真计算和实验,收到良好效果,研究有助于大幅提高激光水下测距雷达的测距能力。

脉冲压缩技术在相干激光雷达中的应用研究

脉冲压缩技术在微波雷达、无线通讯领域有着广泛的应用,但在相干激光雷达特别是相干激光测距领域应用较少。本文将脉冲压缩技术应用于相干激光雷达系统中,对脉冲压缩相干激光雷达进行理论分析和性能分析,分析可见脉冲压缩技术可显著提升相干激光雷达的性能。

激光相干多普勒测速精度实验

激光相干多普勒测速雷达由于测量精度高、测速范围广、功耗体积小等优势广泛应用在风场测量、导航及飞行器着陆等方面。为了测试其测速精度,本文研制了速度发生器,搭建了高精度大速度范围的精度测试平台,利用搭建的测试平台对激光多普勒测速精度进行测量,在105. 8266 m/s的速度下测得的精度为0. 0383 m/s。对激光多普勒测速的精度进行了分析,提出了插值校正FFT频率、采用流水线的FFT处理方法、增加采样位数和提升采样频率等方法来提高测速精度。

新型双频相干脉冲压缩测速测距激光雷达

激光雷达具有抗干扰能力强、分辨率高、隐蔽性好等优点,已被广泛应用于精密测量、侦察监视、火控、制导等领域。针对远程激光测速测距中回波信号微弱难以检测的现实情况,提出了一种新的双频激光测速测距方法,采用脉冲压缩技术实现信号检测。通过实验,本文对该方法的原理进行了分析与验证。结果表明,该方法可以实现对运动目标的测速与测距。

粗糙球体和锥体目标激光散射非相干分量比

为了研究激光散斑对目标探测的影响,采用物理光学近似方法,进行了平面波激光照射在粗糙球体和圆锥体目标时对散射场统计特性的理论分析,推导了粗糙体目标散射场量的二阶统计矩,数值计算了粗糙球体和锥体的非相干散射分量比随粗糙度、散射角、半径及目标材料的变化情况。结果表明,散射角的变化对粗糙球体散射非相干分量比有影响,粗糙度变大,目标的非相干分量占总散射分量的比重越大;随着粗糙球体半径变小,球体表面越粗糙;圆锥体目标散射非相干分量比的峰值位置随粗糙度变化而不同,但其峰值均位于镜反射方向上;金属类材料比非金属抛光铝材料的非相干分量比小,且半径变化与非相干分量比成正比。该研究结果可为更复杂目标激光散射特性和激光散斑探测、识别的研究提供一定的参考价值。

激光多普勒测速中连续波调频非线性的分析与校正

基于多普勒效应的线性调频激光测速系统的原理是:激光照射到运动目标,引起光束频率发生改变,返回的光束与本振光进行相干混频后得到多普勒频移,进而可以推算出目标的相对运动速度值,但调频的非线性严重影响了测量结果的准确性。仿真分析了调频非线性对测量的影响,调频非线性会使混频后频移产生误差,造成速度测量不准,并且影响速度极性的判断,验证了激光调频线性度对测速有很大影响的结论,并对校正调频非线性提出了可行的方法,完成了调频线性化的矫正,降低了系统测量误差。