机载双频激光雷达系统设计和研制

针对林业、建筑、近海、岛礁和滩涂的测绘要求,中国科学院上海光学精密机械研究所开发了具有自主知识产权的机载双频激光雷达产品样机,可以同时完成对陆地地形和海底地形进行测绘。该样机在三亚蜈支洲岛进行了飞行试验,最大探测深度达到30 m,等效一类水质条件下可达50 m,最小探测深度达到0.22 m,测深数据和单波束声呐数据对比中误差为0.108 m,实地测量数据和陆地点云量测数据比对中误差为0.18 m,试验结果基本符合设计预期,为进一步产品定型打下了良好的基础。

基于深度学习的机载激光海洋测深海陆波形分类（英文）

机载激光雷达的海陆波形分类对于沿海地区及其变化性质的研究至关重要。提出了一种在原始的机载激光雷达回波上使用深度学习进行分类的方法。构建全连接神经网络和一维卷积神经网络(CNN),在一个测量海域的数据集上进行训练和测试,最优模型获得了99.6%的分类精度。该最优模型对来自不同测量海域的数据进行分类,分类精度达到了95.6%,相比支持向量机方法,处理速度提高了约52%。结果表明:深度学习方法对机载激光雷达回波波形的分类具有较高的精度和速度,它可以进一步作为通过机载激光测深技术对海底种类进行分类的候选方法。

机载激光测深系统中海面波浪影响的改正

针对研制的新型机载激光测深系统的海上飞行试验数据,进行预处理、信息提取、数据同步和坐标转换后,开展波浪改正研究.对海底高程的GPS高程信息无波浪改正、GPS高程信息改正飞机航高变化计算波浪和加速度信息改正飞机航高变化计算波浪三种技术进行了分析.数据处理结果表明,采用加速度信息改正飞机航高变化计算得到的波浪信息的方法,结果较好,可满足研制的机载激光测深系统的要求.

水下与空中平台蓝绿激光通信关键技术研究

研究瞄准水下大型作业平台与空中平台间通信的需求,利用海水光学窗口—蓝绿激光波段来建立水下与空中平台的通信链路,提供一种通信速率高的直接通信技术手段。建立一套水下平台与空中平台之间的蓝绿激光通信的演示系统,实现我国典型海域水下80 m与空中2000 m平台进行通信,通信速率大于2.5 kbps,通信误码率小于1×10-5。获取激光通信的信道特征和激光传输规律,为研制水下平台与空中平台通信的实际系统奠定技术基础。在充分研究激光束在海水、海气界面的传输特征的基础上,采用PPM调制和RS编码技术将信息高速调制短脉冲绿光全固态激光器,利用水下发射系统发射出海面,安装在空中平台上的激光通信接收终端根据预先已知的水下发射系统位置,将接收系统指向海面,获取水下发出的激光,通过信息解调解码来提取信息。设计和研制出电光调Q的高重复频率全固态激光器,通过特殊设计的光学系统,激光器输出光束变换分布使得海浪影响最小化。通过优化设计的接收光学系统,实现大视场、窄带和高灵敏度接收,采用软件解调解码方式获取信息。水下发射系统利用海床基实现沉底作业,最大放置深度大于80 m,通过复合电缆和光缆与船载控制设备联接,实现供电和控制。接收系统安置在直升机,空中飞行高度2189 m。除了开展蓝绿激光通信技术研究、信道特征研究外,还突破高重复频率蓝绿全固态激光器技术、宽视场窄带接收技术、高速信号调制编码和低误码率信号解调解码技术等关键技术,同时开展海上试验,获取试验数据。研究成果可以直接应用到空中平台与水下平台间的通信系统,为空中平台与水下作业平台之间增加一种快速的通信手段,可以应用于海洋水下监测平台、传感网络和水声通信节点等的数据传输。研究成果可以应用于构建海洋立体通信网络体系,同时,研究所衍生出的蓝绿激光技术、微弱信号探测等技术,也可应用到机载激光遥感、海洋水下激光探测以及深海资源探测技术中。

地基全视景三维成像激光扫描仪

作为一项高效的测量测绘技术,三维成像激光扫描技术具有快速高效性、非接触性、穿透性、主动性、高精度和高密度等特点,正在被逐渐应用于我国国家建设的各个领域。介绍了三维扫描技术的应用和市场上已有产品的性能情况。着重介绍了研制的地基全视景三维成像激光扫描仪工程样机,包括工作原理、系统组成、采用的主要技术以及最终达到的性能指标。最后分析了当前市场存在的问题,并对下一步的工作作出了展望。

海洋激光雷达图像处理提取海水深度的方法

机载激光雷达已经应用于浅海地形测绘,与激光器、接收望远镜和探测器一样,水深提取算法也是决定系统最大测深能力的关键环节。常规的水深提取算法是对单个激光雷达采集的波形数据进行处理,通过提取波形中的海表和海底位置实现水深测量,这种方法在提取水深较深的海底微弱回波信号时,易受海水散射层强信号的影响,导致水深提取能力和准确度下降。为了解决这一问题,将一维回波波形数据按采集顺序组合成二维的回波强度图像,图像的每一列代表一条回波波形,图像的灰度值对应着回波信号强度。利用图像的横向相关性,通过双边滤波、局部阈值二值化等图像处理方法,提取出海底回波信号廓线。该方法一方面提升了海底回波的提取能力,一方面避免散射层信号对海底微弱信号的干扰,为浅海地形、水下目标一体化探测提供新的数据处理方式。

机载激光雷达测深系统定位模型与视准轴误差影响分析

根据机载激光测深系统扫描部分结构,针对圆镜偏轴卵形扫描方式,从光束发射方向出发,基于扫描结构轴向关系利用光线反射定律推导出激光出射方向向量,结合激光出射位置到海表点距离获得海面激光点坐标;依据光线折射定律,利用变折射率光线追踪算法推导出海底测深点坐标计算公式,建立海面激光入射点及海底测深点坐标严密计算模型。根据模型定位公式,分析扫描系统视准轴误差影响,通过数值模拟,分析扫描系统视准轴误差对定位精度影响,为扫描系统单体设备加工、装调、集成检校提供依据,为机载雷达测深系统提供海底测点精确计算、改正提供参考。

大豆窄行密植技术

作为基层农业技术推广体系改革示范县,静海县制定了实现大豆良种、配套技术和良种繁育一体化,全县大豆优种覆盖率95%以上,项目区平均单产提高15%的工作目标。静海县农业技术推广中心依据项目要求,针对静海大豆生产上存在的主栽品种不突出、施肥不科学、产量及效益低的问题,推广了有利于实现机械化作业、规模化生产的大豆窄行密植技术。结果表明,采用这项技术大豆群体结构更合理,叶面积指数和光能利用率高,增产效果显著。

基于高空飞机激光通信的轨迹预报、跟踪和指向系统

针对水下平台与高空飞机的激光通信中有效通信时间短、使用信标光的捕获对准时间较长、链路不易建立的问题,设计了一套基于水下平台的高空飞机轨迹预报跟踪及指向系统。系统根据飞机发送的航行参数对飞机轨道进行预报,并驱动伺服电机进行跟踪指向。仿真分析了轨道预报算法的误差,并将轨道预报算法应用在实际实验中。实验结果表明,水下平台接收到航行参数后,能在2 s内建立上行通信链路。该算法能够在0.6 s内预测60 s内的轨道位置,误差小于350 m,对应的理论指向误差不超过0.51 mrad。通过比较指向电机的实时反馈与理论指向角,得到系统的指向误差为0.77 mrad。所设计的系统在满足通信指向精度的同时缩短了链路的建立时间,为水下平台与高空激光系统的猝发激光通信提供了具有高可靠性的保障。

新型机载激光测深系统及其飞行实验结果

新研制的机载激光测深系统与第一代机载激光测深系统相比,在探测信号采集率、浅水测量能力、测点定位精度和系统的自动化方面都有较大的提高。新系统采用1000 Hz激光器以提高测量密度,分设深水浅水双通道接收回波信号以提高浅水探测能力,装配高精度的惯性导航系统(IMU)和全球定位系统(GPS)提高了测点的定位精度和深度精度,数据后处理进行了潮汐改正和波浪改正提高深度测量的精度。系统在某海域进行了多次飞行实验,实验数据经过分析和处理,得到了比较满意的结果,表明该激光测深系统在测深精度和测量效率等方面,已经接近实用化。

基于深度学习的脉冲激光测距回波时刻解算方法

为了提高脉冲激光测距回波时刻解算方法的应用场景适应性,将回波时刻解算问题转换为波形分类的问题,采用深度学习的新方法实现回波时刻的解算。通过仿真模拟计算产生0.1 ns时间分辨率的不同距离、信号幅度、波形形状和噪声的样本回波数据,训练一维卷积神经网络模型,在样本测试集上获得了99.85%的分类精度;采用深度学习方法和高斯拟合方法处理同样的机载激光雷达回波数据,墙面线扫数据解算结果相关系数为0.99981,外场飞行试验数据平面拟合残差均在20 mm左右,两种方法回波时刻解算效果相当。结果表明,新方法能够满足机载脉冲激光测距回波时刻解算要求,具备进一步提高解算精度和适应更多应用场景的潜力。

基于光子计数技术的远程测距激光雷达

100km远距离测距的激光雷达,由于作用距离远,多采用低重复频率、高能量激光器配合大口径望远镜实现远程激光测距,导致系统存在体积大、重量大、功耗高等缺点。基于光子计数技术的激光测距雷达具有灵敏度高的特点,有效降低了系统的激光能量和望远镜的接收口径,降低了系统的体积、重量和功耗。设计了一种应用于远距离小目标探测的测距激光雷达,采用盖格模式的雪崩光电二极管实现光子计数,实现了系统的小型化。详细介绍了该系统的设计原理、组成部分和实验结果。实验结果表明,在双程大气透射率为0.25的大气环境下,对于有效反射面积为6m2、反射率为0.1的小目标,该系统的最远测距能力达到100km,距离分辨率为6m。

基于声光扫描的三维视频激光雷达技术

提出一种基于声光扫描技术实现三维视频激光雷达系统,克服了基于传统扫描方式的三维成像激光雷达应用中所面临的成像速度慢、体积大、质量大等问题。采用二维声光扫描技术,大大提高了扫描速度;同时,采用高精度的时间差检测芯片,精确测量激光脉冲飞行时间,从而获得高精度的距离值,实现高精度的三维视频成像。详细描述了系统的原理、组成部分以及实验结果。在图像分辨率为63pixel×63pixel时,该系统三维成像速度达到25frame/s,实现视频三维成像,能够满足对成像速度要求较高的特殊场合的需求。

国产机载双频激光雷达探测技术研究进展

机载双频激光雷达探测技术利用双波长激光实现海陆一体化测绘,从1969年至今,国际上已经形成了成熟的商业产品,应用于海洋、海岸带和岛礁的探测。中国科学院上海光学精密机械研究所从1998年开始,先后研发了三代机载双频激光雷达,完成了从原理样机阶段到产品样机阶段的转化。最新的Mapper5000系统在南海完成了11个架次的机载飞行试验,获得南海岛礁的三维地形数据,最大实测深度达到51m,最浅水深达到0.25m,测深精度为0.23m,水平位置精度为0.26m,海洋测点密度为1.1m×1.1m,陆地测点密度为0.25m×0.25m。

目标反射特性对激光测距的影响

针对非合作小目标激光测距系统．目标表面的反射特征对激光回波信号有很大的影响。建立测量表面双向反射分布函数（BRDF）的装置，对常用的两种热控材料自漆涂层和F36多包层，测量了其在1064DIII波长下的双向反射分布函数。得出了白漆涂层镜面反射很小．散射角较大，利于各方向接收回波信号；而F36多包层镜面反射很强．散射角-2°～2°．不利于探测。通过由表面BRDF与由朗伯散射计算得到的最小接收功率的比较，得出了入射角大于45°入射白漆涂层时，回波信号较小；大于2°入射F36多包层时，没有回波信号。

空间激光跟瞄中指向驱动电机运动特性研究

设计了一种深空非合作目标的激光扫描、捕获、跟踪地面实验装置,通过模拟深空同轨道运动的两颗卫星跟瞄过程,在理论上计算了跟瞄装置中光束指向驱动电机的最小加速度和其在跟踪过程中的运动特性。理论分析与仿真结果表明,当卫星偏离光斑中心一定距离时,指向驱动电机先加速后减速,补偿这个偏心,重新捕获跟踪卫星;重新捕获到跟踪所需时间受电机加速度和望远镜探测精度以及探测器响应处理时间影响,其中探测器精度对重新捕获到跟踪所需时间影响较大,探测器响应处理时间要减小到最小;为了使从捕获到跟踪过程中卫星始终在扫描光斑范围内,经纬仪驱动电机的最小角加速度为25.5°/s2。

机载激光测深系统与船载移动测量系统数据配准方法研究

机载激光测深系统能够快速、高效地测量浅海、岛礁、暗礁及船只无法安全到达的水域,能够提供近岸全覆盖50m水深测量;船载移动测量系统可以获得近岸浅海水底地形数据及近岸岛礁精细三维激光点云,二者数据在测量区域以及测量范围上具有一定的互补性。文中采用一种基于曲率特征点的改进迭代最近点(ICP)算法,将国产机载测深系统和船载移动测量系统获取的机载激光测深数据、多波束数据、三维激光扫描数据进行配准融合。结果表明,通过将二者数据进行配准融合,可以实现陆地、浅海区域海陆地形的全面精准描述、海陆基准统一,有助于海岛礁地形地貌认识、水下目标物探测及发现等。

基于多通道海洋激光雷达的海陆波形分类

针对国产机载激光雷达测深系统海陆波形分类识别的需求,基于多通道海洋激光雷达波形数据的特点,通过提取多通道波形的特征参数,采用支持向量机的方法构建分类模型对海陆波形进行分类。通过检验结果证明,该分类方法总体精度和Kappa系数分别达99.03%和0.9805。该方法海陆波形分类精度满足工程应用需求,适用于国产机载激光雷达测深系统的波形分类处理,为后续深度计算过程中水体介质光速校正和潮汐波浪改正奠定基础。

国产机载激光雷达测深系统的波形处理方法

综合了已有的机载激光雷达测深系统的波形处理方法。基于国产多通道海洋激光雷达波形数据的多通道优势,运用去卷积、数值拟合和信号滤波等波形处理方法,针对不同类型的波形,提出了一套适用于国产硬件的波形处理方法。该方法可保证回波位置提取的稳健性。

Development of single-resonant optical parametric oscillator with tunable output from 410 nm to 630 nm

A single-resonant low-threshold type-Iβ-Ba_(2)BO_(4)(BBO) optical parametric oscillator (OPO) with tunable output from 410 nm to 630 nm at 5 k Hz repetition rate is reported.By taking the noncollinear phase matching method,low-threshold OPO operation could be obtained compared with the configuration of collinear phase matching,and the maximum optical–optical conversion efficiency of 11.8%was achieved at 500 nm wavelength when 0.4 m J pump pulse energy was applied.When the noncollinearity angle was preset at 1.6°,4.8°,and 6.3°,a continuously tuning output with a total spectral range of 220 nm was successfully obtained by adjusting the phase matching angle of the BBO crystal.