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。

机载激光测深系统中的精确海表测量

讨论了机载激光海洋测深技术中采用红外激光测量海表的精度和探测概率。首先介绍了机载激光测深系统中红外激光测距的原理以及计算方法;分析了不同扫描角、海况(尤其是不同风速)下斜距的测量方法、测量精度及对回波信噪比的影响,分析了在给定探测概率下甄别阈值的选择以及探测概率和信噪比的关系。最后用机载激光测深系统的参数对海表探测进行了数值模拟和讨论,提出了改进措施。

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。

2μm激光二极管侧面泵浦种子注入固体激光器

报道了一套2μm全固体激光主振荡-功率放大(MOPA)系统。该系统包括4个组成部分:一台用作单频种子源的可调谐单纵模连续波激光器、一台作为系统主振荡器且具有四镜环形腔结构的激光二极管侧面泵浦声光调Q激光器、一台激光放大器以及相应的注入控制电路。单频种子激光器采用带尾纤的激光二极管进行端面泵浦,具有线性腔结构,腔内利用两片标准具来实现激光器的单纵模输出和波长的粗调。主振荡器的单频运转通过种子注入的方式实现。采用ramp-fire技术来保证脉冲激光器腔谐振与种子源波长的匹配。主振荡器输出的激光脉冲经过单程放大后,单脉冲能量达到100 mJ,脉宽约为100 ns,重复频率为5 Hz。该套系统可用作相干多普勒测风激光雷达的发射源。

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。

海洋激光雷达探测卫星技术发展研究

从国家海洋战略需求出发,对我国发展海洋激光雷达必要性进行分析,对海洋激光雷达的特点,以及国内外发展情况进行梳理;分析了目前国内外激光雷达建设规划与已发射星载激光雷达的情况,提出未来星载海洋激光雷达的发展方向,以及在轨预期数据应用产品,讨论了星载海洋激光雷达关键技术,给出了"十四五"期间海洋激光雷达的发展前景。

用于机载激光测深系统的时间间隔测量模块

机载海洋激光测深系统不仅要求精确测量激光从海表的入射点到海底目标点之间的距离,还要精确测定飞机到海表入射点之间的距离,为水深数据的海浪校正而确定平均海平面以及波高。为此设计和研制了一高精度时间间隔测量器,该单元基于专用时间数字转换芯片开发,采用延迟线插入法技术,双通道工作,具有高时间分辨率(最高可达250ps)和高测量重复率的特性。给出硬件和软件设计方法以及单元的测试结果。

A Compact Diode-Pumped Injection Seeded Nd：YAG Laser with Resonance-Detection Technique

A diode pumped injection seeded single-longit udinal-mode （SLM） Nd： YA G laser is achieved by using the resonancedetection technique in Q-switching operation. The pulsed oscillator laser uses a folded cavity to achieve compact construction. This system operates at 100 Hz and provides over 20 m J/pulse of single-frequency 1064 nm output. The M2 values of horizontal and vertical axes are 1.58 and 1.41, respectively. The probability of putting out single-longitudinal-mode pulses is 100%. The 355 nm laser output produced by frequency tripling has a linewidth less than 200 MHz. The laser can run over eight hours continually without, mode hopping

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。

激光多普勒振动计用于水下声光通信

介绍了激光多普勒振动计(LDV)用于水下声光通信的应用背景,阐述了激光多普勒振动计的工作原理和两种相干检测方式。采用零差的相干探测方式,设计并实现了一套光纤结构的激光多普勒振动计。为了证明系统能够应用于水下声光通信,进行了对水下声源发出的声波频率和强度的探测实验。通过对实验数据的分析得出:第一,系统能够检测出水下声源发出的声波频率,对7kHz附近的10个声波频率的测量标准偏差小于8Hz;第二,系统探测信号强度与水下声源发声的声压级成指数关系,对于水下目标通信所用的3.5kHz和7kHz声波频段的最小探测能力分别达到146.2dB和150.8dB声压级。

用于水下声光通信的外差式激光多普勒振动计

基于外差激光多普勒原理,设计并实现了一套光纤结构的外差式激光多普勒振动计(LDV)。在消声水池,对该系统的探测灵敏度、上行声光通信速率以及水面波浪的影响进行了测试实验。实验结果表明,系统最小探测声压达105.6 dB/μPa;在平静水面,无误码情况下,声光通信速率可达5 kbit/s;在有小波浪的水面,导致部分探测信号丢失,采用扩频调制通信方式,无误码情况下,声光通信速率可达30 bit/s。

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。

磷酸钛氧铷高重复率电光调Q特性

采用连续激光二极管端面抽运的全固态激光器结构,实验研究了新型电光晶体磷酸钛氧铷(RTP)作为Q开关时的电光调Q特性。在重复频率30 kHz,抽运功率24 W时,得到了最大平均输出功率6.7 W,相应脉冲宽度7.8 ns,峰值功率28.6 kW的稳定脉冲序列输出,脉冲能量不稳定度小于5%,斜率效率为34.9%。与同样条件下硅酸镓镧(LGS)电光Q开关的特性进行了比较,发现RTP电光Q开关输出指标优于LGS电光Q开关,并且RTP电光晶体的驱动电压明显低于LGS电光晶体,降低了系统功耗,具备作为三维扫描成像激光雷达发射光源的潜力。

激光二极管连续抽运电光调Q Nd∶YVO_4激光器

报道了全固态激光器连续抽运高重复率电光调Q的实验和理论分析结果.用LGS(La3Ga5SiO14)晶体作电光调Q元件,在激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4激光器中实现了较高重复率的电光调Q输出.实验中在104Hz重复率下,抽运功率为28 W时,平均功率超过5 W,脉冲宽度为7 ns,峰值功率为70 kW,并对不同重复率时的脉冲输出进行了比较,在低重复率下,脉宽<6.5 ns,峰值功率超过100 kW.在理论上,通过对连续抽运时的电光调Q速率方程进行修正,并考虑放大自发辐射(ASE)的影响,对调Q激光器的储能过程和脉冲输出特性进行了模拟,所得结果和实验数据能够很好地吻合.最后,利用LasCad软件对晶体的热效应进行了模拟,并利用临界稳定腔方法对热焦距进行了测量,测量和模拟结果基本一致.

新型声光通信激光多普勒信号的鉴频电路

根据激光多普勒测振技术进行声光通信的工作原理,设计一种新型、小型激光多普勒测振信号鉴频电路。该电路根据外差探测原理,本地振荡器输出信号与探测信号混频得到一路信号,经90°移相后的本地振荡器输出信号再与探测信号混频得到另一路信号,利用这两路信号得到了多普勒频移量和声源振动的频率。利用扬声器激发的水面模拟振源进行实验,表明该电路可有效测量的振动频率范围为300 Hz^10 kHz,证明可用于水下光声通信。

机载激光测深系统的最小可探测深度研究

针对回波特性进行理论分析和数值模拟 ,讨论影响机载激光测深系统的最小可探测深度的各种因素和解决的技术途径。采用窄激光脉冲 ,高速探测器 ,小接收视场角 ,可以改善海表和海底反射信号的叠加。分析海表和海底反射脉冲的特征 ,提出采用双高斯脉冲拟合方法 ,从叠加的回波信号中分离海表、海底反射信号 ,降低机载激光测深系统的最小可探测深度 ,满足海岸带测绘应用。利用实验室模拟装置进行测量实验 ,利用提出的方法分离表面和底部反射信号 ,得到 0 .4m的最小可探测深度。同时比较了雪崩二极管和光电倍增管的测量结果 ,两者的测量精度相当。

高重复频率窄脉宽LGS电光调Q Nd∶YVO_4激光器

报道了一种激光二极管(LD)端面连续抽运的高重复率电光调QNd:YVO4激光器。采用新型电光晶体La3Ga5SiO14(LGS)作为调Q元件,并设计高效稳定谐振腔,实现了最高30kHz的高重复率电光调Q运转。使用透射率为50%的输出镜,在5kHz重复率运转时,获得了单脉冲能量0.4mJ,脉宽6.3ns的脉冲序列输出;当重复率达30kHz时,得到的单脉冲能量为0.2mJ,脉宽9.1ns,最大平均功率6.2W,斜率效率为32.7%,调Q动静比达83%,光束传输因子M2<2。实验结果表明,该激光器输出功率并没有出现饱和现象,具有进一步提升的空间。

高重复率窄脉宽Nd∶YVO_4板条激光器

部分端面抽运的混合腔板条激光器是一种新型的全固态激光器,采用这种结构,实现了高重复率调Q运转。在脉冲抽运情况下,1kHz运转时,得到脉宽4.6ns,单脉冲能量4.5mJ的激光输出。在连续抽运调Q输出情况下,5kHz高重复率运转时,获得了脉宽6ns,单脉冲能量3.1mJ的脉冲序列输出,平均功率超过15W;当重复率高达25kHz时,得到脉宽9.5ns,单脉冲能量1.2mJ的激光输出,平均功率达30W。实验结果表明,输出水平还有很大的提升空间。

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。