全光纤激光雷达发射和接收光学系统设计与优化

根据全光纤激光雷达特性设计与优化发射和接收光学系统。针对全光纤激光雷达光学系统中的激光高斯传输特性、扩展目标特性和光纤收发特性,修正激光雷达方程中的发射天线增益和目标反射截面,引入光纤接收效率参数。修正后的发射天线增益与目标处光斑大小的平方成反比,漫反射目标的雷达反射截面取决于目标反射率和激光入射角。实验探究了回波功率与接收光纤芯径的关系,得到了最佳光纤芯径。修正后的激光雷达方程可准确计算光纤收发条件下激光的回波功率,为后续的信号处理提供精确的理论支持。

全光纤转动拉曼激光雷达光电探测系统设计

针对全光纤转动拉曼激光雷达系统的极微弱光探测问题,以光电倍增管(PMT)为核心,设计了一款光子计数的光电探测系统。通过阻抗匹配技术对单光子脉冲进行整形以提高单光子脉冲稳定性和甄别计数可靠性,微分法测试脉冲高度分布以优化选择PMT工作高压、甄别阈值电平等工作参数,改善光电探测系统信噪比(SNR);以泊松点过程的脉冲堆积非线性分析模型为基础,搭建可精确改变相对光强的实验测试系统,测试脉冲堆积效应的作用类型和有效死时间并进行合理非线性校正以提高其线性度。实验结果表明,设计的光电探测系统可有效探测光子计数率低于140MHz的微弱光信号且线性度优于1.0%,提出的优化和实验方案对此类光电探测系统具有重要的借鉴意义。

基于非球面透镜的空间光场光纤耦合系统研究

针对全光纤激光雷达中空间光场与单模光纤的耦合问题,设计了基于非球面透镜的望远镜光纤耦合系统.利用ZEMAX软件以单模光纤耦合效率为优化目标对其结构参量进行优化设计,然后分别用LED和激光器作为光源进行初步实验,比较直接耦合和非球面透镜耦合效果.实验结果表明,采用非球面透镜耦合可使多模光源的耦合效率比直接耦合增加约47%,与仿真结果45%非常接近,且不同芯径耦合光功率之比大略等于芯径比平方;而该耦合方式可使单模光源的耦合效率增加约20%,且耦合进不同小芯径光纤的耦合效率之比约为其芯径比平方的2.4倍,这对构建全光纤转动喇曼激光雷达系统具有重要意义.

基于梯度下降VAD方法的风场探测技术

为了获得高精度矢量风速,着重对激光雷达回波信号数据反演方法进行分析研究。开展了一系列1.55μm全光纤相干测风激光雷达测速实验,采用基于梯度下降的VAD(Velocity-Azimuth Display,速度方位显示)风场反演算法进行矢量风场的反演,并通过MATLAB编程与仿真进行分析。基于模拟数据进行仿真实验,以风场反演结果的均方误差(MSE)为评价指标,对比LM最小二乘算法、Newton-Gaussian(NG)最小二乘算法及梯度下降算法这3种风场反演算法在进行不同迭代次数下的均方误差。结果表明,梯度下降和LM最小二乘算法最终都能收敛且MSE值较小,但LM最小二乘算法受初值影响较大,所以选取梯度下降算法进行风场反演成为更优选择。