全天时单光子激光雷达技术进展与系统评价

单光子激光雷达(又称光子计数激光雷达)具有单光子量级的探测灵敏度,相比于传统的线性探测激光雷达,能够获得更远的探测距离,已经成为激光雷达探测技术的前沿和发展趋势。然而,极高的探测灵敏度也使单光子激光雷达在探测中极易受到背景噪声光子的干扰,这在很大程度上降低了其在白天工作的性能,也极大地限制了其适用范围。文中从单光子激光雷达的探测原理出发,简要回顾了其技术发展,分析了全天时工作对单光子激光雷达探测系统的需求,在此基础上,采用一种新型的光谱滤波技术,极大地提升了单光子激光雷达在白天的探测性能。同时,还提出了一种普适性的评价模型,能够极为直观地对各种激光雷达系统的探测性能进行评价。

轻小型全天时远程光子计数激光雷达系统技术

对提升激光雷达作用距离的方法进行了分析,针对2 km以上的远程探测应用,提出了一种轻小型能够全天时工作的光子计数激光三维成像雷达解决方案,可用于轻小型飞行器制导,无人机、直升机、船舶导航与避障,铁路轨道障碍物探查等有远程探测需求的应用场合。该系统采取光子计数高探测灵敏度方案,光学应用收发共光路设计,收发望远镜巧妙采用了共轭光学设计,二维扫描机构放置于望远镜的后方,不但扩大了望远镜口径,提升了作用距离,同时也缩减了扫描镜尺寸,有利于扫描速度的提高,激光收发采取窄发散角和瞬时视场共视场扫描设计,再结合超窄带滤波器的应用,使得系统能够实现强烈背景噪声条件下的工作。最后讨论了高重频微脉冲激光器、发射杂散光干扰、偏振激光雷达适应性以及光子计数背景滤波去噪处理技术等技术难点。

全天时喇曼激光雷达探测大气水汽的技术实现及分光系统设计

为实现大气水汽的全天时测量,选用Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0nm作为激励光源,设计日盲紫外域喇曼激光雷达系统.由于低层大气污染造成的臭氧污染,通过增加大气氧气的振动喇曼散射信号测量通道,实时反演近地表臭氧浓度的分布,为修正激光雷达方程中的臭氧吸收提供解决方案.同时,选用高光谱分辨率光栅和窄带宽激光反射镜设计光栅光谱仪作为激光雷达的分光系统.仿真计算表明,入射角为10°时,设计的光栅光谱仪可有效分离并提取氧气、氮气和水汽的振动喇曼散射回波信号,日盲紫外喇曼激光雷达系统可实现全天时状态下2km高度范围内大气水汽的廓线探测.

模拟器在航海技术专业跨课程全天时实验教学中的整合应用

以航海实践为基础,设计航海技术专业跨课程全天时实验教学方案。在大连海事大学自行研制的船舶操纵模拟器上,以虚拟仿真为研究手段,模拟实船工作环境。教师指导学生综合运用航海相关课程理论知识,完成相应航行任务,对学生的操纵过程及航行数据进行分析评价并给出改进方案。学生在航海模拟器上经历航海实践的全过程,充分认识到航海相关课程之间的内在联系,为学生今后船上工作打下坚实的基础。

舰船全天时高精度容错组合导航系统设计与验证

针对单一导航系统的性能不能满足全天候、全天时、高精度、高可靠性的舰船导航信息测量要求,提出了一种基于多传感器信息融合(MSF,Multi-SensorFusion)的容错组合导航系统方案;方案中增加了子滤波器故障隔离检测模块,对系统状态进行全参量最优估计和容错处理;对融合后的系统精度和故障隔离能力进行了试验仿真验证,结果表明所设计方案能够提高系统的精度和可靠性。

移动终端下的地质灾害全天时监测预警研究

Android是当前移动终端的主流操作系统之一。研究利用移动终端的优势,设计了地质灾害全天时监测预警框架,阐述了框架的实施方法,并设计开发了Android地质灾害监测预警客户端,为地质灾害的监测预警提供了一种无线终端应用方案,为防灾治灾服务。

全天时星敏感器导航星星库的建立

建立导航星星表是星敏感器设计的重点工作。根据全天时星敏感器工作特点,选用2M ASS(tw o micron all sky survey)星表为原始恒星数据源。在分析其数据结构的基础上,讨论选用双星为导航星,计算等效星等和位置的方法。详细描述处理2MASS星表,构建全天时星敏感器导航星星库的过程。结果表明,相同极限星等条件下,近红外波段导航星星数远多于可见光波段,全天时星敏感器相机可选用较小口径或较小视场系统。

全天时星敏感器光学系统参量选择与光学设计

以10km观测高度探测4.5等星为例,分析星点在600~1100nm谱段的辐射特性,使用Modtran软件计算同谱段的天空背景辐射亮度以及大气透过率,在信噪比阈值为5的情况下,选择一组典型的光学系统参量.采用一块平面反射镜和石英球面镜系统设计了轻、小型化的光学系统,该系统在600~1 100nm宽光谱范围内全视场光斑形状接近圆形、调制传递函数接近衍射极限,色差很小,具有良好的成像质量.计算了地面环境下星敏感器的昼夜探测信噪比,以信噪比阈值5对星敏感器的探测能力评估,结果表明在白昼地面环境下可以实现2.5等G型恒星的探测,在夜间地面环境下可以实现6等G型恒星的探测.

大相对孔径全天时星敏感器光学系统

为实现星敏感器在J波段对3等恒星进行全天时高精度探测,采用被动消热差设计方法,根据光学系统与结构材料的热差性能差异,进行匹配优化实现镜头消热差,设计完成了一种大相对孔径全天时星敏感器光学系统。针对恒星在该波段下的指标进行分析,确定光学系统焦距为84 mm,F数为1.4,工作谱段范围为1.1~1.4μm,视场角为8.4°。在光学系统设计过程中选取常用光学材料和镜筒材料,通过改变各透镜形状,合理匹配各镜片之间的光焦度,从而实现被动补偿无热化设计。优化设计完成后的光学系统在高低温(-40℃~+60℃)及真空条件下,当离焦0.02 mm后,弥散斑尺寸优于30μm,色畸变小于0.018 mm。星敏感器内部采用表面发黑处理,遮光罩采用非等间距布局设计,表面采用一款具有较高太阳吸收率的SB-3A国产消光漆进行涂黑,可以在保证效果的情况下有效减轻重量,遮光罩内档光环采用16°斜角,可以保证较好的杂散光抑制能力。利用Tracepro软件对光机系统的杂散光进行了仿真分析,分析结果表明,视场内由目标产生杂散光是目标强度的3×10^(-5),视场外杂散光强度由10^(-2)量级迅速下降,18°以外杂散光强度为视场外强光的10^(-4)以下。地面观星试验实现了对3等星全天时探测,验证了该光学系统设计的合理性。

基于阵列单光子接收的全天时远程探测激光雷达

传统激光雷达的威力取决于功率孔径积,但随着系统规模的增大,在成本和系统复杂度方面急剧上升,雷达的探测威力遭遇瓶颈.单光子探测技术通过降低接收端的最小可检测能量(逼近标准量子极限),提升激光雷达的灵敏度,从而在功率孔径积一定的条件下增大威力,突破传统雷达的技术瓶颈,大幅提升激光雷达的探测能力,为激光雷达在空天目标参数测量、气象环境监测、地形测绘等领域的大规模应用奠定基础.

基于光子筛的全天时激光雷达探测技术仿真

白天强太阳背景光的去噪技术是激光雷达全天时、高精度探测的关键技术,也是目前全天时激光雷达探测的重难点问题。本文以太阳背景光的滤除为目标,利用光子筛的衍射特性和涡旋光的光场特性,提出了基于光子筛的太阳背景光滤除技术,实现了激光雷达的全天时探测。首先,基于光子筛衍射理论,数值仿真了三种典型的入射光束经过光子筛的衍射光场分布,得到了涡旋光束、平行光束和高斯光束在光子筛衍射焦平面上的光场分布差异性,获得了光斑形状不同的聚焦光斑。然后,设计了基于光子筛的太阳背景光滤波技术,利用光子筛和带有中心小孔的平面反射镜,实现太阳背景光和大气回波信号在空间上的绝对分离,得到纯净的大气后向散射回波信号。最后,以大气水汽拉曼探测为例,在晴天和有云天气条件下,对光子筛激光雷达的全天时探测性能进行了仿真分析,理论验证了光子筛激光雷达全天时探测技术的可行性。

全固态、全天时中层顶区域大气风场、温度、金属原子离子密度同时测量激光雷达

在地球大气中间层顶和低热层区域内(75~110 km)存在着含有钠、铁、钙、钾元素的金属层,对中高层大气金属原子离子进行长期连续的观测具有非常重要的科学意义。但目前的中高层大气激光雷达通常只能夜间观测,而且探测参数过于单一,导致相应的科学研究难以顺利开展。为解决上述问题,国家重大科研仪器研制项目“全固态、全天时中层顶区域大气风场、温度、金属原子离子密度同时测量激光雷达”(41627804)建设了高稳定性、高脉冲能量的全固态589nm激光发射系统,实现高空风温密的全天时、全固态激光雷达同时探测。

四象AS-01卫星应急监测与时事追踪应用

一、四象AS-01卫星简介,随着小型卫星和星座技术的迅速发展,合成孔径雷达(SAR)卫星正迎来一个新时代。通过利用成本低廉、性能高效的轻小型卫星,可以更快速、更频繁且更灵活地获取数据。SAR技术使用微波替代光波,使得信号能够穿透云层,并在夜间也能正常工作[1-2]。脉冲压缩和合成孔径技术的应用,显著提升了SAR图像的分辨率,能够获得二维(2D)、全天候和全天时的高精度影像[3-5]。

近地空间全天时星敏感器技术现状及发展综述

星敏感器是一种以恒星为参考源的姿态测量设备,在卫星、导弹、舰船等平台得到广泛应用。对于需在大气层内全天时工作的近地空间平台,如舰船、飞机、导弹、高空气球等,星敏感器面临白天强烈天空背景条件下探测暗弱恒星目标的难题。首先介绍了近地空间全天时星敏感器的基本工作原理;其次介绍了国内外研究现状;然后分析并总结了全天时星敏感器实现的主要技术途径;最后梳理出下一步研究方向。分析结果可为近地空间全天时星敏感器系统的研制提供参考和帮助。

基于小波去噪算法的全天时大气水汽拉曼激光雷达探测与分析

提出了一种基于小波阈值去噪算法的白天太阳背景光滤波抑制方法,实现对拉曼回波信号中真实信号与噪声的分离,并有效滤除白天背景噪声。基于西安理工大学大气水汽探测拉曼激光雷达系统的全天时实测数据,详细讨论了分解层数、小波基函数、阈值函数以及阈值选取方法等因素对白天探测回波信号去噪结果的影响,对去噪前后信号进行分析并对去噪评价函数进行对比,当利用小波基sym6、分解层数为5层,并采用改进阈值函数和改进通用阈值方法的最优条件时,可实现对白天水汽拉曼散射信号和米-瑞利散射信号较好的去噪效果。讨论了小波去噪前后大气水汽混合比反演廓线和激光雷达水汽探测信噪比(SNR)的结果,分析表明利用该去噪系统得到的白天激光雷达水汽探测SNR提高约3.4倍,水汽探测距离可从1.5~2km提高到3km以上。开展全天时激光雷达连续探测实验和去噪处理,获得了24h边界层内大气水汽混合比的连续变化特性,并得到与近地面气象站数据的较一致的结果,充分验证了小波去噪算法应用于全天时大气水汽探测的可行性和有效性。

全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统设计与仿真

提出了一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd\:YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,避开了强烈的太阳背景光对系统探测大气温度的影响。设计了一种新型三次衍射式双光栅多色仪作为激光雷达的分光系统。仿真结果表明,双光栅多色仪可实现Stokes与Anti-Stokes高低量子数通道转动拉曼谱线的有效提取,对米-瑞利弹性散射信号的抑制率可达到60～70 dB。充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12 min的积分时间内实现2.2 km高度范围内大气温度的全天时探测。

全天时星敏感器光学系统设计参数选择

光学系统设计是星敏感器设计的关键,光学系统参数决定将影响星敏感器的性能指标,而参数的选择需要考虑天空背景辐射、图像传感器参数等多种因素。采用Modtran软件仿真分析了不同情况下的天空背景辐射。在此基础上,通过引入能量集中度以及传感器噪声,推导出更精确的可探测极限星等公式,并深入分析了星敏感器可探测极限星等、探测概率以及探测精度与各影响因素的关系。对典型设计参数的可行性进行了分析,分析结果可为全天时星敏感器光学系统设计提供参考。

基于HOG纹理的全天时十字路口车尾检测算法

HOG纹理因其良好的鲁棒性,在纹理描述中被广泛使用。提出了一种将HOG纹理应用于十字路口全天候车尾检测的算法。即分别采集了白天和夜间该场景下的车尾作为正样本、非车辆和车辆的一部分作为负样本,经预处理后,提取较低维数的HOG纹理送入支持向量机进行训练,得到白天和夜间的识别模型,在检测中根据一定的条件进行切换。对多段视频进行测试证明,该种算法对不同时段的交通场景都具有较高的稳定的车尾识别率,且优于单模型的识别效果。

全天时高精度星光定向仪:实现零的突破

在国家重大科学仪器设备开发专项的支持下,北京控制工程研究所联合相关单位,开展了全天时高精度星光定向仪开发与应用研究,完成全国产星光定向仪的产品研制与应用开发,实现对国家重大任务的支撑和我国星光测量仪器出口的零突破。

紫外域波长选择对全天时水汽拉曼激光雷达探测性能的影响

Nd∶YAG激光器三倍频输出的354.7nm光和四倍频输出的266.0nm光都位于紫外波段,都可作为水汽拉曼激光雷达的激励光源;从水汽拉曼激光雷达系统的实际建设出发,分别从后向散射系数、消光系数、大气透过率、臭氧吸收和太阳背景噪声等方面对激光雷达系统的探测性能进行分析,探讨354.7nm和266.0nm激光光源对拉曼激光雷达开展全天时大气水汽探测的影响。结果表明:在水汽探测中,266.0nm及其对应的氧气、氮气和水汽拉曼波长均位于日盲紫外区内,不受太阳背景噪声的影响,但会受到臭氧吸收的影响;354.7nm波段无臭氧吸收,但会受到太阳背景噪声的影响;在分光系统参数一致的情况下,激光雷达系统选用266.0nm波段激光光源时,白天水汽的有效探测距离为2.7km,选用354.7nm波段激光光源时,有效探测距离仅为0.6km;日盲紫外波长的选择可有效提高白天水汽拉曼激光雷达的探测距离,实现水汽的全天时探测。