基于盖革模式APD的多脉冲激光雷达探测电路的设计

阐述APD在盖格模式下,对直接探测多个激光脉冲回波信号,分析返回光子数的统计特性,从而计算出目标的距离信息,设计获得准确的最大探测距离的探测电路。

多脉冲激光辐照下介质损伤理论研究

针对纳秒脉冲和飞秒脉冲不同的损伤机制,分别建立了两种多脉冲激光损伤模型。脉宽小于10ps时,损伤是由于等离子体形成造成介质发生烧蚀所致,对此建立了基于电子密度演化方程的介质击穿模型;脉宽大于100ps时,损伤是由于热沉积造成介质发生熔融所致,对此建立了基于傅里叶热传导方程的介质热损伤模型。通过计算两种模型下激光参数和材料参数对多脉冲损伤的影响,发现由于损伤机理不同,不同参数对单脉冲损伤阈值和多脉冲损伤阈值的影响趋势不完全一致,敏感程度也不同。通过计算得到了与实验结果一致的多脉冲损伤阈值与脉冲数间关系,使定量预估多脉冲损伤阈值和元件使用寿命成为可能。

基于目标波形模型的多脉冲激光雷达目标信号模拟

多脉冲激光雷达发射数个至数百个高重频激光照射目标,利用多脉冲回波累加实现信号积累。多脉冲激光目标检测性能的验证需要基于目标回波波形模型的动态目标信号模拟。脉冲激光目标回波波形可以由激光发射、信道传播、目标反射等环节之间的卷积传递关系加以建模。文中首先通过建立各环节的数学描述得到了回波波形的连续卷积模型。接着,针对积分解析模型不利于工程实现的问题,基于发射脉冲距离分辨单元提出了离散算法实现特定外形目标激光回波波形序列的直接计算。结合远程飞机目标的回波信号仿真,指出了回波波形与目标特性的内在联系,并通过实验进行了可信性验证。最后,应用文中模型及方法给出了多脉冲激光雷达动态目标模拟器的研制实现,为开展多脉冲激光目标检测研究提供必要的验证测试条件。

水滴烧蚀多脉冲激光推进性能

用实时的推力测试方法研究了水滴烧蚀模式多脉冲TEA CO2激光推进的推进性能。用纹影法研究了伴随水滴烧蚀产生的激波等流场变化过程。多脉冲激光推进的比冲和冲量耦合系数等性能参数随激光脉冲重复频率的变小和脉冲数目的增加而逐渐下降。与激光传输相反和相同方向的激波传播最大速度分别为10 km/s和7 km/s。与纹影法结果同步获得的推力曲线表明:汽化过程对推力的形成过程贡献最大,激波也对推力的形成过程有一定贡献。

新型机载多脉冲激光雷达目标信号模拟器

研制多脉冲激光雷达目标信号模拟器,用以评估回波数字信号处理算法及其实现平台的性能。首先,介绍了目标信号的主要组成以及回波信噪比的两种定义。接着,基于激光雷达方程及1.064μm激光器的辐射激光的光电接收实验,获取信号波形并对目标回波信号组成进行分析,结合空中目标的回波脉冲展宽建立了机载脉冲激光雷达目标回波信号模型。之后,提出了依据电压信噪比产生回波观测信号的方法。最后,给出了基于"FPGA+高速D/A+USB2.0数据传输"的目标信号模拟器软硬件实现,可为回波信号处理器提供信噪比为1-9的静、动目标回波及主波信号。

低信噪比下机载平台多脉冲激光测距机目标回波降噪算法

针对远距离飞机目标,机载多脉冲激光测距机通常采用数字化处理体制,影响其测距精度的因素包括发射激光脉冲宽度的距离分辨率、大气传播及目标反射特性造成的波形展宽、回波信号接收处理通道的非线性相频特性等。数字化采样率、回波信号降噪、目标峰值点位置估计等数字化处理过程引起较大的目标距离定位误差。提出了基于经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)和重构的回波降噪方法,首先对脉冲激光目标回波波形进行建模,然后分析了现有数字化回波降噪算法的性能及其对定位精度的影响。实验结果表明,所提方法可以准确提取目标峰值点位置,改善激光测距机的目标定位精度。

多脉冲激光回波信号处理方法研究

多脉冲探测体制的激光测距可以有效提高目标探测能力,在这种探测体制下,根据多脉冲激光回波信号的特点,提出了采用平滑滤波与三阶累积量相结合的信号处理方法,并通过仿真,证明了该算法能有效地提高目标探测性能,缩短了探测时间。

多脉冲激光对碳纳米管悬浮液光限幅特性影响

利用实验的方法研究了碳纳米管悬浮液对脉宽8ns,波长532nm多脉冲激光的光限幅效应.分析了直径分布为10～20nm的多壁碳纳米管悬浮液对重复频率分别为1Hz、3Hz、5Hz、10Hz情况下532nm激光的光限幅效应,分析计算了不同重复频率下碳纳米管悬浮液的限幅阈值,比较了不同焦距的透镜会聚入射光束情况下对碳纳米管悬浮液光限幅效果的影响.实验结果表明:碳纳米管悬浮液对不同重复频率的532nm激光都具有较强的光限幅特性;碳纳米管悬浮液对激光在不同重复频率入射情况下的光限幅阈值变化很大,当入射激光的重复频率为5Hz时,碳纳米管悬浮液的光限幅阈值比单脉冲激光入射时的限幅阈值低了2倍,重复频率为10Hz时的限幅阈值比单脉冲时的限幅阈值低了近3倍;碳纳米管在紧焦系统中的光限幅效果更好.

硼掺杂纳米硅薄膜的多脉冲激光熔覆数值模拟及实验研究

为研究多脉冲激光的热累积效应对硼掺杂纳米硅薄膜熔覆过程的影响,采用单温模型,利用三维有限元方法对激光与硅薄膜的相互作用过程中温度场的分布进行了数值模拟,得到了多脉冲激光耦合情况下的温度场变化规律。仿真结果表明:与单脉冲相比,在多脉冲激光作用下,峰值温度增加了3.2%,熔池尺寸扩大了18.75%,同时热影响区范围也明显增加;激光辐照后,熔覆层表面温度下降,但基体温度仍会继续上升,多脉冲热累积效应为纳米硅薄膜中硼元素扩散提供了有利条件。最后,通过单脉冲及多脉冲激光熔覆实验,分析了熔覆硅薄膜后的熔覆层表面状况的差异,并获得了激光熔覆辅助硼元素扩散的一般规律,为硼掺杂纳米硅薄膜的激光辅助扩散技术在半导体器件中的应用提供了条件。

基于消光比的机载多脉冲激光雷达性能综合测试系统研制

基于室外消光比方法,完成了机载多脉冲激光雷达性能综合测试系统的研制;该系统由测控软件、便携式检测仪、能量计和光学设备等组成;测试软件基于Visual C++开发,采用串口通信技术和多线程技术,使系统具有较好的稳定性和可靠性;采用自动控制转盘式光阑的方法,提高了系统的实用性;试验结果表明:所研制的系统可实现对多脉冲激光雷达多个主要性能参数的精确测试,有利于激光雷达性能综合测试的自动化,为产品的批量生产提供有效的检测手段。

多脉冲激光测距信号处理技术研究

多脉冲探测体制的激光测距可以有效提高目标探测能力,在这种探测体制下,根据多脉冲激光回波信号的特点,提出了基于DSP的多脉冲测距体制信号处理实现方法,并进行了实验。实验结果表明,采用三脉冲测距体制时测距仪测距能力提高了5dB。

基于USB总线的机载多脉冲激光雷达产品测试系统研制

针对现有的机载激光雷达产品测试系统不能模拟特定信噪比，且系统使用复杂的问题，开发了基于USB总线的机载多脉冲激光雷达产品测试系统；测控软件可以设定信噪比、脉冲幅值、脉冲周期等参数，并根据静态测距和动态测距的实际需要，生成静态和动态模拟数据；另外，测试系统还能够采集外场数据，并在测控计算机上存储和分析；采集和生成的数据经过USB总线发送给基于FPGA＋高速D／A转换器架构的数据转换器，再输出给激光雷达产品，保证了数据传输的高速性和灵活性；经过测试表明，信噪比在3～9的情况下，产生回波信号的距离误差控制在1％以内，信号幅值误差控制在0．5％以内；测试系统的各项指标都满足实际需要，为激光雷达产品调试提供了良好的模拟仿真平台。

多脉冲激光辐照增透膜产生热应力的数值模拟

研究并建立了多脉冲激光辐照Al2O3增透薄膜及K9玻璃基底的物理模型,采用有限元算法求解相应的热传导方程和热应力方程,得到了材料内部热应力场分布。数值模拟结果表明,材料内部环向力起主导作用,且温度冷却时,残余环向热应力沿径向移动,在低频情况下,先发生热应力损伤的是基底,后发生热应力损伤的是薄膜。研究成果可为激光与薄膜相互作用机理以及薄膜的抗激光损伤提供一定的理论依据和指导。

多脉冲激光测距信号的数字相关检测技术研究

针对激光测距中回波信号信噪比低、难以提取的困难,论文分析了多脉冲激光测距回波信号叠加技术和相关检测技术对于信噪比的提升作用,并对此进行了实验。实验结果表明,对比15组脉冲激光测距,采用30组脉冲激光测距时,回波信号信噪比增加了1.38倍,采用数字相关检测技术处理后,回波信号信噪比增加了3.07倍。这表明,多脉冲激光测距回波信号叠加和相关检测技术,均可以提升激光测距回波信号的信噪比。

多脉冲激光对K9玻璃的表面损伤实验研究

实验研究了波长为1064 nm、脉宽为10 ns、重复频率为1 Hz的激光脉冲对K9玻璃的表面损伤特点,给出了脉冲透过能量随激光脉冲作用次数变化的规律。采用3维立体显微镜对损伤形貌进行观察,发现K9玻璃的损伤表面呈环状分布,分为烧蚀区、微裂纹区和断裂区。随着激光脉冲个数的增加,损伤由点状破坏演变为损伤区,微裂纹逐渐增长,损伤面积逐渐增大。基于激光支持的爆轰波理论分析,激光与脆性材料的相互作用可引起微裂纹的大量增长。在多脉冲激光的作用下,K9玻璃损伤的累积效应明显,表面损伤阈值明显降低,表面裂纹增长明显,损伤面积逐渐增大;但随着激光脉冲的继续增加,这种损伤趋于稳定。

基于多脉冲激光的弹药姿态测试系统研究

弹药飞行姿态和战斗部破片威力测量是武器系统研制中非常关心的问题,影像测量是一种非常直观可信的方法,然而由于火光的影响,普通高速摄影容易曝光饱和,无法得到火光中的弹丸影像;而且对于高速运动弹丸,普通高速摄像还会造成弹丸影像模糊拖尾。文中介绍了一种多脉冲激光弹药姿态测试系统,可以排除强烈自发光的干扰,获得清晰的高速弹丸影像。通过试验验证,该测量系统有效可靠,能够较好的满足武器系统威力瞬态测试需求。

机载多脉冲激光测距特性及其不确定度研究

针对机载平台特殊环境下激光测距的概率特性,建立了脉冲回波信号的理论分析模型,得出了不同信噪比情况下脉冲回波信号包络的概率密度分布函数.结果表明:信噪比的降低通过回波波形直接导致测距离散数据的不同分布,大信噪比时呈现高斯分布,小信噪比时近似瑞利分布,一般情况符合莱斯分布;根据恒比定时时刻鉴别方法,在获取大量实验数据的基础上,实验结果验证了理论模型的合理性.对以"方差"定义的测距精度不适用的情况下,引入测量不确定度的概念,结合不确定度原理,通过分布区间概率量化了实验结果,提出了一种新的评价机载激光测距性能的方法,该方法能够克服传统评价指标的单一性以及不合理性,同时为机载光电系统的性能测试与评估提供了参考意义.

多脉冲激光辐照皮肤组织的光热效应实验研究

通过实验测定了离体乳猪皮肤组织在多脉冲Nd:YAG激光辐照下径向和轴向不同位置的温度分布,重点研究了激光辐照能量密度、脉冲重复频率以及波长对皮肤组织温升分布的影响。研究结果表明:皮肤组织中的温度分布与探测位置、激光辐照能量密度、脉冲激光的重复频率以及波长密切相关;在激光辐照时间为40s的情况下,同一波长同一频率时组织温度随能量密度的增加而增大,波长1064nm、重复频率10Hz时的安全光剂量阈值为1118.19mJ/cm2;同一波长同一能量密度时,组织温度随脉冲激光重复频率的增加而增大;同一能量密度同一频率时,波长为1064nm的多脉冲激光辐照皮肤组织时的光热效应较532nm波长明显。

脉冲强激光辐照下材料响应的非傅里叶效应

研究了在多脉冲强激光辐照下靶材的热传导与热冲击特性。基于非傅里叶导热定律和热弹性理论,推导出多脉冲激光辐照下靶材温度场和热应力场的解析式;结合适当的边界条件,以不锈钢靶材为例,利用有限差分法和Matlab计算得到了多脉冲强激光辐照下靶材内部过余温度随时间和深度演化情况以及内部热应力的演化规律。计算结果表明:多脉冲激光辐照下靶材热响应在离边界不同截面处温度波形变化出现延迟性,其滞后性能与弛豫时间有关;非傅里叶解中应力波的波前十分陡峭,具有明显的热冲击性。

多脉冲激光对超薄水冷金属镜引起的热畸变特性研究

利用ANSYS有限元分析软件数值模拟了多脉冲激光作用下水冷铜基Ni/Au反射镜的热畸变特性。得出了在不同能量的多脉冲激光照射下的温升、热应力及热变形分布,并在此基础上分析了温升和热变形随横向距离的变化规律以及应力与沟槽布局的关系。计算结果表明:循环的冷却水有效地降低了镜体温度,减少了镜面的热畸变;沟槽的布局对应力有一定的影响,沿沟槽方向存在较大的Von Mises应力。