HL-2A装置二氧化碳激光相干散射系统的研制

在HL-2A装置上成功研制了一套CO_(2)激光相干散射诊断系统,采用了能提高系统空间分辨的切向布局以及双通道的零差式探测设计。两个通道能够同时测量等离子体芯部(ρ≈0.28)波数在10~45cm^(−1)范围中小尺度的湍流变化,其波数分辨率为±3cm^(−1),时间分辨率为0.5μs,能够为等离子体芯部输运研究提供重要数据。此外,由于本诊断系统采用的是主光束与本振光束同时穿过等离子体的光路设计,它还能够探测到等离子体芯部的大尺度宏观等离子体扰动。诊断信号的分析结果显示该系统可以准确地响应等离子体芯部小尺度湍流的变化,同时也能够为芯部宏观不稳定研究提供诊断数据。

激光相干合成系统中SPGD算法的分阶段自适应优化

为改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent,SPGD)算法应用于大规模激光相干合成系统时收敛速度慢且易陷入局部最优解的情况,提出了一种分阶段自适应增益SPGD算法-Staged SPGD算法。该算法根据性能评价函数值,在不同收敛时期采用不同策略对增益系数进行自适应调整,同时引入含梯度更新因子的控制电压更新策略,在加快收敛速度的同时减少算法陷入局部极值的概率。实验结果表明:在19路激光相干合成系统中,与传统SPGD算法相比,Staged SPGD算法的收敛速度提升了36.84%,针对不同频率和幅度的相位噪声,算法也具有较优的收敛效果,且稳定性得到显著提升。此外,将Staged SPGD算法直接应用于37、61、91路相干合成系统时,Staged SPGD算法相比传统SPGD算法收敛速度分别提升了37.88%、40.85%和41.10%,提升效果随相干合成单元数增加而更加显著,表明该算法在收敛速度、稳定性和扩展性方面均具有一定优势,具备扩展到大规模相干合成系统的潜力。

基于谱特征自适应估计的激光相干语音探测信号增强方法

针对激光相干语音探测引入的缓变宽带背景噪声和测振目标造成的信道作用,本文提出了基于分析-重合成框架,针对特定说话人的语音增强方法。该方法首先提取观测语音特征:基音频率、浊音概率、MCEP系数,其中,MCEP系数是能够表示谱包络形状的谱包络特征。通过观测语音的谱包络特征和预训练的对应说话人语音谱包络特征GMM,估计对应的纯净语音谱包络特征,再与观测语音的基音频率和浊音概率一起重新合成语音信号,实现语音增强。噪声和信道参数的估计通过最大化观测语音谱包络特征后验概率的自适应估计实现,然后通过MMSE估计得到纯净语音谱包络特征的估计值。合成信号实验和实际信号采集实验检验了本文提出算法在激光相干语音探测场景下的去噪和均衡能力。

激光相干雷达中光电双下变频技术

在激光雷达远程测距中,雷达接收机需要在接收信号信噪比较低的背景下,对其中的有用信号进行识别、提取和判决。因此,为保证雷达系统的探测距离和精度,在激光发射功率一定的前提下,需在信号接收处理的各环节中设法提高信号的信噪比。当前外差式激光雷达接收机在变频时将本振光和信号光直接混频,导致镜像频率噪声与有用信号叠加,致使解调信噪比恶化。针对激光雷达接收机提高信号信噪比的需求,提出了一种在信号解调过程中对镜频干扰进行抑制,从而提高解调信噪比的方法。采用光电联合I/Q下变频,首先参考Hartley结构,在光信号的解调过程中对镜频处的噪声进行抵消,随后采用I/Q支路不平衡补偿算法对潜在的双支路不平衡量进行矫正,最后使用数字正交下变频将中频信号解调至基带。仿真和实验表明,该方法能够有效消除调频信号变频过程中引入的镜像频率噪声,相较于传统激光相干雷达接收机方案,该方案解调得到的基带信号信噪比提升了约3 dB。

激光相干合成技术研究新动向

介绍了光纤激光器相干合成技术及其进展,指出了互注入锁相是一种被动锁相的新技术,该技术具有合成效率高、相干度高,容易实现多光纤合成和高亮度输出等特点,是一种有前途的大功率相干合成方法。

转动目标微多普勒效应的激光相干探测

建立了激光雷达探测运动目标转动结构微多普勒效应的数学模型,利用这套波长为1 550 nm的激光相干雷达探测系统,展开了应用激光微多普勒效应探测运动目标的实验研究和转动特征提取的方法研究。对目标的转动部分(如直升飞机的旋转叶片)不同运动状态进行了实验研究,采用频域分析和时频分析相结合的方法,对目标仅有转动部分运动和整体平动加转动的复合运动两种情况进行了实验对比,提取了运动特征,并成功估计出了运动参数,为目标识别提供了新的方法。从实验与分析可以看出该系统探测运动目标微多普勒信息的有效性和实用性,利用激光微多普勒效应和时频分析方法可以有效地揭示运动目标的运动特征,为目标探测、分类和识别提供了重要的信息。

随机相位波动对激光相干合成的影响

以正六边形排列的高斯光束为模型,计算了相干合成光强,分析了随机相位波动对合成光强的影响,并研究了合成光束的传输特性。结果表明,随机相位波动是影响合成光强及合成光束传输特性的主要因素,当随机相位波动均方差>2.0时,相干合成过渡到了非相干合成。

激光相干探测在国防及军事应用中的表现

激光相干探测相比于直接探测具有更高的灵敏度,使其在短程民用领域和远程国防安全领域的应用表现突出。文中,重点回顾了激光相干测量在国防和安全领域的应用,如伪装或部分隐藏目标的分类与识别,以及地雷的声光探测。并结合当下激光相干探测在车载自动驾驶领域的前沿发展,展望了激光相干探测未来在军事及国防领域的发展趋势。

激光相干阵列探测中整形光束能量分布的研究

本文针对计算全息位相光栅在ＣＯ２阵列探测系统中再现时出现的背景能量不相等及由于斜入射造成的峰值差异进行了讨论。

空间光通信激光相干组束技术研究

介绍多种在输出功率得以提高的同时保持好的光束质量的激光相干组束技术原理.综合分析并评述激光相干组束技术研究状况,对主动相位控制和被动相位控制两种技术方案进行比较,基于主振荡放大的主动相位控制方案可以获得接近衍射极限、稳定、远场高亮度的光束,可为构建高效、可靠的长距离、高速率空间光通信系统提供技术支撑,对认识激光相干组束技术的发展趋势,研究空间激光通信系统具有一定的参考价值.

远距离语音的激光相干获取及增强

基于激光相干探测理论建立了全光纤激光相干测振系统,并结合维纳语音增强技术实现了远距离、高质量语音信号的获取。首先,介绍了该系统的检测原理及光纤器件特性,搭建了全光纤激光相干测振实验系统检测发音者咽喉振动,从而实现远距离语音信号的获取。由于直接获取的语音信号受到严重的噪声干扰,采用基于最小控制递归平均算法估计噪声的维纳滤波来抑制噪声,提高语音质量。实验结果显示:激光相干测振系统可有效获取70m内的语音信号(检测喉咙振动还原语音);语音增强技术可有效抑制噪声,将信噪比提高5dB,并增强语音的清晰度。由此表明,该系统具备获取远距离、高质量语音信号的能力。

CO_2激光相干成像雷达在巡航导弹导航及战术弹道导弹末制导中的应用

论述了CO2激光相干成像雷达发展历程及工作原理,讨论了该雷达系统在巡航导弹导航以及战术弹道导弹末制导中的应用。

便携式相干激光测风雷达系统研制及风场探测

研制了一种便携式相干激光雷达系统,该系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、自动化程度高等优点,系统整体重量不超过15 kg,可蓄电池工作。该系统采用了一种快速频率处理算法,提高了多普勒频移处理速度,相比传统的处理方法单个径向风速处理时间缩短了3倍。系统经过外场实验验证,探测高度达到1.5 km,风速探测范围为0~50 m/s。

相干测风激光雷达功率谱估计硬件系统综述

相干测风激光雷达探测回来的回波信号需要使用FFT(Fast Fourier Transform,快速傅里叶变换)进行功率谱估计,在这个过程中离不开硬件系统的参与。在介绍了FFT算法对硬件需求的基础上,对应用于FFT算法的计算机和硬件电路板的研究进展和优缺点进行了分析。结果表明,随着对数据处理的精度以及软件复杂度的提高,计算机存在着无法改变的缺点;随着芯片技术的发展,以Zynq为核心的硬件电路板是最有发展前途的。最后对相干测风激光雷达FFT功率谱估计硬件系统进行了总结与展望。

大气相干激光通信的中断概率和信道容量研究

针对大气相干激光通信常受到信道衰减、大气湍流和指向误差等效应影响的问题,分析在这些复合效应下的大气信道的衰落分布模型,求出中断概率和信道容量的闭合解。研究得出,一方面,虽然指向误差恶化了相干激光通信系统的中断性能和信道容量,但是通过将指向精度控制在ξ=1.4量级可明显降低其影响;另一方面,虽然高阶数的自适应光学补偿能更好地抑制大气湍流引入的光相位畸变,但是较低阶数(J=3)的自适应光学补偿可明显改善中断概率和信道容量。为了实现高可靠、大容量的大气相干激光通信,在系统设计时需联合考虑低阶自适应光学补偿和高精度光束指向、跟踪。

一种用于星间相干激光通信的频偏估计算法

载波频偏估计算法是星间相干激光通信系统解调算法的重要组成部分,算法性能直接决定后续判决的精度,对整个系统的通信性能起到了至关重要的作用。文章提出了一种基于快速傅里叶变换(FFT)和频谱细化方法相结合的两级频偏估计算法,利用星载设备较少的计算资源,实现了载波频偏粗估计和精细估计的高精度联合估计。仿真结果表明,当两级FFT点数分别为128和2048时,算法的信噪比阈值为8dB,当信噪比大于阈值时,算法的估计精度与基于FFT的频偏估计算法相当,归一化频率方差达到10^(-10),优于基于相位增量的频偏估计算法。此时,相较于基于FFT的频偏估计算法,本文所提算法的实数乘法和加法次数分别减少了25.17%和55.19%,因此算法复杂度大大降低。

基于相干测风激光雷达数据的南京地区风场特征分析

为了进一步分析南京地区的风场特征,文章利用1.5μm全光纤相干测风激光雷达在南京栖霞沿江地区进行了1年时间的连续观测,通过与附近自动气象站的风场观测数据对比,验证了雷达观测数据的可靠性。基于雷达观测数据,统计分析了南京地区低空风场的分布特征、风速的季节与日变化规律,对南京地区风资源评估具有一定参考性。

相干测风激光雷达探测效能评估研究

为了评估相干测风激光雷达在不同扫描模式下探测效能与气象要素之间的联系,使用2020-08~2021-07期间广汉机场相干测风激光雷达探测数据进行了分析验证。结果表明,方位角测量模式扫描方式下,探测距离在3 km之后,探测效能线性下降,90°扫描时,500 m后探测效能开始线性下降;总体探测效能在11月最高,7月最低;11月至次年7月呈下降趋势,7~11月呈上升趋势;在日落后至日出前的探测效能较低,在午间探测效能最高;夏秋季节,激光雷达探测效能与PM 2.5质量浓度呈现正相关,与降雨量的对数呈负相关。该研究为机场激光雷达识别低空风切变准确度提供了重要的基础保障。

带有前置EDFA卫星相干激光通信终端的信噪比分析

卫星激光通信链路是一项实现卫星大规模星座组网的关键技术。相干激光链路灵敏度高、抗背景干扰、速率升级空间大,在星间激光链路中应用广泛。文章建立了带有前置掺铒光纤放大器(EDFA)的卫星相干激光通信终端的信噪比分析模型,仿真分析了EDFA功率增益、EDFA噪声系数、本振光功率、信号光功率、光放后端光带宽、基带前端电带宽对终端输出信噪比的影响以及各种输出噪声功率占比的情况,得到了带有前置EDFA卫星相干激光通信终端的信噪比参数特性。

大气信道下窄线宽激光器对相干通信系统性能影响研究

在空间下行相干激光通信系统中,激光器的线宽大小会影响通信系统的性能,而窄线宽激光器能有效降低激光器线宽引起的激光器相位噪声,目前已经成为相干激光通信系统的首选。光信号在大气信道传输时,大气湍流会引起光信号强度和相位的波动,从而进一步影响系统的通信性能。针对上述问题,基于四相移键控(Quadri Phase Shift Keying, QPSK)通信系统的工作原理,进一步考虑窄线宽激光器线宽和大气湍流引起的光信号强度和相位的波动,给出了空间下行QPSK通信系统误码率模型。并基于该模型,数值仿真分析了窄线宽激光器对空间下行相干激光通信系统性能的影响。结果表明:大气湍流不仅严重影响系统性能,也会弱化激光器线宽对系统性能的影响。而对于大气湍流影响而言,其引起的相位波动要大于光强波动的影响。此外,随着通信速率增大,激光器线宽对于系统性能影响也会随之降低。文中对于空间下行相干激光通信系统的优化设计和调试具有一定的实际参考意义。