光子计数技术在激光脉冲探测中的应用

无扫描激光大光场照明时目标处的光强甚弱,通常需要加大激光器的功率和提高探测器的灵敏度。从探测技术角度探讨提高系统探测灵敏度的技术途径,即将光子计数技术应用于激光脉冲探测系统。光子计数探测的动态范围为 10^(-16):10^(-11)W,回波以离散光子流的形式照射在探测器的光敏面上。当接收系统检测模超过20时,光电子统计近似服从泊松分布规律。对于典型的激光脉冲探测系统,采用最大似然方法估算出探测阈值,并估算出平均探测时间。例如,对10^(11)W 回波,估算的积累时间为0.2ms。针对脉冲探测情况,采用时间门选通多点采样的数据采集方法和多脉冲预积累相关处理算法。采样周期与激光脉冲宽度相等,时间门宽稍小于激光重复周期。根据探测误差概率的需要,采用 Monte Carlo 算法估算出探测积累的脉冲数和相关计算的参数。初步估算探测时间至少在10 ms 量级。

脉冲激光探测平面目标特性对测距分布的影响

针对脉冲激光近程探测系统平面目标特性影响测距分布的问题,推导了平面目标脉冲响应方程和脉冲激光回波方程,分析了不同平面目标倾斜角、激光发射发散角和激光发射脉宽对激光回波展宽的影响.基于脉冲激光回波方程和恒阈值时刻鉴别方法,推导了平面目标的测距概率密度函数解析式,并理论仿真分析了不同平面目标倾斜角、激光发射功率、激光发射发散角及阈噪比对测距统计特性分布的影响.运用蒙特卡罗算法进行全波形模拟测距实验;搭建脉冲激光测距实验环境,进行20 m测距实验.实验结果表明:理论仿真、蒙特卡罗模拟实验与实际实验的测距概率密度分布基本一致,随着平面目标倾斜角的增大,测距均值和测距方差增大;当倾斜角度为0°,20°,40°,60°时,回波信噪比高于阈噪比,测距分布呈现高斯分布;当倾斜角度为70°时,回波信噪比低于阈噪比,分布不再呈现高斯分布,呈现上升沿缓下降沿陡的分布特性.研究结果为研究目标平面特性对脉冲激光探测测距分布的影响提供了理论依据.

激光多脉冲探测的计算机模拟与实验研究

对激光多脉冲探测理论进行了分析,在考虑了影响探测的各种噪声及其分布特性的基础上,得到了激光多脉冲探测信噪比与脉冲积累次数的定量关系。利用计算机仿真模拟多脉冲探测,其结果与理论分析相符;在实验室条件下对多脉冲探测进行了研究,实验结果表明,在脉冲叠加数较少时,实验与理论符合得很好,当脉冲叠加数较多时,实验数据明显小于理想的数值,分析了出现这种偏差的原因及解决方案。激光多脉冲积累探测可以有效地提高激光探测的信噪比,应用积累探测的方式能有效地将激光探测的弱信号从强噪声背景中检测出来。

定向起爆部脉冲激光方位探测引信系统时间空间匹配特性

根据定向起爆部对引信提出的时间匹配和空间匹配的要求,针对弹目交会相对运动环境,在惯性坐标系下3个相互垂直的2维平面内,建立了弹目相对速度下脉冲激光方位探测引信系统的最佳起爆延时和最佳起爆方位角模型,并对相关时间匹配和空间匹配特性进行了量化及数值仿真分析。结果表明:模型与弹目交会角、目标初始方位角、发射激光束与弹丸速度夹角、引信中心至目标尾部距离、目标外型参数、目标速度、破片飞散速度、弹丸内部结构参数、弹丸速度等目标区环境信息有关。

脉冲激光探测方位角磁电检测技术

针对常规弹药脉冲激光周向探测系统无法精确获取目标方位信息的问题,设计了基于磁电检测的单光束激光引信全向方位角探测方案.对磁电检测系统进行建模,建立圆柱形永磁体转动磁场模型,推导出磁阻传感器所测位置磁场的解析式,验证所测磁场为一正弦磁场信号.依据此正弦信号,设计了上升沿阈值周期检测算法,并运用FPGA与TDC-GP21对激光回波出现时间与电机转速信号周期进行高准确度时间间隔测量实现方位角的解算.依据方案设计原理样机并编写上位机程序,进行方位角探测实验.实验结果表明:磁电检测系统采用多重屏蔽方法,能有效抑制电磁干扰;并能实时监测电机转速,实现方位角解算,方位角解算误差在±2°以内.满足激光引信方位角测量的高准确度、抗干扰能力强等要求.

脉冲激光周向探测最佳定向起爆技术（英文）

为了研究飞秒激光多脉冲累积效应对镍钛合金材料的影响,通过考虑多脉冲之间的时间间隔改写激光光源项,利用改进的双温模型,采用有限差分法,对飞秒激光三脉冲烧蚀镍钛合金的温度场分布进行数值模拟,得到了电子和晶格温度随时间和烧蚀深度的演化规律.分析了多脉冲累积效应的内在机理;讨论了三脉冲条件下不同参量对电子和晶格温度的影响.结果表明：镍钛合金在飞秒激光三脉冲的作用下,电子有3个递增的峰值温度,相比单脉冲的作用,三脉冲使电子和晶格温度明显升高;多脉冲的时间间隔直接影响多脉冲的累积效应;脉冲宽度影响电子的峰值温度和达到峰值温度所用的时间;激光能量密度影响电子和晶格的温度;电声耦合常量对电子与晶格的耦合时间和电子晶格的平衡温度也有重要影响.

用于APD激光探测的电荷灵敏前置放大器设计

雪崩光电二极管(APD)作为探测元件实现光电转换广泛应用于激光脉冲探测技术中。前置放大器是影响APD激光脉冲探测系统好坏的关键因素,前置放大器的信噪比决定了整个探测系统的信噪比优劣。提出了电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统以提高探测距离和探测精度的方法。讨论了激光脉冲探测技术和APD特性,在此基础上设计了以结型场效应管和集成运放为主要器件的低噪声电荷灵敏前置放大器电路并对设计电路进行了实验分析。实验结果表明:将电荷灵敏前置放大器应用于APD激光脉冲探测系统可以有效提高系统的信噪比,改善激光探测性能。

微脉冲激光雷达A/D卡同步触发的设计与实现

在微脉冲激光雷达对能见度的测量系统中 ,常采用光子计数和模 /数 ( A/D)转换两种处理方法进行对比测量 ,但微脉冲激光器没有 Q开关 ,不能输出与激光脉冲同步的信号 ,来触发 A/D卡采集大气会波信号。本文以高频管和高速单稳触发电路解决了该问题 ,使整形后的 TTL信号的触发沿 (上升沿 )与激光脉冲的延时相差 5 0 ns,可将测量系统的盲区控制在 10

偏度与峰度在脉冲激光回波分析中的应用研究

将波形序列做平移处理,并结合其坐标信息可以计算波形的偏度与峰度,两者分别反映了波形的对称性和尖峭程度。在脉冲激光探测中,偏度和峰度可以用于对回波信号的特征分析,目标表面的反射率变化和起伏通常不会引起回波波形偏度和峰度的较大变化,只有当目标表面反射率或起伏出现突变时回波的偏度和峰度才会呈现出较大的值,而且不同突变情况下的回波的两参数的值也是不同的,这为脉冲激光探测的回波特征分析提供了重要依据。

采用波形积分法提升APD探测系统检测范围

针对应用APD电路的脉冲激光探测系统而言,现有的峰值提取方法只能检测线性区的不饱和波形,而无法检测非线性区的饱和波形,这导致系统的检测范围极其受限。因此,针对当前系统在非线性区无法检测的问题,建立了基于APD电路的线性与非线性统一响应模型,并依托响应模型研究出了波形积分法和非线性区能量反演模型,可用于检测非线性区饱和波形,并通过实验验证了模型对非线性区波形的理想反演拟合。实验结果表明:拟合值与实际值成1.001的线性关系,且波形积分法的最大相对误差仅为4.69%,而检测范围拓宽为峰值提取法的10.25倍,由此证明文中方法和模型可用于实现对非线性区脉冲激光的检测,其可应用于提高基于APD电路的脉冲激光探测系统的检测范围和检测能力。

卫星激光测距中激光脉冲波形变化的理论分析及数值计算

分析了激光测距中脉冲波形变化的物理过程 ,给出了该变化的数学描述 ,讨论了脉冲波形变化对卫星质心改正 (CoM)和测距精度 (RMS)的影响 ,并对上述变化和影响进行了数值计算 .计算结果揭示了激光脉冲波形在各种因素影响下产生变化的规律性 ,这对于毫米级精度的卫星激光测距系统的设计具有实际意义 .

基于后向传播神经网络的激光定位系统动态范围的提升

对于脉冲激光探测系统而言,现有的峰值提取方法只能检测线性区的不饱和波形,而无法检测非线性区的饱和波形。基于脉宽分析的方法可以检测一定范围内的饱和波形,但模型复杂,拟合难度大,导致系统的检测范围受限。针对激光定位系统在非线性区检测困难的问题,本文建立了一种基于后向传播神经网络算法的能量响应模型,用于检测线性区及非线性区的波形,最后通过实验验证了模型对非线性区波形反演拟合的效果。实验结果表明:本模型可以通过反演拟合得到入射光强,且其与实际入射光强的最大相对误差仅为3.79%,其检测范围为峰值提取法的10.25倍,模型简单且误差小。所提模型可用于实现对非线性区脉冲激光的检测,也可用于提高基于四象限探测器的脉冲激光探测定位系统的动态范围和检测能力。