InGaAs近红外激光雷达光电探测器研究进展

激光雷达是激光探测及测距系统的简称,它可以发射定位激光束,通过测定传感器、发射器与目标物体之间的传播距离来定位目标物体的位置,并呈现目标物体的三维结构信息。InGaAs是一种典型的Ⅲ-V族半导体材料,它在(0.35～1.42)eV范围内可调的禁带宽度使其在(0.9～1.7)μm波段具有广泛的应用,被认为是1 550 nm激光雷达探测器的理想材料。本文综述基于InGaAs的激光雷达光电探测器的器件结构、光电特性及InGaAs焦平面光电探测器在激光雷达探测领域的研究进展。目前,基于InGaAs光电探测器的最大响应度达0.57 A/W,最低暗电流低于0.75 pA/μm²,焦平面阵列已经发展到1 280×1 024,像元间距15μm。InGaAs近红外激光雷达探测器的响应波段位于1 550 nm,具有人眼安全、发射激光功率大、大气透过率高等优势,探测距离可达150 m,大视野120°×25°,在高阶辅助驾驶、无人驾驶、服务机器人等领域具有较大的应用潜力。     

蓝绿激光束在海水中光斑扩散规律的研究

从蓝绿激光束在海水中的散射和吸收规律出发,运用能量守恒定律,研究了蓝绿激光束在海水中的能量扩散过程,导出了篮绿激光束光斑大小随海水水质参数和深度变化的解析公式,详细讨论了光斑大小与衰减系数和海水参数之间的关系,对已有的解析公式进行了有效地修正,对已取得的实验数据进行了正确阐释.研究结果对海洋探测和海洋激光雷达的研制有一定参考意义.     

基于激光雷达的无人机违规航行轨迹数据自动捕获方法

为了解决传统方法对无人机违规航行轨迹数据捕获的精度和实时性低的问题,通过激光雷达研究了一种新的无人机违规航行轨迹数据自动捕获方法。建立激光雷达信号和目标场景作用过程模型,将每束激光在目标场景表面的映射部分当成激光脚印,完成对激光束相应激光脚印的响应函数和激光雷达发射信号的时间分布函数的卷积计算,获取激光脚印相应目标区域和激光雷达信号作用后反馈的回波信号。依据反馈的回波信号建立单次成像回波峰值点轨迹分布模型,获取无人机航行轨迹数据。针对无人机实际航行轨迹和预定义航行轨迹,采用优化的修正豪斯多夫距离公式(MHD)进行轨迹数据匹配程度衡量,按照经验设定阈值,若匹配度超过阈值,则认为实际轨迹与预设定无人机航行轨迹不匹配,将相应实际轨迹当成无人机违规航行轨迹,对违规航行轨迹数据进行捕获。结果表明:所提方法可及时检测处无人机违规航迹,报警时间比其他方法时效性高;所提方法捕获的无人机违规航行轨迹数据与真实数据偏差小。可见所提方法实时性与精度均较高。     

RFID:让图书馆借阅更轻松

RFID是Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别技术。从信息传递的基本原理来说,射频识别技术在低频段基于变压器耦合模型(初级与次级之间的能量传递及信号传递),在高频段基于雷达探测目标的空间耦合模型(雷达发射电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回     

天基单光子激光雷达危险空间碎片探测仿真

危险空间碎片的探测与监控一直是空间碎片探测的重点与难点,现有的技术还不能实现对危险空间碎片的有效监测与定轨。针对危险空间碎片的探测,研究了一种主动式天基激光雷达探测方式。该方式采用了天基的单光子探测技术,以期实现对几百公里量级的危险空间碎片进行探测。首先简要分析了点目标激光雷达方程,建立了空间环境的背景光噪声模型,探讨了单光子激光雷达的探测概率与虚警率,对激光的回波信号与探测精度进行了理论分析与仿真,最后分析了不同目标的探测能量需求。由理论分析与仿真结果来看,对500 km处的尺寸为10 cm的目标可以实现精度为0.2 m的有效探测。     

激光雷达探潜背景信号的混沌和分形行为研究

研究了海洋激光雷达探潜弱信号的混沌及分形特性．在相空间重构的基础上，计算了探潜背景信号的吸引子维数以及最大李雅谱诺夫指数，并且用前馈网络验证了探潜信号的局部可预测性．实验结果表明，探潜背景信号有奇异吸引子，是由某个混沌系统产生的．对用盒维数探测探潜信号中目标的方法也进行了研究     

基于线状阵列扫描的激光雷达快速三维成像

介绍了一种线阵快扫描三维激光雷达成像仪,给出了线阵激光雷达的系统结构和工作原理.从阵列探测器中的某一单元出发,在分析激光光束发射与接收光路的基础上,利用光学原理和解析几何推导了线阵激光雷达成像严密的计算方程,并分析了影响激光雷达成像质量的内部和外部因素.外场测试实验表明,在30 m的距离,该仪器原理样机的距离分辨率可以达到5 cm,能够探测到直径在8 cm以上的目标,平面拟合后的残差的标准偏差在5 cm左右.     

海面浮油探测荧光激光雷达系统仿真

建立了海面浮油探测荧光激光雷达的系统模型,根据浮油探测的特点,给出了荧光激光雷达回波信号方程.以此方程为基础,结合石油的消光系数及荧光光谱转换效率数据,对模型的回波信号强度进行仿真,得到了该模型探测不同类型石油时的荧光回波光子数.为进一步计算该模型的信噪比,分析了海洋浮油探测背景噪声的特点,得到海水黄色物质产生的背景噪声.通过信噪比公式计算了荧光激光雷达模型的信噪比,计算结果表明,该系统模型能够满足机载海面浮油探测要求.      

逆合成孔径成像激光雷达系统设计

微波波段逆合成孔径雷达的成像分辨率受到发射信号带宽的限制,在对远距离目标、微小目标成像或提取目标精细微动特征时已不能提供足够高的距离分辨率.为解决这一问题,提出一种新体制雷达--逆合成孔径成像激光雷达,将逆合成孔径技术应用于激光波段,利用激光信号的极大带宽和极短波长实现对运动目标的超高分辨实时成像.分析了逆合成孔径成像激光雷达的高分辨原理,并结合激光信号和运动目标的特点,给出了雷达系统的初步设计方案.仿真实验证明:与利用微波信号成像的逆合成孔径雷达相比,逆合成孔径成像激光雷达能够实现对运动目标更快速、更高分辨的成像.     

“悟空”玉宇探测暗物质——暗物质粒子探测卫星简介

 暗物质是当今科学研究的前沿热点研究领域。暗物质探测可以分为直接探测、间接探测和对撞机探测3类。其中间接探测是在宇宙线中寻找暗物质湮灭或者衰变产生的信号。2015年12月27号中国发射了第1颗用于暗物质粒子探测的空间科学卫星(DAMPE),它具有能量分辨率高、测量能量范围大和本底抑制能力强等优势,将中国的暗物质探测提升至新的水平。本文介绍暗物质粒子探测卫星的结构、性能优势和科学目标。     

无扫描三维成像激光雷达原理分析与成像仿真

介绍了无扫描三维成像激光雷达的系统结构及成像原理.无扫描三维激光雷达是一种不需要扫描机构的三维成像系统,由信号调制、信号发射、微通道板调制、信号积分接收等模块组成.发射的激光信号经过正弦调制,利用回波信号与本地振荡器的相位差计算得出目标上各点距离,这种测距方法称为面阵相位法.与传统的扫描式激光雷达相比,无扫描三维成像激光雷达具有结构简单、成像速度快、可靠性高等优点,同时对激光脉冲频率的要求很低,因此在武器的末制导、车辆的主动防撞、机器人视觉等方面有着广阔的应用前景.本文介绍了无扫描三维成像激光雷达的系统结构以及面阵相位测距法的基本原理,并在Matlab环境下针对点目标、面阵目标对成像算法进行了仿真.验证了面阵相位法的测距原理及无扫描三维成像激光雷达的成像原理,并分析了可能存在的信号功率误差和CCD读数时的末位不稳定对成像精度的影响,为无扫描三维成像激光雷达的设备研制提供了有益的参考.     

基于时反处理法的水下目标探测研究

水声信道存在多径效应、多卜勒频偏及各种噪声干扰.时反法能利用声波的互易性原理及波动方程的时反不变性,将收稿日期的信号进行时间反转后再重新发射,使得声音信号能够在原声源位置实现聚焦,可以有效地消除水声信道的多途效应.综述三种基于时反处理的水下目标探测方法:反复迭代法、DORT法(时反算子分解法)及MUSIC法(多信号分类算法).通过反复迭代进行时反操作,可以明显提高聚焦信号能量;DORT法和MUSIC法是在迭代时反的基础上进一步分析时反算子而得出的主动时反定位算法.利用DORT法及MUSIC法,可以对水下目标实现主动探测,定位出目标的具体位置.     

海洋激光雷达系统接收信号的相空间分析

通过对海洋激光雷达信号的相空间分析，并通过与确定信号，随机信号，混沌玎空间的比较，首次发现了海洋激光雷达接收信号噪声与混沌信号相似的相轨迹特征，初步揭示了海洋激光信号噪声的混沌特性。     

基于单光子激光雷达远距离海上测距的实现

单光子激光雷达具有探测灵敏度高、响应速度快、测量精度高等优势,但在实际工作中易受到背景噪声等问题干扰。针对海面远距离平程目标测量,提出基于高速数字信号全通道实时处理(digital signal process,DSP)研究,通过分析海面上空大气溶胶对激光测量的影响,分析不同的海面能见度对测量系统造成影响的差别,对比相同海域条件下常规测距与单光子测距威力的差别,同时开展适应海面环境的单光子回波通道的数字处理算法研究。在良好天气条件下,对海岸线静止目标53 km大山(发射光学衰减10 dB)探测概率高于95%,对海上38 km运动渔船等小目标进行实时跟踪测量,获得到目标距离信息,且该系统工作稳定可靠。     

水下与空中平台蓝绿激光通信关键技术研究

研究瞄准水下大型作业平台与空中平台间通信的需求,利用海水光学窗口—蓝绿激光波段来建立水下与空中平台的通信链路,提供一种通信速率高的直接通信技术手段。建立一套水下平台与空中平台之间的蓝绿激光通信的演示系统,实现我国典型海域水下80 m与空中2000 m平台进行通信,通信速率大于2.5 kbps,通信误码率小于1×10-5。获取激光通信的信道特征和激光传输规律,为研制水下平台与空中平台通信的实际系统奠定技术基础。在充分研究激光束在海水、海气界面的传输特征的基础上,采用PPM调制和RS编码技术将信息高速调制短脉冲绿光全固态激光器,利用水下发射系统发射出海面,安装在空中平台上的激光通信接收终端根据预先已知的水下发射系统位置,将接收系统指向海面,获取水下发出的激光,通过信息解调解码来提取信息。设计和研制出电光调Q的高重复频率全固态激光器,通过特殊设计的光学系统,激光器输出光束变换分布使得海浪影响最小化。通过优化设计的接收光学系统,实现大视场、窄带和高灵敏度接收,采用软件解调解码方式获取信息。水下发射系统利用海床基实现沉底作业,最大放置深度大于80 m,通过复合电缆和光缆与船载控制设备联接,实现供电和控制。接收系统安置在直升机,空中飞行高度2189 m。除了开展蓝绿激光通信技术研究、信道特征研究外,还突破高重复频率蓝绿全固态激光器技术、宽视场窄带接收技术、高速信号调制编码和低误码率信号解调解码技术等关键技术,同时开展海上试验,获取试验数据。研究成果可以直接应用到空中平台与水下平台间的通信系统,为空中平台与水下作业平台之间增加一种快速的通信手段,可以应用于海洋水下监测平台、传感网络和水声通信节点等的数据传输。研究成果可以应用于构建海洋立体通信网络体系,同时,研究所衍生出的蓝绿激光技术、微弱信号探测等技术,也可应用到机载激光遥感、海洋水下激光探测以及深海资源探测技术中。     

星载CO2探测频率步进扫描IPDA激光雷达回波信号反演及误差分析

设计了星载CO₂探测频率步进扫描积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达,弥补了欧洲航天局A-SCOPE项目单波长CO₂探测IPDA激光雷达对波长依赖性较强等不足.仿真计算了一个扫描周期内的激光雷达回波信号和系统的相对随机误差、大气压强不确定性误差以及频率不稳定性误差.当频率步进扫描到on-line波长为6 361.235 0 cm-1时,在海面反射率为0.035 sr-1、大气压强不确定性为0.001以及激光频率不稳定性为0.3 MHz条件下,系统综合相对误差为0.084 2%.结果表明,采用频率步进扫描方法结合IPDA激光雷达技术探测大气CO₂浓度不仅可以观察到相对误差随on-line波长变化的关系,而且可以有效地减小测量误差,使其小于0.5×10-6.      

扩展尾流激光雷达动态范围的举动式接收系统

针对水下航行体尾流激光雷达近场后向散射信号强、易导致接收系统饱和的难题,采用电流模式电路设计理论设计了一种举动式水下激光雷达接收系统．该系统充分挖掘接收电路的动态范围利用率,在探测周期内产生举动电流,将输出电压的基点由0V调整到跨阻放大器正向饱和电压附近,有效扩展了动态范围区间,使接收系统对近场信号的接收动态范围有效利用率提高约40％,而举动式电路部分的存在导致的系统带宽减小幅度仅为13％．该系统已成功应用于尾流激光雷达样机并进行了海试,结果表明：该系统完全可以满足大动态范围尾迹探测的需求,可广泛应用于各种大气和水下后向散射式脉冲激光探测系统．     

多光束测风激光雷达技术分析和比较

 多光束测风激光雷达是在假设探测的时间内气溶胶团的结构不发生变化的条件下,利用接收到的多光束气溶胶后向散射信号的强度,通过不同计算方法得到水平风速。这种系统具有设备简单、对硬件要求不高等优点。本文分析并比较了基于多光束雷达信号之间的相关性的多光束测风激光雷达和基于两个多波束激光雷达信号的傅里叶变换的比值的多光束测风激光雷达两种技术,后者具有可快速计算水平风速的优点。     

混场源电磁接收系统同步数据采集技术

在混场源电磁探测中,为弥补天然场电磁信号频率低、能量低的不足,实现接收机对发射信号的有效接收,在分析发射、接收系统工作原理的基础上,提出基于全球卫星定位系统(GPS:Global Position System)的同步数据采集方案。该方案采用发射机发射不同频率高频电磁波作为人工场源,运用GPS的定时定位功能,校准发射、接收系统时间,控制两系统时钟偏差在1 s 以内,确保信号发射与接收同步进行。实验表明,该方案提供的人工发射信号与低频天然场信号相结合,可将混场源电磁探测信号的频率范围由0.1 Hz ~1 kHz扩展到0.1 Hz~50 kHz,拓宽了仪器的探测深度。     

随钻方位电阻率测井仪器响应数值模拟

利用目标导向自适应有限元建立数值模拟模型,计算和分析天线源距、发射频率、地层倾角及围岩电导率等参数变化对随钻方位电阻率测井仪器响应的影响。数值计算结果表明:不同发射频率与天线源距对仪器探测深度影响较大,围岩电导率会影响仪器对地层边界探测的敏感性,地层倾角越大,仪器测量到的地质导向信号幅值衰减越快;利用随钻地质导向信号的极值、极性以及井周电阻率成像,可以快速准确地判断储层边界以及裂缝边缘和走向,为实时钻井地质导向提供依据。