外差探测激光多普勒雷达系统性能研究

外差探测激光多普勒雷达由于具有测速精度高和可辨别速度方向等优点而广泛应用于测风、流体测速以及着陆导航等方面。对外差激光多普勒雷达的测速原理、误差来源和系统噪声进行了分析,并给出了系统的信噪比和探测精度的仿真结果。搭建了全光纤外差探测激光多普勒系统。用研制的高精度运动目标模拟器开展了相关测速实验。实验结果表明,速度测量精度优于6.7 cm/s,而且与速度大小基本无关,这与仿真分析结果相一致。     

Tm,Ho:YAP种子注入激光多普勒测速实验

报道了一台二极管泵浦种子注入Tm,Ho:YAP激光器。在重复频率100 Hz时,获得了单脉冲能量2.8 mJ、脉冲宽度289 ns的2.13 m单频脉冲激光输出。利用该种子注入Tm,Ho:YAP激光器作为发射光源,以一个最大标称线速度20.4 m/s、直径10 cm的风扇作为模拟探测目标,通过外差式相干探测的方法进行了激光多普勒测速实验。利用本振光与信号光的激光拍频信号,得到包含模拟探测目标速度信息的多普勒频移,通过数据处理计算出了风扇不同转速条件下模拟探测目标的速度,并与模拟目标的实际速度进行了比对,测量速度误差小于1 m/s。     

光子外差测速技术研究

光子外差探测是将外差探测技术与光子计数计时相结合的全新探测技术,通过采用具有单光子探测能力的光子计数器作为探测器,极大提升了光子外差探测的灵敏度.本文建立了光子外差探测的物理模型,完成了光子外差体制激光雷达系统设计,开展测速验证实验.实验结果表明,使用光子外差测速技术可在强背景噪声条件下获取目标速度信息,其测速精度达0.005m/s.     

飞秒光频梳基于鉴相信号处理实现速度测量

以激光测速为基础,引入飞秒光频梳,通过鉴相信号处理,研究出了一种高精度的测速方法,理论测量下限低至m/s量级。文中详细分析了飞秒光频梳经运动目标反射后梳齿相位发生变化的原理,建立了较为全面的数学模型并使用MATLAB软件进行了仿真。采用快速傅里叶变换方法对仿真测量信号相位信息进行提取并处理,分别对m/s、mm/s和m/s量级速度值进行了测量,理想情况下测量误差在1 m/s以下。同时,还对做任意运动的目标进行了测量仿真实验,结果表明文中方法还可以还原目标的运动状态。最后搭建了实验装置对mm/s量级的速度进行测量,测量相对误差均在4%以内,验证了此方法的可行性。     

1.55μm相干激光雷达系统的硬目标速度探测

为了实现激光雷达系统对硬目标的探测,设计了相干探测系统,引入平衡探测器优化本振的大小,并对漫反射硬目标速度进行了探测。结果表明,采用平衡探测器,优化本振的大小,可以有效地提高系统的信噪比,对漫反射硬目标的速率探测平均误差为0.49m/s,测量速率的方差为0.91m/s,实现了系统对漫反射硬目标速度的相干探测。这一结果对于相干测风激光雷达的研制是有帮助的。     

利用激光多普勒外差原理对振动物体测量及分析

为了测量低频振动物体频率和振幅,采用激光多普勒测量和外差相干检测方法,建立一个利用激光外差干涉技术测量多普勒效应的实验,进行了理论分析和实验验证,取得了频率标准偏差数据。结果表明,系统检测物体振动频率,并对振源频率500Hz进行测量并且验证有效性,测量标准偏差小于5.610-8;系统信号探测强度和物体振幅呈线性关系,证明随压电陶瓷电压降低探测振幅强度减小。这一结果对了解振动目标特性是有帮助的。     

姿态误差对机载激光多普勒三维速度测量精度的影响

激光多普勒测速系统可实现空中运动平台的速度测量,平台的姿态测量误差是影响其测速精度的重要因素。为实现运动平台三维速度的测量,以相干探测原理为基础,设计并搭建了全光纤三光束激光多普勒测速系统,建立了运动平台三维速度测量的数学物理模型,对系统测速相对误差进行了数值模拟研究。研究结果表明,姿态测量误差对测速精度的影响不可忽略;随着俯仰角度的不同,俯仰误差与旋转误差对测速精度的影响程度会发生变化;测速精度与旋转误差呈线性关系,而与俯仰误差存在着非线性关系。研究结果可为激光多普勒测速系统的设计以及速度修正提供理论依据。     

激光外差对不合作目标的探测研究

利用激光外差探测原理实现综合孔径激光雷达探测越来越受到关注.文中通过二极管泵浦固体激光外差探测实验,实现了实验平台上接受目标反射微弱回波信号的外差探测,并进一步实现了对表面粗糙的若干漫反射目标,即不合作目标的外差探测.总结了实现激光外差探测应用于综合孔径激光雷达领域的必要条件.     

应用于测风激光雷达的多普勒校准仪

测风激光雷达作为一种测速工具,系统的多普勒校准是验证测量准确性的关键步骤之一。针对车载、机载测风激光雷达的校准要求,设计了便携式多普勒校准仪。其基本原理是:利用已知目标的运动速度,与激光雷达系统测得的目标运动速度比较,得到系统的速度校准曲线。研制的多普勒校准仪自身系统相对误差为1%,小于激光雷达测量误差;其多普勒散射信号频谱展宽小于0.7 MHz,可以等效为气溶胶的后向散射谱。径向速度的连续调节范围可达±50 m/s。实验结果显示:当探测光子数接近2000时,激光雷达测速的精度为0.6 m/s。     

V型啁啾调频单脉冲激光测速测距方法与实现EI北大核心CSCD

为实现雷达远距离动目标实时跟踪探测,单脉冲线性调频脉冲压缩算法和V型啁啾调频脉冲压缩算法为快速获得运动目标的距离速度信息提供算法基础。结合脉冲压缩算法优势以及两种波形脉压算法的弊端,利用V型啁啾调频脉冲发射波形,提出采用三角调频滤波处理方法,以解决目标的距离、径向速度值及速度方向信息同时获取的难题,为单脉冲实现速度矢量信息的隐蔽探测提供解决方案。通过搭建脉冲激光相干测量实验平台,在接收镜头后连接17.618 km延迟光纤以延长目标往返距离,对转速从−3.67~3.67 m/s的转盘进行速度距离测量。在40 MHz调制带宽,4.096μs调制脉宽,2.5 GS/s采样率条件下成功实现单脉冲距离速度多维信息获取,并对测速准确性进行评估,距离测量精度达到0.33 m,速度测量精度为0.061 m/s。     

基于单固体F-P标准具的双频率多普勒激光雷达研究

提出了基于单固体Fabry-Perot（F-P）标准具的双频率多普勒激光雷达技术。介绍了系统结构,并分析了系统的风场探测原理。根据探测指标要求,对系统各单元参数,特别是F-P标准具参数进行了详细的优化设计。利用得到的优化参数对雷达系统的探测性能进行了仿真。仿真结果表明:采用100 mm口径的望远镜和脉冲能量50 J、重复频率6 kHz的半导体激光器,在发射激光仰角60、距离分辨率60 m和脉冲累计时间1 min的情况下,晴天时,系统在3 km高度处的径向风速误差小于0.75 m/s;有薄雾时,系统在1.5 km高度处的径向风速误差小于0.58 m/s。在发射激光仰角8、距离分辨率60 m和脉冲累积时间10 s的情况下,不同的能见度天气时,系统在4 km处的径向风速误差都小于1 m/s。     

距离选通技术在运动目标激光主动成像中应用

激光主动成像系统已被广泛应用,但是大多系统都是针对静止目标,在实际应用中对运动目标成像时受到限制。文中首先阐述了针对静止目标的激光主动系统,然后分析了运动目标成像时与静止目标的不同,分析了相对运动和固定焦距的光学系统的离焦效应,构建了3种运动目标激光主动成像体制,最后,在对静止目标成像的基础上,采用红外热像仪在大视场内跟踪目标,测距机实时测量距离信息的方式,建立了基于距离选通的运动目标激光主动成像系统。实验获得了距离500 m,运动速度为5 m/s气球运动目标的图像,突破了合作目标及多点定位的限制,为进一步跟踪快速运动目标提供了借鉴,同时也对运动目标激光三维图像的获取与处理研究提供了基础。     

直线导轨四自由度同时测量方法的研究

提出了一种基于半导体激光单模光纤组件同时测量直线导轨四自由度误差的新方法。以单一准直的激光束作为测量基准,用角锥棱镜和分光器分别作为直线度误差、角度误差测量的敏感器件,实现了水平和竖直方向直线度及俯仰角、偏摆角四个自由度误差的同时测量。分析了系统的测量原理,进行了稳定性、重复性以及与美国API 5D测量系统比对实验,理论分析和实验结果表明,系统测量直线度的分辨率小于0.1μm,角度的分辨率小于0.5″,在测量距离为2 m的条件下,直线度、角度测量精度分别为±1.0μm/m,±0.5″。测量方法具有结构简单、移动部分不带电缆和现场测量方便等优点。     

基于主动光幕阵列静爆试验破片速度测量方法

为了准确、可靠地测量到静爆试验中任意水平方向上的破片飞行速度,提出了一种基于主动光幕阵列的静爆破片飞行速度测量方法。首先,以被测弹药静爆点为中心的平面上环形布放12组主动式六光幕阵列,当破片穿过其中任意一组光幕阵列的探测幕面时可测量到其飞行参数（如速度、入射角及立靶密集度等）;其次,根据所提出的光幕阵列布局配置,建立了其破片飞行参数测量模型,分析了破片速度分量误差在一定范围随各速度分量变化规律。通过理论分析及实弹实验可知:在规定测试条件下破片速度分量误差不超过2.7 m/s,可以满足任意水平方向上的破片速度测量需要。     

激光跟踪绝对测长多边法三维坐标测量系统

现今随着大型工件制造、装配需求的增加,对此类产品的制造装配精度的需求也在不断地提高。高精度的测量和控制成为制约高端制造业发展的一个重要因素。对此文中研究了一种基于激光跟踪绝对测长多边法三维坐标测量系统,该系统由四台绝对距离测量激光跟踪仪和上位机构成,既充分利用了绝对激光干涉测距的精度优势和断光续接的能力,又避免了传统激光跟踪仪角度测量带来的误差。同时,为提高自标定算法的精度,提出并研究了一种依赖距离的残差模型。通过实验表明,该系统实现了在20 m大范围空间内小于20 m的测量误差,测量不确定度为12.3 m。较之单台绝对激光跟踪仪系统的精度有很大的提升,实现了在工业现场在线、高效、精密的三维坐标测量。     

CO2相干激光多普勒测速的研究

叙述运用ＣＷＣＯ２相干激光雷达测量运动目标速度的原理和实验装置，并给出了实验结果，测速精度为０．０１ｍ／ｓ速度分辨率为０．０５ｍ／ｓ，外场实验表明，对于漫射目标，作用距离２００ｍ。     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。