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。     

多波长水汽探测激光雷达回波仿真及误差分析

大气水汽含量随海拔升高急剧减小,为准确获得水汽浓度随高度的分布,设计多波长发射水汽探测星载距离分辨差分吸收激光雷达(DIAL)。选取波长相差较小,水汽吸收截面不同的4个发射波长:其中3个吸收截面较大的波长作为信号光束,第4个吸收截面较小的波长作为参考光束,分3组对不同海拔高度处的水汽浓度进行分段探测。对4个发射波长的回波信号进行了仿真模拟,为验证其水汽探测能力,在白天和夜晚对3组波长水汽浓度探测的相对误差进行分析讨论。结果表明,在相对误差小于20%的情况下,该多发射波长星载距离分辨差分吸收激光雷达系统可以实现白天对流层(小于12 km)、夜晚平流层底以下(小于15 km)水汽浓度的探测。理论上初步证实了该多波长星载距离分辨差分吸收激光雷达能全天时精确地探测对流层水汽浓度分布。     

差分吸收NO2激光雷达光源的设计与实现

为研制一台探测距离3km、分辨率10μg/m3的大气NO₂廓线差分吸收激光雷达,以NO₂的吸收光谱和激光雷达方程为基础,通过数值仿真分析了回波信噪比与水平和垂直方向上大气中气溶胶、NO₂含量的分布、探测距离和几何因子的关系;搭建探测大气NO₂实验系统,开展了大气NO₂浓度实验观测,获得水平及垂直高度0.4km~3.0km内的NO₂浓度实时分布,探测分辨率可达4.717μg/m3,系统稳定可靠。结果表明,采用两台波长为354.7nm、能量不小于100mJ的Nd:YAG激光器分别抽运两台染料激光器的方式,并以C450为染料,可满足差分吸收探测所需的两束波长为λ_on（448.10nm）和λ_off（446.80nm）、能量为8mJ的输出光束。该方法为实用化NO₂差分吸收激光雷达光源的设计及应用提供了理论依据及技术支持。     

基于多普勒激光雷达低空风切变的数值仿真

多普勒激光雷达是目前在晴空条件下对低空风切变最有效的一种探测手段。完成了基于多普勒激光雷达探测所需的微下击暴流、侧风切变和低空急流等三维变化风场的数值仿真,仿真结果得到了各种风场的基本特征。依据多普勒激光雷达的波束扫描方式,选取雷达扫描仰角为5°,扫描半径为8 km,雷达径向步长为100 m来扫描仿真风场,最后得到雷达探测变化风场的仿真径向数据。这对于深入理解风切变的产生机理以及实现由激光雷达对风切变的探测、识别和预报等后续研究具有重要意义。仿真过程建立的变化风场模型简单,模型参数变化灵活、方便实用。     

平流层飞艇激光风速仪的设计和分析

准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点，为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求，设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器，完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计，采用收发合置的望远镜设计方案，无探测盲区，接收视场角较小，提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准，通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数，并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中，激光器的平均功率为500 mW，积分时间为10 s，距离分辨率为100 m，分析结果表明，风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s，计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下，其风向精度优于5°。     

小视场大气温湿度探测的拉曼激光雷达的设计与仿真

太阳光背景辐射严重影响拉曼激光雷达白天探测的性能。为提高拉曼激光雷达白天探测的高度和精度,设计了激光波长为354.8 nm的拉曼激光雷达系统,讨论了354.8 nm和532 nm激光光源对拉曼激光雷达探测性能的影响,完成了系统的光路设计。偏振分光棱镜和1/4波片组成的光开关与收发合置的望远镜相结合,减小了系统的接收视场角,优化了白天探测的性能。以最小的温度不确定度为标准,通过仿真分析选取了转动拉曼通道干涉滤光片的各项参数,并对系统的探测性能进行了仿真。仿真过程中激光能量取200 mJ,频率50 Hz,积分时间20 min,距离分辨率105 m。收发合置的拉曼激光雷达系统在考虑退偏的情况下,白天探测的温度不确定度在3180 m以下小于1 K。白天探测水汽混合比的统计误差在2400 m以下,小于0.001 g/kg。仿真结果表明,白天探测的性能得到了一定程度的提高。     

星载海洋激光雷达叶绿素剖面探测能力估算

为了评估和分析星载海洋激光雷达探测全球海洋光学参数的性能，依据激光雷达方程和蒙特卡罗模型结果模拟计算激光传输信号，开发了星载海洋激光雷达仿真模拟系统。仿真模拟系统由正向模拟、数据反演与误差分析三部分组成，能够模拟激光发射、传输和探测的全过程。根据给定的激光雷达参数，模拟了443 nm、486.1 nm和532 nm波长在地中海、印度洋、南大洋与太平洋四个典型海区的探测信号。研究结果表明，443 nm和486 nm波长的探测深度在各个海区均比较接近，并且均比532 nm更深。在给定的激光雷达参数情况下，486.1 nm波长在太平洋和南大洋的探测深度分别为120 m和70 m，在地中海和印度洋的探测深度均为约100 m。叶绿素a浓度在以上海区的探测深度分别约为80 m、50 m和70 m。     

基于OPO激光器探测低空CO2激光雷达系统性能研究

阐述了差分吸收激光雷达探测低空CO2浓度的原理,分析了系统的信噪比,对一种DS系列的OPO激光器用于探测低空CO2进行了仿真.激光脉冲能量为2ml,重复频率为10KHz,5×104(5Sec)个脉冲积累,探测器采用InCaAs/InP - APD,量子效率大于10%,得出结论:不考虑背景噪声情况下(夜间工作),在高度10km处信噪比约为10:1,因此夜间可探测10km以下的CO2浓度;考虑背景噪声情况下(白天工作),采用1.5nm的窄带滤波器,在高度6.7km处信噪比约为10:1,因此白天可探测6.7km以下的CO2浓度.从仿真结果看,该系统探测距离远,所需积累时间短,有利于激光雷达探测低空CO2性能的提高.     

荧光偏振短距激光雷达测量生物战剂/气溶胶

基于激光诱导荧光（LIF）原理和弹性散射作用于非球形粒子上产生的偏振特性,设计研制了短距测量荧光和偏振激光雷达:采用了三个激光光源、两个接收望远镜、一个退偏组件和一个荧光光谱特征分析光谱仪,设计遥测探测距离为200 m至数千米。荧光测量采用了Nd:YAG激光器的三倍频355 nm和4倍频266 nm输出,激光束脉冲宽度约为6 ns,重复频率为20 Hz,荧光接收光学及光谱分析子系统由25.0 mm口径的f/4牛顿望远镜,车尔尼特纳光谱仪和32通道的光电倍增管（PMT）等组件组成;偏振和弹性散射信号由孔径12.5 mm的卡塞格林望远镜接收。荧光测量的信噪比仿真计算表明:以最小SNR=10作为参照,在1 km距离上,白天探测不到数浓度为10 000个/升的战剂云团,但在夜间则可以获得较好的信号强度;偏振测量结果初步分析表明:（1）退偏比表现出较强的波长依赖性;（2）多波长退偏比测量可以显著提高生物战剂的鉴别能力。     

全天时多波长激光雷达系统研制与信噪比分析

利用Nd:YAG激光器产生10 Hz的1064、532和355 nm激光束作为光源,研制了用于对流层大气气溶胶探测的全天时多波长激光雷达,实现了溶胶Mie散射信号在紫外、可见和红外三个波段的精细分离和提取。通过小孔光阑和窄带干涉滤光片对背景光的强烈抑制,实现了全天时探测。通过对三波长Mie散射信号日间和夜间探测信噪比数值仿真和实际探测信噪比分析,得出日间探测时532 nm的信噪比最低,夜间探测时355 nm的信噪比最低,这与数值仿真结果一致。通过分析实际探测信噪比为1时的数据,得到该系统日间探测高度可达8~10 km,夜间探测高度可达10~12 km。对西安地区晴天、多云天和雾霾天的初步探测结果表明,该多波长激光雷达的性能完全能够满足对流层内气溶胶粒子的全天时和不同天气情况下的探测要求。     

探测气溶胶-水汽的拉曼-米散射激光雷达系统

设计和构建了发射波长为355 nm和532 nm的户外型全天时激光雷达系统,用于探测大气气溶胶和水汽。运用355 nm和532 nm的米散射、532 nm的偏振、氮气和水汽分子的拉曼激光雷达技术,用于对边界层结构、对流层气溶胶和云光学特性及其形态、水汽混合比进行连续探测研究。该系统结构紧凑,运输方便,具备远程操作、数据传输、一键式启动等功能。利用该系统对大气气溶胶和水汽进行探测,探测结果表明：在大气气溶胶的探测过程中,在重污染条件下混合层高度较干净天低,在0.5 km以下,而干净天在1 km左右;通过对消光系数、Angstrom指数和退偏振比分析可知,重污染条件下,底层大气气溶胶以球形粗粒子污染物为主,干净天底层大气气溶胶以球形细粒子污染物为主;在云层中,Angstrom指数明显减小,且出现负值,说明云粒子半径较大。在水汽探测过程中,采用自标定方法获得系统的标定常数为121,与已标定的激光雷达系统对比,误差在±0.3 g/kg以内;连续探测结果表明可对夜晚5 km及白天混合层以内进行探测。该系统满足产品化的需求,可广泛运用于大气环境的监测领域中。     

1.5微米大气探测激光雷达研究进展（特邀）

激光雷达拥有探测距离远、探测精度高、时空分辨率高、探测参数多样等优点,是大气探测的重要手段。对比常见的可见光波段激光雷达,1.5 μm大气探测激光雷达有独特优势,包括人眼安全、全光纤结构、穿透云雾能力强和昼夜连续探测等。2015年,世界首台单光子频率上转换气溶胶探测激光雷达诞生,实现了6 km距离高时空分辨率的气溶胶分布连续探测。在此之后,1.5 μm大气探测激光雷达在国内外迅速发展。按照探测方式区分,1.5 μm大气探测激光雷达进展分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达两类。直接探测激光雷达包括单光子频率上转换激光雷达、单光子频率上转换测风雷达、超导双频测风激光雷达、超导偏振激光雷达、多模单光子探测云激光雷达和单光子光谱遥感激光雷达。相干探测激光雷达包括偏振探测相干激光雷达、格雷编码相干测风激光雷达和大气多参数探测相干激光雷达。这些雷达的探测目标包括大气气溶胶（云）、能见度、偏振、风廓线、湍流耗散率、气体浓度、降水（雨滴谱）,并且单台雷达拥有多参数同时探测的能力。     

瑞利-米散射激光雷达的系统设计及仿真计算

设计了一台探测大气温度和气溶胶的瑞利-米散射激光雷达。对不同参数的大气后向散射回波信号信噪比进行了数值仿真计算,讨论了激光脉冲能量、发射的激光脉冲数、望远镜口径、空间分辨距离以及窄带干涉滤光片的带宽和透过率对激光雷达回波信号信噪比的影响。根据仿真结果,设计的激光雷达在白天时,气溶胶的米散射信号采用1 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了10.6 km;中层大气温度的瑞利散射信号采用0.2 nm带宽的干涉滤光片时探测高度最高,达到了47.1 km。     

基于InGaAs单光子探测器的线阵扫描激光雷达及其光子信号处理技术研究

随着探测体系的发展,基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注,有效降低了系统对激光功率的需求,广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求,基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统,对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析,配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点,并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法,将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比,单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1 550 nm,探测器线阵规模可达到128元,激光重频为20 kHz,可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像,作用距离>3 km。经过成像算法处理,该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像,成像目标清晰。     

量子增强星载光子计数激光雷达阈值检测性能

星载光子计数激光雷达在遥感探测、导航测距等领域发挥着重要作用。依据光子数可分辨激光雷达的工作原理,建立了基于光量子统计理论的星载光子数可分辨激光雷达接收端的量子阈值检测模型。方案利用先进的光子数可分辨探测器件滤除未能达到最小检测信噪比的光子,并根据光量子统计规律重构信噪比检测公式,接收端的最小可检测信噪比相对经典光强检测方案进一步降低。同时分析了新型量子阈值检测方案的检测概率与虚警概率,数值仿真的结果表明,基于光子数可分辨探测的量子阈值检测方案的信噪比在少光子到达的条件下优于经典光强检测方案,且利用量子压缩态发射源可进一步增强量子阈值的检测性能。最后,进行了星载光子数可分辨激光雷达测高的仿真实验,结果表明在少量返回光子信号情形下的量子阈值检测方案的性能获得了显著增益。     

基于Fabry-Perot标准具的多普勒测风激光雷达

研制了1 064 nm直接探测多普勒测风激光雷达,采用Fabry?蛳Perot标准具的双边缘技术,探测了对流层三维风场分布。介绍了多普勒测风激光雷达的总体结构和技术参数,较为详细地叙述了各部分的结构及其功能,并给出了合肥地区对流层径向风速的初步探测结果。结果表明,该激光雷达系统性能稳定,夜晚的探测高度可以达到9 km。     

基于U-NET网络的消防红外图像的人体检测算法

针对消防红外图像分辨率差、对比度低、信噪比低、视觉效果模糊、人体姿态复杂,多障碍物遮蔽、人体姿态不完整等特点。本文提出了一种基于U-Net网络的消防红外图像的人体检测算法,通过该算法解决了消防场景中人体姿态复杂,多障碍物遮蔽,人体形态不完整的困难。同时对比于传统目标检测算法以及YOLO v3算法,本文提出的算法在消防红外图像的人体检测上无论是检测的精度还是运算的实时性上都有大幅的提升。     

远距离监视激光雷达动目标快速检测

激光雷达具有全天候工作、探测精度高、有效探测距离远、易获得三维信息等特点,但工作在远距离模式时,目标点云比较稀疏。当前便携条件下,基于深度学习的算法在激光雷达点云数据直接目标识别时,实时性和成功率尚不能达到远程监视实际工程的要求。针对实际工程中利用激光雷达检测运动目标进而实时引导高分辨率相机的需求,采用基于变化的检测方法,对远距离条件下激光雷达的运动目标检测方法进行了研究,利用点云数据的距离信息,给出三维单高斯模型和三维高斯混合模型检测动目标的过程和方法,提出了利用杂波图恒虚警率检测法处理点云数据的方法。实验表明,与二维图像动目标检测方法相比,三维单高斯模型法会很大程度提高检测准确性,降低虚警率,但仍然存在较高虚警率。为适应复杂三维场景,采用基于三维高斯混合模型的方法进一步降低了虚警率,但也降低了检测速度;而杂波图CFAR的方法具有很高的实时性,同时也具有较好的检测性能。     

基于CCD的侧向激光雷达系统研制及探测个例

后向散射激光雷达技术已广泛应用于大气气溶胶的探测,但由于有盲区和过渡区,限制了它在近距离段的探测范围和精度。侧向散射激光雷达技术没有后向散射激光雷达技术中的上述缺陷,可实现近距离段气溶胶信号的连续探测,且探测精度较高。开发研制了基于CCD的侧向散射激光雷达系统,它由激光发射、光学接收、几何定标及数据采集等子系统组成。与后向散射激光雷达的对比探测个例表明,该激光雷达系统数据可靠,近距离的有效探测范围为0.02~4 km。这一系统的建立为进一步深入研究近地面层的气溶胶时、空分布奠定了坚实的基础。