国外星载激光雷达研究进展

星载激光雷达可以获取全球的高精度地球探测数据,在对地观测中起到越来越重要的作用。介绍了美国和欧洲星载激光雷达的发展历程。从探测原理、探测系统和探测结果等方面分别对地球激光测高系统星载激光雷达、正交偏振云-气溶胶星载激光雷达以及大气激光多普勒测风星载激光雷达进行了详细介绍。并对3台星载激光雷达的接收望远镜的结构和材料进行了分析。可以为我国星载激光雷达的研究提供参考。     

低盲区杂散光对激光雷达系统信号质量的影响

利用ZEMAX软件对透射式米散射激光雷达系统的杂散光进行分析,对激光雷达系统中光学镜片表面的反射和镜筒内壁系统的多次反射、散射进行模拟,得到镜面的多次反射光成像在探测器面源的功率可达3×10-8 W,镜筒散射光成像在探测器面源的功率达到2.8×10-9 W。在测量条件相同的情况下,通过对透射式和反射式激光雷达的连续观测结果进行分析,得出透射式米散射激光雷达的近场杂散光经过光电转换后的回波信号强度可以达到1000mV,比反射式激光雷达系统的高约17倍;用衰减片分别对两种雷达信号进行衰减处理,结果显示:当信号衰减80%时,透射式激光雷达系统的近场信号出现下翘现象。从对信号非线性化处理的结果也可以看出,反射式激光雷达系统优于透射式激光雷达系统。     

基于ZEMAX的拉曼激光雷达几何因子的模拟分析

激光雷达在接收大气回波信号时,近场信号由于望远镜视场角的限制不能完全接收,这对于侧重于接收大气对流层信号的拉曼激光雷达是不利的。激光雷达方程引入几何因子的概念描述回波信号的接收效率。从几何光学的角度,对拉曼激光雷达的几何因子进行了分析,对比光线追迹法求解的几何因子,两者重合度很高.为提高光纤耦合拉曼激光雷达在近场的接收效率,研究了光纤在轴向和侧向上的位移对接收效率的影响,并提出了侧向偏移光纤与以往传统的倾斜望远镜在提高近场回波信号上的一致性,有效地提高了窄视场角拉曼激光雷达系统的光学接收效率。     

一种折反二次成像式长波光学系统的杂散光抑制

讨论了一种折反二次成像式长波红外光学系统的杂散光抑制方法,该光学系统采用R-C反射式结构和二次成像光路,用于小型低成本红外成像制导系统。利用LightTools软件仿真找出光学系统中的主要杂散光来源和传输路径,结合仿真分析结果设计出了合适的机械拦光结构。然后在LightTools中建立了光学机械结构模型针对杂散光抑制进行了迭代设计,并对杂散光抑制效果进行了仿真验证。设计的光学系统加工、装配完成后进行了太阳杂散光抑制试验,仿真和试验结果表明:太阳夹角7以外不存在杂散光干扰,可以满足系统杂光抑制要求。     

基于点阵照明的APD阵列外差激光雷达外差效率的提高

当前研制的快速成像无扫描激光雷达系统由于激光器功率和信号损耗的限制,遇到了无法增大作用距离的瓶颈。结合光外差体制和APD阵列探测器设计的APD阵列外差探测激光雷达系统可以有效地解决这个问题。鉴于光学系统的外差效率能够直接影响外差激光雷达的性能,因此照明方式的设计是该套激光雷达系统的一个关键。经过分析,传统的直接扩束照明模式下系统的平均外差效率仅为10-5量级,远无法打到使用要求;因此提出了采用改进的点阵照明,并采用在阵列探测器前置微透镜阵列实现匹配接收的方式来解决这一问题。计算结果显示,经过优化后的点阵照明模式下的系统外差效率可达0.82,进而证明了采用点阵照明设计的APD阵列外差激光雷达系统的性能可以达到实用要求,为进一步开展APD阵列外差激光雷达的研究工作奠定了理论基础。     

星载大气主要温室气体监测仪杂光模拟分析

杂散光分析是提高信噪比,保证测量精度的关键手段之一。依据星载大气主要温室气体监测仪光学系统结构及其工作特点,设计了仪器的外遮光罩和前置望远系统的遮光筒。建立仪器的三维实体模型,利用Tracepro软件对仪器氧气通道(758~768 nm)的杂散光进行了分析,给出系统杂散光点源透射比(PST,Point Source Transmittance)曲线, PST在30离轴角小于510-7。依据PST拟合曲线,通过积分计算得到杂散光系数小于4%。结果表明:杂散光抑制措施效果明显,杂散光水平达到了设计指标要求。     

激光通信终端光学系统杂散光抑制技术研究

随着空间应用领域的扩展,卫星激光通信凭借其在速率、带宽、体积、重量和功耗等方面的优势而得到广泛应用。对于卫星光通信来说,终端光学系统的性能直接影响通信的可靠性和稳定性,本文根据激光通信中收发一体、双向双工工作模式对收发隔离度的要求,采用Code V软件完成了830nm激光通信终端光学系统设计,实现物方全视场15mrad,全视场MTF值>065@100线对/mm,限制光线出射角不小于8SymbolpB@,设计结果满足系统使用要求。通过对光学系统杂散光分析与抑制技术研究,控制轴外杂散光在离轴角5°～20°时杂散光抑制能力大于45dB且20°时大于60dB。实验结果给出830nm激光通信终端光学系统光路图并对系统轴外杂光范围及抑制能力进行了测试,测试结果与仿真的结果一致,满足卫星激光通信系统使用要求。     

APD探测器的性能对激光雷达反演CO2浓度误差影响研究

星载积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达是全天时全球范围内探测CO2浓度的一种有效的方法,而作为接收系统关键元件的光电探测器对激光雷达系统性能有着较大的影响。雪崩光电二极管（APD）有着较大的动态范围与高的响应度,因此它在星载激光雷达中广泛应用。介绍了IPDA激光雷达和APD探测器的工作原理,并根据实际工作条件,测试了一款APD探测单元的响应度、动态范围、不同光功率下的信噪比等主要性能参数,分析了这些性能参数对星载激光雷达CO2浓度的反演带来的影响。结果表明,在CO2浓度为400 ppm（1 ppm=10-6）,吸收波段信号的探测器输出电压在280~980 mV范围内时,APD探测器本身的非线性和噪声造成的误差小于0.8 ppm。     

基于可见光系统的杂散光评价方法研究北大核心CSCD

随着光电成像技术日新月异的发展,杂散光干扰现象成为光电系统难以回避的问题。为了更好地表征可见光光学系统杂散光程度,解决现有评价方法——PST算法,无法表征杂散光入射在像面的总能量和能量分布的问题,本文提出一种优化后的等效PSTη计算方法。以一种可见光光学系统为例,通过杂散光仿真软件得到太阳光相对系统光轴各离轴角度的杂散光数据,分别使用原有PST算法和PSTη算法与杂散光辐照度分析图进行对比,结果表明PSTη算法在传统PST计算值一致时,能够更为准确表达杂散光变化趋势,由此可以更好的表征可见光光学系统杂散光分布情况。以PSTη作为评价指标设计了可见光光学系统杂散光抑制措施,验证了PSTη具备指导实际杂散光分析抑制工作的能力。该评价指标也可以推广到其他波段的成像系统中。     

星载钠荧光多普勒激光雷达性能分析

星载钠荧光多普勒激光雷达可以用来测量全球的中间层顶及低热层区域的大气风场、温度及钠原子数密度等。为了从理论上分析星载钠荧光多普勒激光雷达的可行性,该文依据激光雷达方程,对星载钠荧光多普勒激光雷达的回波信号强度以及大气参数测量精度进行仿真计算。分析结果显示在使用400 km轨道高度,30.0观测角度,9.0 W激光发射功率,1.0 m接收望远镜口径,2.0 km垂直距离分辨率,30.0 s信号累积时间情况下,可获得0.8 m/s视线风速测量精度,1.5 m/s水平风速测量精度和2.5 K温度测量精度。      

多通道海洋荧光激光雷达溢油监测系统

主要介绍了可用于海上溢油监测的多通道海洋荧光激光雷达系统及实验研究.该激光雷达系统采用Nd:YAG激光器三倍频激光(355 nm)作为探测光源,使用口径为20 cm的卡塞格林望远镜接收海面返回的荧光信号,经光栅光谱仪分光后对380 - 690 nm范围内的荧光信号进行采集.通过实验室激光诱发油样本的荧光数据分析,研究了...     

目标特性对机载激光雷达接收带宽影响的数值仿真

为了提高激光雷达的接收灵敏度,分析了其照射到目标上的激光功率的时空分布特性,对不同时刻返回的激光回波功率进行积分求和,数值计算出激光回波脉冲信号波形,并在系统分析非相干探测激光雷达系统噪声特性的基础上,仿真分析了地面大目标对激光回波脉冲的展宽效应及其对接收带宽的影响.仿真结果表明:根据激光回波脉冲的展宽特性在信号频谱与噪声频谱上的差异,采用最佳接收带宽法可以有效地抑制背景噪声,大幅度地提高激光雷达的信噪比,实现激光雷达以较小的发射功率获得较大的探测距离的目的.     

月基望远镜杂散光PST研究与测试

针对月基望远镜（LOT）杂散光抑制能力的验证,在地面采用点源透过率法对其遮光罩视场外杂散光抑制比进行了测试,并利用光学系统视场外不同离轴角的点源透过率（PST）来评价其杂散光抑制比。该PST测试方法突破了以往的杂散光测试方法,采用高精度星模拟器与EMCCD结合的思路,保证了探测器在其线性区域内具有大动态范围探测能力的特性,其动态探测范围可达1012,可满足指标PST（在22离轴角）测试值10-7的要求。该方法能更客观、更直接地反应遮光罩的杂散光抑制能力,其PST（在22离轴角）测试不确定度可优于60%,远远高于以往杂散光抑制比的测试精度。另外,讨论了该测试方法需改进的几点措施,PST测试预期目标可达10-12。最后通过试验对LOT相机遮光罩的杂散光抑制比进行测试,验证了LOT相机杂散光抑制比满足设计要求。     

光学系统杂散光分析

杂散光是光学系统中所有非正常传输光的总称，杂散光对光学系统性能的影响因系统不同而变化。因此，在现代光学设计中，杂散光分析成为光学设计工作中的一个重要环节。杂散光产生的原因比较复杂，讨论了漏光和透射面残余反射引起的杂散光，针对漏光杂散光给出了高密度取样的分析方法，对于残余反射的杂散光建立了带能量因子的光线光学模型和光线二叉树的数据结构，在保证计算精度的同时减少了计算时间。对一个卡塞格林光学系统进行了漏光杂散光分析和光学表面残余反射杂散光的近轴与实际光线分析，得到减少杂散光的措施，达到了杂散光分析的目的。     

多普勒测风激光雷达从车载到星载

阐述了星载对地测风激光雷达系统对于全球大气气象研究的意义,总结了国际星载测风雷达系统的研究思路。介绍了中国海洋大学在国际上地基、机载、星载这一激光雷达研究思路下,基于碘分子吸收滤波器设计的车载、机载激光雷达系统和相关系统的验证实验,在地基测风系统的基础上建立了532 nm波段基于碘分子吸收滤波器或法布里-珀罗滤波器的Labview星载模拟软件。使用车载系统的实际测量数据对使用碘分子吸收滤波器的模拟测风激光雷达软件在0~3 km和3~20 km的测风精度进行模拟验证,结果表明回波累积脉冲次数在1300次的时候,可以达到星载测风雷达的测量要求。     

大视场红外折反光学系统杂散光分析

杂散光分析是保证光学系统成像质量的关键技术之一,根据红外光学系统杂散光的定义,指出大视场红外光学系统的杂光来源,以及杂光对系统的影响,并且建立了消杂光结构。在消杂结构中,为了减少内部辐射,遮光罩内部使用反射式挡光环。采用TracePro软件对系统进行建模、仿真分析,结果表明此红外光学系统的杂散光得到很好的抑制:太阳杂光抑制水平PST可以达到10-5～10-8,内部辐射到达像面杂散光能量量级为10-10 Ｗ,系统可以实现清晰成像。     

激光测距机接收光学系统视场光阑的设计研究

为了提高激光测距机对背景杂散光的抑制能力和对漫反射小目标的探测能力,采用了在激光测距机接收光学系统中加入与视场匹配的视场光阑的方法。经过理论分析和实验验证,此种设计可取得较好的实验效果。结果表明,在相同的背景和能见度下,对同一目标测距,视场光阑对抑制杂散光、降低噪声、提高探测灵敏度起到较好的作用。激光测距机加视场光阑后测距能力能提高到原来的约1.18倍,具有更好的测距能力。     

大功率激光光学系统杂散光分析的数据结构

文中主要研究发功率激光光学系统光学表面多次反射而形成的杂散光及其数学模型与计算方法，提出了杂散光分析的二叉树数据结构。利用这种数据结构，作者编制了激光光学系统杂散光分析软件，针对两个实例建立了近轴鬼光束树。实例计算表明，采用该数据结构可以全面描述杂散光状况，并根据设计人员的要求捕捉危害较大的鬼像。     

准直红外光雷达发射机和接收机望远镜的新方法

在研究远距目标的激光后散射的过程中,研制出一台用外差探测的单端光学系统。它利用一对望远镜来接收和发射辐射。发射望远镜放大大功率脉冲CO_2激光光束,并照射几公里距离内的一个目标。接收望远镜在发射机背后。收集目标的后散射辐射,并转播到红外探测     

大视场日冕仪光学系统杂散光抑制

大视场日冕仪主要用来对215倍太阳半径内的日冕进行全周向观测以监测太阳活动并对影响日地空间的灾害性空间天气进行预警。根据杂散光抑制要求,将大视场日冕仪的光学系统设计成外掩透射式二次成像结构,其光学系统长度为355.89 mm,视场为±20°,焦距为40 mm。将大视场日冕仪杂散光按照光强分为三级,其中一级为太阳直射光,二级为外掩体和外窗口边缘的衍射光,三级为内掩体表面反射光、物镜口径边缘的衍射光和散射杂散光。对这三级杂散光分别进行抑制后得到内视场的杂散光抑制水平为10-9量级,外视场的杂散光抑制水平为10-13量级。