线性增益调制激光雷达系统参数对测距精度的影响

测距精度是激光雷达系统的重要参数,测距精度影响因素的研究对于提高激光雷达系统性能具有重要价值。增益调制无扫描激光雷达是一种新体制的激光雷达,其测距精度的影响因素不同于传统飞行时间测量的激光雷达系统。从增益调制激光雷达距离表达式出发,推导了增益调制激光雷达各系统参数对于距离精度的影响,综合考虑了ICCD的调制误差、回波强度较低时的光子噪声、探测器噪声、微通道板的增益饱和等因素,给出了测距精度与回波功率的关系曲线。得出增益调制无扫描激光雷达系统存在一个回波强度区间,在该强度区间内,无扫描激光雷达的测距精度是区间外的2倍以上。     

消除光强调制影响的双波长正弦相位调制干涉仪

在双波长半导体激光(LD)正弦相位调制(SPM)干涉仪中,通过注入电流调制LD波长的同时,光源的输出光强也被调制,影响了测量精度。提出了一种新的双波长LD SPM干涉仪,通过对干涉信号进行处理,得到与干涉信号相位相关的线性方程组,利用该方程组精确计算相位,消除了光源光强调制的影响,使测量误差由6μm减小至1μm,并利用该干涉仪与波长扫描技术相结合实现了绝对距离的测量,当待测距离为60~280 mm时,测量结果的重复性为1μm。     

角反射器对调制偏振光的偏振响应研究

偏振调制测距方法利用往返调制偏振光传递待测距离相位信息,角反射器作为其合作目标,其对调制偏振光的偏振响应会影响系统性能。为研究该响应,提出调制偏振光的复信号描述方法,在测量系统的全局坐标系下,结合偏振传递参数获得反射调制偏振光的复信号表示。分析了正入射时未镀膜实心(BK7)和空心(Au膜层)角反射器对调制偏振光的偏振响应特性;比较三种常用金属膜层对调制偏振光的保偏性能,并分析角反射器姿态角对保偏特性的影响。计算结果表明:Ag膜层对调制偏振光的保偏性能优于Au膜层和Al膜层;全局坐标系下调制偏振光振幅比受偏摆角影响显著,相位延迟受俯仰角影响显著。研究结果可为偏振调制测距系统的优化设计提供理论指导。     

高精度多频调制实时激光测距系统

为了克服多频调制激光测距系统中相位检测算法复杂、实时性差、精度低的问题,提出一种距离测量方法。该方法将测距回波信号通过改进的正交计算模块得到精确的相位延迟正切值,再通过坐标旋转计算机（CORDIC）角度计算模块得到相应的角度,结合正交同相（I）和正交（Q）支路输出的符号位和相位测距解模糊算法计算出精确的距离。实验结果表明,系统测距误差与回波信号的信噪比和计算模块的字长有关,在SNR为10dB,字长为16bit时,相位精度为0.03°,距离精度为0.125mm。     

伪随机码调制的高精度星载激光测距雷达

伪随机码调制激光测距系统通过发射高阶调制激光,实现高频率、低峰值功率探测,利用高频率探测和统计实现高信噪比,具有系统体积小、质量轻的特点,是一种适合远距离的激光雷达系统。但是测距精度与调制频率有关,以往研究中通常使用高调制频率实现高精度测量。文中研制了一台伪随机码调制的激光雷达样机,采用调制重复频率100 MHz、入瞳直径0.1 m的光学天线,通过对周期内回波信号进行高斯统计,在信噪比为5时的实验室环境下实现了0.1 m的高精度测距。通过理论和试验分析证明了通过提高时钟频率和信噪比可以有效提高测距精度。     

增益调制激光雷达弱信号的双阈值处理分析

在远距离弱信号条件下,增益调制激光雷达系统的测距精度受到强背景噪声的严重干扰。为了提高系统的测距精度,从系统基本工作原理出发,对增益图像进行双阈值化处理,得出了测距误差最小的阈值条件;考虑到阈值处理对目标与背景存在错误判断,结合增益调制像的概率分布函数定义了增益像和距离像的错误率函数。选取距离分别为1 930 m和1 940 m的两座建筑物作为目标进行成像实验。实验结果表明:双阈值化处理后,系统的测距偏差减小了58.3%,从而验证了双阈值化处理的可行性。通过对目标与背景实验结果的计算发现,目标距离的错误率存在极小值。     

采用高速伪随机码调制和光子计数技术的光纤激光测距系统

在高速伪随机码调制和光子计数技术的激光测距系统中,将1 550 nm光纤激光器的伪随机码调制速率从622 MHz提高到1 GHz,利用光纤延时方法开展了两种调制速率下的测距实验并进行性能验证和对比。采用10阶M序列伪随机码和探测效率为10%的同一个InGaAs/InP雪崩光电二极管,入射到探测器的信号光能量均为1.9410-17 J时,得到二者的系统信噪比基本一致,但在高调制速率下系统的测距精度提高了1.58倍,基本符合理论计算结果。搭建了实际测距平台并开展基于1 GHz调试速率下的室内测距实验,当测量距离约为4.5 m的高反射目标时,得到2.1 cm的测距精度,该实验结果为室外测距实验提供了参考依据。     

空间调制线偏振光谱测量的波片延迟误差校正

基于四分之一波片-复合双折射光楔-偏振片的空间偏振调制结构,提出了四光束校正方法,对四分之一波片延迟量误差进行校正,从而达到提高线偏振测量精度的目的;利用计算机仿真手段,研究了待测目标圆偏振参量变化时,线偏振参量测量结果的变化情况以及相应的测量精度水平。仿真结果表明:当待测目标的线偏振度、圆偏振度分别在0.1~0.2、0~0.2随机波动时,延迟校正后的斯托克斯参量Qi、Ui以及线偏振度的测量精度优于10-3,Ui以及线偏振度的测量精度比延迟校正前提高了约14倍。     

高精度双干涉光路调频连续波激光绝对测距系统

调频连续波激光测距具有无盲区、非接触测量和绝对测距等优点,但是由于可调谐激光器光频率调制非线性对其测量精度的影响,限制了调频连续波激光测距在精密测量领域中的应用。针对调频连续波激光测距中测距精度受到激光器光频率调制非线性的影响,提出了双干涉光路调频连续波激光测距方法,利用两个干涉系统得到的干涉条纹数量的比值计算得到被测目标的距离,消除了激光器光频率调制非线性对测距精度的影响,实现了65 m的测量分辨率和15 m的重复测量精度。该方法无需对激光的波长进行测量,也无需对激光器进行锁频,系统组成简单,在工业大尺寸测量、空间技术、测绘等领域有着广阔的应用前景。     

线性增益调制激光雷达系统参数对测距精度的影响

增益调制非扫描激光雷达是一种新体制的激光雷达,其测距精度的研究具有重要价值。从增益调制激光雷达距离表达式出发,研究了增益调制激光雷达各系统参数对于距离精度的影响关系,综合考虑了回波强度较低时的光子噪声和距离精度较高时微通道板的增益饱和带来的影像,给出了测距精度与回波功率的关系曲线,得到了增益调制无扫描激光雷达系统存在一个回波强度区间,通过调整系统参数控制回波强度在该区间内,可以保证系统获得最高的测距精度。     

锯齿波调制半波扫描技术对甲烷检测系统的性能改进

为了能够在复杂的环境下实现甲烷气体浓度的高精度和高稳定性检测,在基于光谱吸收原理的光纤甲烷检测系统的基础上,提出了利用锯齿波调制的半波扫描技术,较大程度改进了系统的性能指标。采用锯齿波调制光源的方式,同时对光信号进行波长调制和强度调制,实现对甲烷气体的洛伦兹吸收线型扫描。锯齿波调制的方式能够解决信号链路噪声、环境噪声等随机信号对光强造成的干扰,消除光源波长漂移对检测带来的影响,且实现了积分处理,进一步提高检测精度;但由于甲烷吸收光谱的对称性,采用通用的全波扫描方式,气体吸收光强后进行微分处理会出现正弦型曲线,无法准确确定吸收的光强所对应的数字量;而采用半波扫描方式,气体吸收光强后进行微分处理只出现凹型曲线,可以准确确定吸收的光强所对应的数字量。实验结果表明:采用锯齿波调制的半波扫描方式,可以准确测得甲烷气体浓度;测量范围为0%~10%,精度由100 ppm提升到10 ppm（1 ppm=10-6）,稳定性由0.3%提升到0.01%。该系统经过改进后在复杂环境下受温度影响小,精度高,稳定性好,抗干扰能力强。     

脉冲飞行时间激光测距系统中周期误差补偿

在以正弦波为测量基准信号的激光脉冲飞行时间测距系统中,由于高频信号之间的串扰或器件非线性等因素的影响,将产生脉冲飞行时间周期误差,导致测距精度降低。为此提出了一种利用测距仪在一定距离条件下的测量数据计算定时误差的方法,通过最小二乘法拟合构造出一条含误差补偿功能曲线,并将该曲线进行离散化处理,将离散化数据存入单片机内,在距离测量时以含误差补偿功能曲线作为测量基准,实现对脉冲飞行时间周期误差的补偿。该方法具有原理简单、数据可靠、操作方便等优点。所研制的激光脉冲测距仪经过误差补偿后,测距误差小于3 mm。     

基于非对称sinc函数拟合的激光测距算法优化

小型化的高重频多脉冲激光测距机采用数字化处理确定目标距离,接收电路带宽、数字化采样精度以及滤波算法等因素会影响测距的精度,文中在对测距误差分析的基础上提出改进测距精度的算法。首先,在对激光回波信号积累以提高信噪比的基础上,对回波信号波形进行中心差分处理、斜率阈值和幅度阈值条件处理,剔除伪峰值点,初步确定峰值点位置。然后,根据初定位后的波形特点,选择相应的指数函数进行非对称sinc函数波形拟合修正,估计波峰点相对准确位置,从而输出较为精确的目标距离。最后,将改进算法在matlab中仿真,实验结果验证了文中提出的修正算法对提高激光测距精度的有效性。     

基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法

为了解决调频连续波(FMCW)激光器调制非线性导致的测量信号频谱展宽降低激光干涉测距精度的问题, 采用一种基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了双光路测距系统对不同位置目标信号等光频细分重采样后的波形数据, 并进行了频谱分析。结果表明, 通过等光频细分重采样的方法, 使用细分后的时钟信号点对距离大于辅助干涉光路光程差的目标测量信号进行重采样, 消除了激光器的调制非线性的影响, 并且避免了采样点数不足引起信号失真的问题; 在4.3m测量范围内, 等光频细分重采样测距系统与激光干涉仪相比最大残余误差不超过±18.46μm, 最大测量标准差为23.39μm; 该方法使用的辅助干涉光路光程差很短, 受环境的影响较小, 可以获得稳定的时钟信号, 并且可以减少双光路FMCW测距系统的体积与成本。该研究为长距离、高精度调频连续波测量提供了实用参考。     

基于国产三代微光ICCD探测器的三维激光成像雷达

针对高分辨、高帧频激光三维视频成像问题,基于国产三代微光像增强器,采用线性增益调制单ICCD成像方法,建立激光发射功率和成像距离的数学模型、测距模型。考虑激光光源功率波动、脉宽误差、同能量脉冲误差因素,对三维成像测距误差进行分析,得出远距离高精度三维成像的解决措施。开展单ICCD增益调制激光三维成像雷达工程样机研制,并进行外场成像试验,结果表明该激光三维成像雷达具有25 Hz帧频、720×576高分辨率,220米外测距精度优于001m,实现对目标的三维成像,验证了分析与措施的有效性。     

激光脉冲超声调制打孔的研究

分析了采用规则激光脉冲尖峰序列打孔的优点及脉冲尖峰参数的选择。对激光脉冲尖峰超声调制的一些规律及对打孔的影响进行了研究。实验和分析表明,采用超声调制打孔可较大地改善打孔的精度、表面质量及打孔的重复性。     

An ultraviolet laser communication system using frequency-shift keying modulation scheme

A communication system based on an ultraviolet(UV) laser at 266 nm is presented to improve the communication distance. The pulse frequency-shift keying(FSK) modulation scheme is studied and improved in order to reduce the bit error rate(BER), and is put into practice on a field programmable gate array(FPGA). The mathematical models of the modulation and demodulation are established. A test platform is set up to measure the energy density and pulse response under different distances and receiver elevation angles. It is shown that the omnibearing communication can be realized, and the bit rate is limited to 12.5 Mbit/s. The BER is estimated to be less than 10-7 at distance of 300 m in line-of-sight(LOS) communication model and to be less than 10-6 at distance of 80 m in non-line-of-sight(NLOS) communication model.     

电子调制的激光相干粗糙度测量技术研究

表面粗糙度对机械产品的使用性和可靠性有重要影响。为了实现远距离测量零件表面粗糙度,采用基于激光多普勒效应的电子直接调制激光的相干法进行了表面粗糙度测量。应用激光多普勒效应克服了工作距离的影响;使用电子直接调制提高了测量速率,降低了成本;采用相干法实现了交流锁相放大,有效控制了系统噪声。经过测量过程的统计误差控制、标定和比较可知,所设计的系统测量不确定度可达1‰。结果表明,该技术具有远距离测量且精度高的特点,对表面粗糙度的测量具有一定的指导意义。