基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

A novel method to improve detecting sensitivity of quadrant detector

This paper presents a set of formulae for estimating the light spot position projected on a quadrant detector (QD). A novel method of annular segmentation calculus (ASC) is designed to analyze the detecting light spot of QD. The influences of the spot movement mode, spot energy distribution, and dead area to the dynamic range and the detection sensitivity are analyzed. It is shown in simulations that our new formulae have achieved a much better results to increase measurement accuracy. It is also shown that on the condition of the same spot size, the detection sensitivity of Gaussian distribution is prior to uniform distribution. The detection sensitivity of diagonal mode is better than cross mode. The detection sensitivity increases with increase in the size ratio of dead area to spot. The simulating and experimental results show that the measuring range of QD is 400 μm, and the resolution is 50 μm. The study presented here will be beneficial in developing the nanomechanical displacement detection techniques.     

探测器点阵法测量激光光斑参数的仿真

 仿真分析了用均匀分布的探测器点阵测量激光光斑方法中,探测器灵敏度的线性工作动态范围,灵敏度的一致性差异,点阵间距等参数和光斑质心位置的测量误差,光束总能量的测量误差,以及光斑的分布等。仿真结果表明,当探测器灵敏度的一致性差异小于10％,线性工作范围的动态范围大于30dB,点阵间距小于光斑直径的1/5时,光束总能量的误差小于6％,光斑质心位置的测量误差小于光斑直径的2％,拟合的光斑分布和实际光斑分布比较接近。     

Non-iterative spot center location algorithm based on Gaussian for fish-eye imaging laser warning system

The directional accuracy of threaten laser is highly dependent on the laser spot center location accuracy for the laser warning system. On the basis of analyzing the spot features on wide field of view (FOV) fish-eye imaging laser warning system, a refinement of existing methodology based on fitting a 2D Gaussian distribution for estimating the center of the spot is developed. The proposed procedure is using a linear least squares based algorithm to determine the best-fitting parameters of the Gaussian. However, in contrast to the standard Gaussian Fitting procedure, this new scheme gives rise to equations that are rigorously linear in the transformed unknown parameters which can be solved easily by linear least squares estimators. To validate the accuracy of the proposed algorithms, experimental approaches with a type of laser warning detector and simulated threaten laser in laboratory are used to quantify its performance. The experimental results show that this method outperforms significantly the commonly used location technique. It is less susceptible to the non-100% fill ratio of CMOS and large unsymmetrical optical aberration of fish-eye lens. The positioning precision in paraxial region and 80° incident angle region are 1/60 pixels, 1/30 pixels respectively. The biggest error is less than 1/20 pixels. The proposed method is suitable for wide FOV laser warning system for high accuracy and low computational complexity.     

利用汉克尔变换设计高斯光束整形衍射元件的应用研究

衍射光学元件由于可以实现对高斯光束的整形而被重视,其通常的设计方法为G-S算法,由于使用傅里叶变换运算量大、费时长,将快速汉克尔变换应用到这些算法中可以极大地提高运算速度,节省运算时间,为设计复杂的光束整形元件提供了高效、可行的方法。本文利用该种方法设计针对中心波长为775 nm、光束束腰口径为6 cm的激光器,成功设计了一个具有二阶相位的折衍混合光学元件。仅单独这一片元件,既可在距离其35 m处得到一半径为200μm的圆形平顶光斑,均方根误差D0.021。当抽样值取2~15时,在普通PC机上运行时间仅为20.05 s,大大节省了优化设计时间(整个优化设计过程往往需要几十次甚是上百次这种运算)。同时利用离子刻蚀技术加工了该折衍混合元件,并进行了实际测试,结果与设计值基本相符,整形效果较好。这种单片的整形元件不仅整形效果好,还有利于与激光器的集成,简化系统的调节。     

天基激光告警系统成像特征及信噪比研究

目标成像特征和信噪比是天基激光告警系统优化设计、目标检测及攻击事件判定的重要依据.在介绍告警系统结构的基础上,分析计算了攻击激光成像光斑的情况,并进行了实验验证,讨论了系统的背景光噪声环境,计算了入瞳处的背景光辐照度,推导了系统成像信噪比公式,并得到了攻击激光成像信噪比.结果表明:攻击激光在正入射情况下的理论光斑直径约...     

利用部分相干光和同心角偏差透镜列阵实现二维靶面均匀辐照

提出利用部分相干光通过透镜列阵系统实现靶而的均匀辐照, 透镜列阵能获得边缘陡峭且顶部较平坦的准近场焦斑, 透镜列阵的适当同心度偏差又使各子束的斑纹相互稍微错开, 使干涉斑纹变密, 而入射的激光是空间相干性减少了的部分相干光, 可进一步抑制了透镜列阵系统焦斑的小尺度不均匀性. 使用广义衍射积分理论, 对高斯-谢尔光束通过透镜列阵光学系统的焦斑光强分布进行了详细的二维模拟研究, 比较了完全相干光与部分相干光经过透镜列阵的匀滑效果. 数值模拟表明, 应用同心度偏差和适当离焦时, 可实现焦斑均匀性和能量利用率同时达到最佳的效果.     

高斯反射率输出镜改善光束质量的实验研究

非稳腔能产生大体积基模,具有好的空间选模特性,但在固体调Q激光器中,由于孔径光阑和热畸变的影响,非稳腔输出的横模并不光滑.使用高斯反射率耦合输出镜可较好地改善其输出光束质量,设计了平-凸非稳腔,使用Nd:YAG,电光调Q固体激光器进行实验,获得了较为平滑的远场光强分布,实验结果表明高斯反射率输出镜可较好地改善固体激光器中非稳腔输出光束质量.     

OFLID: Simple method of overlap factor calculation with laser intensity distribution for biaxial lidar

We proposed a simple overlap factor calculation method based on laser intensity distribution (OFLID), which is simple, practical and can be applied to any specific laser intensity distribution. In order to obtain the laser intensity distribution and parameters of our laser system, we designed a simple experiment to measure them, and then simulated an ideal Gaussian and uniform laser intensity distribution with the measured parameters. The OFLID calculation results indicated that the overlap factor of the measured distribution has approximately half the relative error of that of the ideal Gaussian distribution in the increasing range field for our lidar. Specifically, the laser intensity distribution should be regarded in the overlap correction of the lidar signal. Theoretically, the OFLID method can reduce the error caused by the hypothesis of ideal uniform or Gaussian intensity distributions in the analytical method. In addition, the method is easy to implement for overlap correction, signal simulation and system configuration optimization for biaxial lidar.     

Design and evaluation of a Blu-ray pickup head system for determining the tilt angle and displacement of the test plane

We present an optical system design for determining the tilt angle and displacement of the test plane. The proposed optical system consists of a Blu-ray pickup head and a pigtailed laser diode with a uniform Gaussian beam. The optical system is evaluated by two optical design software packages, Code V and LightTools. A quadrant detector is used to detect the relative relationship of the V_A, V_B, V_C and V_D output signals, which can be used to measure the tilt angle and displacement on the test plane. Both the tilt angle and displacement on the test plane can be determined from the change in the beam shape on the quadrant detector. The proposed system can generate a circular uniform beam shape to reduce the misjudgment and to enhance the measurement accuracy. Various simulation cases are presented in detail to show the feasibility of the proposed system.     

激光多普勒测速仪中散射光特性的研究

后向散射光特性与多普勒信号的质量密切相关。为了设计高性能的激光多普勒测速仪,运用散斑理论详细分析了激光多普勒信号的强度与散射光斑大小的关系,结合泛函理论给出了计算多普勒电流的散斑表达式,并通过实验的方法研究了回波信号的偏振特性及其强度分布。理论分析与实验结果表明,激光多普勒信号的强度与接收器件光敏面的直径成正比,与光斑的直径成反比;选用光斑较小的圆偏振激光束,并用光敏面尺寸较小的探测器在镜面反射方向上接收信号光,可以大大提高多普勒信号的信噪比,增强系统的探测能力,为提高系统的测量精度创造有利的条件。     

光点定位中的曲面拟合迭代算法

在光电检测系统中,需要对光点信号的位置实现亚像素定位。光纤从一端照明,由光纤另一端出射光点,由面阵CCD摄像机获取光点的灰度分布。基于最小二乘法,采用高斯曲面拟合算法拟合其分布,用高斯拟合函数的极值点作为光点的定位点。实验结果表明,采用多次迭代算法可以提高定位精度;拟合算法的稳定性(标准差)为0.7μm.高斯曲面拟合算法具有重复精度高、稳定性好的特点。     

TEA-CO2激光辐照HgCdTe图像传感器的实验研究

利用TEA-CO₂激光对碲铬汞(HgCdTe)图像传感器的干扰和损伤现象进行了实验研究,分析了干扰和损伤机理。探测器上激光能量密度小于255 mJ/cm2时,饱和像素仅出现在光斑区域,激光能量密度为425.8 mJ/cm2时,像素被损伤,观察到了弥散斑和暗环等现象。建立了探测器的激光辐照模型,计算了探测器的温升,讨论了温升与载流子浓度、迁移率的关系。分析认为,弥散斑的出现是探测器升温产生的热激发载流子浓度扩散所致,暗环的出现是迁移率与载流子浓度扩散共同作用的结果,像素的损伤则是因为温升导致汞的析出。     

三维高斯拟合激光光强快速衰减算法

为缩短衰减倍率调整的时间,提高激光参数测试的效率,提出激光光强快速衰减算法。衰减倍率精确调整量由当前衰减倍率和采集到的光斑光强真实的最大灰度值共同决定。当因光电接收器件(CCD)饱和造成采集光斑图像失真时,即衰减倍率过小时,由于激光光斑的光强通常满足高斯分布,通过对光斑图像进行处理,去除饱和部分光强信息,对剩余部分光强信息利用最小二乘法进行三维高斯拟合,还原出激光光斑光强的真实分布并获得最大灰度值;当衰减倍率过大时,根据采集光斑图像可以直接获得当前最大灰度值,最后通过计算获得最佳的衰减倍率调整值,实现了激光光强快速准确的调整。算法的有效性通过步进电机带动的双轮可变衰减器及CCD配合得到验证。     

平顶飞秒激光经圆锥透镜在熔融石英中成丝及超连续辐射

实验研究了平顶飞秒激光经圆锥透镜后在熔融石英中的成丝及超连续辐射.与高斯飞秒激光的成丝对比发现,平顶飞秒激光可以获得在圆锥透镜焦深区域内强度分布更为均匀的等离子体细丝,这一特征更有利于飞秒激光在固体介质中进行微纳加工等领域的应用.并且,在不损伤熔融石英的条件下,平顶飞秒激光成丝可以获得更高能量、更高转换效率的超连续辐射,这是因为若产生光强相近的细丝,平顶飞秒激光所需的初始激光能量更高,此激光能量下产生的细丝长度更长、均匀性更好.     

基于高斯拟合的激光光斑中心定位算法

激光光斑中心定位是光学测量中的关键技术之一。通过对常用定位算法的分析,给出利用光斑图像中的不饱和点对光斑进行高斯拟合,并以拟合函数的幅值点作为光斑中心的方法。利用人工光斑对该算法进行验证,结果表明该算法误差远小于0.1 像素;利用一维高精度电动平移台、CCD相机、激光器等搭建测试系统,由计算机自动采集激光光斑图像并对其进行分析,实验结果表明该算法与理论分析结果的均方根误差仅为0.1 像素。     

连续相位板面形的随机特性研究

根据连续相位板面形分布的随机特性,利用自相关函数和相关长度对其面形特性进行了分析.采用一个高斯型随机分布函数推导了相关长度与连续相位板远场分布之间的解析关系.利用数值算法计算了连续相位板远场分布的方差和能量利用率,并计算了不同的相关长度对连续相位板远场分布的具体影响.结果表明,连续相位板的相关长度越小,远场分布均匀性越好,焦斑形态更加接近于目标焦斑,同时具有较高的能量利用率.     

激光沉积大面积均匀薄膜数学模型与实验

由于激光烧蚀靶材产生的等离子体呈高斯分布,其中所包含粒子密度及性能的空间分布极不均匀,因此脉冲激光沉积法难以制备性能与膜厚均匀的大面积薄膜。提出并构建了衬底自转与一维变速平移机构,衬底匀速自转的同时,进行一维平移,越靠近等离子体中心平移速率越大、反之越小,达到均匀镀膜的目的;在此基础上建立了机构运动参数对膜厚影响的数学模型,通过仿真模拟分析关键参数对膜厚分布的影响;通过运动参数优化指导实验,最终获得了直径为200mm、不均匀性不超过±4%的大面积类金刚石膜,与仿真优化结果吻合。     

高斯型激光圆孔衍射中的光束畸变调控研究北大核心CSCD

从光波衍射的基本理论出发,利用高斯型分布的激光束,研究开普勒望远镜系统在衍射过程中光束畸变调控方法。利用中阶Zernike多项式构建像差函数法来模拟望远镜系统中的四叶畸变现象,并将该Zernike因子引入光学系统中弥补畸变效果。研究发现,波长和孔径会对奇异光强的分布产生明显的影响,波长增大的时候会改变光斑的形状,孔径会影响光斑强度和尺寸,11阶的Zernike四叶形变因子可以抵消望远镜系统的畸变现象。     

飞秒平顶光束经微透镜阵列在熔融石英中的成丝及其超连续辐射

实验研究了平顶激光光束经微透镜阵列在熔融石英中成丝的演化以及超连续辐射的产生,并进一步与高斯光束的成丝和超连续辐射进行了对比研究.分别对这两种光束的多丝传输进行了横向和纵向成像.结果表明,使用平顶光束可以获得更为均匀的多丝分布,成丝的起点也更为一致;尤其重要的是,相对于高斯光束,平顶光束可以使用更高的入射激光脉冲能量而不会造成介质的损伤,从而可以获得更高脉冲能量和更高转换效率的超连续辐射.