陈大鹏[1]2004年在《激光经卫星反射的回波的相干性初步研究》文中进行了进一步梳理天文台在接收测地卫星回波信号时经常有漏测的现象,即地面发射激光后,接收设备接收不到卫星反射的回波信号。这可能是由于接收设备没有瞄准或者探测装置没有正常响应,也可能是由大气散射、折射、湍流等因素造成的。此外,我们分析还可能是由于接收设备处于多个角锥棱镜反射光波相干的减弱区域。为了分析漏测现象是否与反射光波相干有关,作者用计算机模拟并辅以理论计算和定性实验的方法对此进行了初步研究。本文中所做的主要工作有: 1、对球面波在大气中传输的互相干函数(MCF)进行了计算,给出了归一化的互相干函数随两点间距离变化的曲线; 2、依据相位屏理论,使用MATLAB软件模拟产生了大气湍流相位屏,并且为模拟程序创建了图形用户界面(GUI); 3、对要研究的实际问题建立模型,用计算机模拟,得到了初步的结果。并给出了不同参数条件下的模拟结果,对结果进行了对比和定性分析; 4、在实验室内用通电电阻丝产生的热气流模拟大气湍流,作用于相干光束,用CCD接收干涉条纹,对得到的干涉图样进行分析,研究了模拟的大气湍流对光束相干性的影响,并把实验结果和数值模拟的结果进行了类比。测量了实验装置的到达角起伏分布。
尚震[2]2017年在《纯转动拉曼激光雷达探测对流层中底部大气温度》文中研究表明大气温度是表征大气能量平衡的重要参数之一,高精度探测大气温度的时空变化规律具有重要的应用价值和科研价值。激光雷达虽然是新兴技术,但由于其具有高时空分辨的优势,激光雷达已经成为探测大气温度以及其他大气参数的一种不可缺少的工具。在863项目"多源光谱层析及叁维数值大气关键技术"的支持下,我们研制了一台多功能多通道激光雷达系统,能够同时、连续、高精度观测近地面至对流层范围的大气温度、水汽和气溶胶,并且在合肥和北京两地分别进行了观测实验,两地观测实验都取得了与无线电探空气球较一致的结果,主要研究内容如下:(1)首先论述了激光雷达大气遥感的理论背景和系统构造,以及各类激光雷达探测技术。对大气温度的分布特征和常见的探测方法进行了概述,列举了国内外典型的大气温度探测激光雷达,简述了最新测温激光雷达的发展动态。(2)本文主要完成了一套能够同时探测大气温度、水汽和气溶胶的多功能多通道的集成式纯转动拉曼激光雷达。激光发射单元采用美国Continuum公司的Nd:YAG固体激光器,激光器输出基频波长为1064nm,经由二倍频和叁倍频分别输出532nm和355nm的激光,355nm单脉冲激光输出能量约为300mJ,脉冲频率20Hz。卡塞格林式望远镜具有焦距长、结构紧凑的优点,分别采用450mm 口径大望远镜接收温度和水汽的拉曼散射回波信号,300mm小口径望远镜接收气溶胶的米散射回波信号。利用干涉滤光片以一定的倾斜角度安装在光学平台上,可以实现对大气回波信号的有效分光。数据采集单元采用瞬态记录仪,它能同时收集数模信号。(3)分光系统的核心是干涉滤光片,模拟计算了干涉滤光片参数中心波长和带宽与温度测量不确定度的关系。用于探测大气温度的激发发射波长选为355nm的紫外光,激发光波长越短,后向散射微分截面越大,转动拉曼信号越强,并且355nm处于可见光范围外,更容易实现白天探测。模拟计算表明,高阶转动量子数拉曼通道的干涉滤光片中心波长对温度探测精度更敏感。(4)激光雷达系统研制成功后分别在合肥和北京部分地域开展了近地面大气温度的观测与分析,选用同时间点释放的无线电探空气球验证仪器的可靠性。观测资料表明了对流层温度具有较明显的时空分布特征。(5)本文重点分析了测量信号不确定度、不同时空分辨率和标定常数对温度探测精度的影响。累积发射脉冲数越多,噪声越小信噪比越大,测量信号不确定度越小。在累积激发脉冲数为10000发(5000发)时,对应30m、60m、120m和240m的空间分辨率,近地面至8km高度处温度测量不确定度的均值分别为 1.09K(1.33K),0.83K(0.85K),0.78K(0.79K)和0.88K(0.89K)。标定常数a和b不仅影响温度廓线的平移,还对温度廓线的形状有影响,标定常数c只影响温度廓线的平移。根据观测数据可知,a和c有相同的变化趋势,b变化趋势相反。当a、b和c变化趋势相同时,利用公式反演温度带来的误差较小,误差有互相抵消的趋势;当a、c变化和b变化趋势相反时,利用公式反演温度带来的误差较大。
程志远[3]2015年在《激光相干场成像回波降质影响机理及对策研究》文中进行了进一步梳理激光相干场成像技术通过发射多束激光,在目标域形成干涉条纹场,经目标反射的相干场回波信号经接收解调、相位闭合消除湍流扰动后,逆傅里叶变换重建高分辨图像,这是近十多年发展起来的一种无透镜新型高分辨计算成像理论,其有望解决大气湍流扰动难题,突破衍射极限高分辨成像,在针对远程暗弱目标高分辨成像方面具有突出的优势。该理论在国防事业和遥感高分成像领域具有重要科学意义和应用价值。目前国内外关于该技术的研究整体处于原理演示验证阶段,尚未工程化。对于相干场最常用的等间距采样成像模式,基于孔径间距相等的两组激光束提取的目标频谱分量相等原理,迭代求解各阶频谱分量重构成像,但该采样成像理论在技术应用转化过程中,由于发射孔径阵列定位误差、湍流光强闪烁效应和光束光强自身抖动、系统散斑噪声等误差因素影响,两组光束获取的目标频谱分量不再相等,并由此产生频谱迭代误差,从而降低成像质量,而该降质影响机理目前尚不清楚,也无公开文献报道。因此在实际工程应用中需对现有相干场成像理论模型加以修正,建立频谱分量不相等情形下的激光相干场成像修正模型,抑制上述像质退化因素的影响,以达到提高相干场成像质量的目的。本文主要从激光发射孔径定位误差、大气湍流光强闪烁和多光束光强抖动误差、系统噪声影响叁个视角出发,研究揭示以上像质退化因素对相干场回波信号和成像质量的降质影响机理,并基于影响机理提出对应抑制方法提升成像质量,具体如下:1)针对相干场等间距采样成像理论在工程技术应用转化过程中,不可避免的激光发射孔径间距定位误差带来频谱误差,后续迭代重建频谱时引起误差累积放大效应,并由此带来成像质量下降的问题。本文基于回波解调和频谱迭代理论,建立了相干场成像孔径定位误差对回波信号影响的理论模型,首次得到了激光发射孔径定位误差对回波频谱分量和成像质量的零影响方程;基于该像质零影响方程,提出一种抑制孔径定位误差对像质影响的线性规划方法,通过求解孔径间距最优化分布矩阵,抵消了孔径定位误差对成像质量的影响。研究表明,该方法可提升成像质量评价指标斯特列尔比近1倍,具有便捷、高效的特点,应用在工程实践中可降低激光孔径阵列定位难度和工程实施成本。该研究为相干场系统成像质量提升和发射阵列孔径定位精度设计提供了理论指导。2)针对相干场成像理论在工程应用转化过程中,湍流光强闪烁效应和多光束自身光强抖动带来的误差,后续迭代重建频谱时引起误差放大效应,并由此带来成像质量下降的问题。本文基于相位闭合频谱重构理论,建立了大气湍流光强闪烁和多光束光强扰动因子对激光回波频谱信号影响理论模型;并针对弱湍流应用场景提出了解调比近似法、光强实测修正光强扰动抑制方法。提出一种基于半米字型阵列的采样成像模型,有效消除了相位频谱重构方程中光强扰动因子的降质影响,所提方法可有效解决大气湍流光强闪烁效应和光强抖动的降质影响问题,成像斯特列尔比最大可提升约30%,并可有效降低相干场成像对光束光强时间稳定性要求和发射阵列多光束光强空间一致性的要求,从而降低了工程实现难度。该研究为光束光强扰动抑制提供了有效的技术支撑。3)为解决相干场成像系统探测器噪声相对系统总噪声的占比权重定量化估计问题,以便后续为系统信噪比提升提供理论依据。本文基于相干场成像光电子数信噪比计算理论,提出一种探测器噪声相对系统总噪声的定量化占比估算分析方法,采用理论计算分析和实验测量相结合的方法,建立了相干场成像探测器噪声定量化占比计算方程组。基于室外具体的相干场成像实验平台获取了系统探测器噪声占比权重,并验证了方法的有效性。结果表明,本文所提方法可正确有效估算探测器噪声占比权重,该方法具有便捷、高效的特点,可推广应用于实际相干成像系统探测器噪声定量化评估测量分析。4)为提高系统信噪比改善成像质量,解决相干场成像质量受回波散斑噪声影响问题,推导建立了大气下行链路回波信号噪声干扰模型,并基于同态滤波和拉格朗日基追踪稀疏理论,提出一种级联复合去噪方法,较现有单一去噪方法,该复合去噪方法既可去除与激光回波信号相关的乘性散斑噪声,又可去除与回波信号无关的背景光和探测器等加性噪声,同时提高了重构图像对比度。仿真表明该方法可提高重构图像斯特列尔比17%,图像对比度最大可提高0.21。该方法对于相干场成像去噪和成像质量改善具有借鉴意义。本文系统研究揭示了激光发射孔径定位误差、湍流光强闪烁效应和光强抖动误差、系统噪声等因素对成像质量的降质影响机理,建立了成像误差修正模型并提出了对应解决方法和对策。本文所建立的相干场成像误差修正理论模型和方法丰富了激光相干场成像理论,为相干场成像理论的进一步工程化,提供了有效的理论基础和技术支撑。
邓志辉[4]2012年在《无扫描测距成像激光雷达系统关键技术研究》文中进行了进一步梳理激光雷达使用激光作为光源，激光光源具有很多普通光源没有的优良特性。激光的单色性可以其具有高度的相干性，将此光源运用在激光雷达系统中将得到极高的空间分辨率，并且能防止其他噪声对系统的干扰。激光的高亮度可以让激光雷达的探测距离范围扩大。用它来探测飞行物能获得准确的数据。因此，激光雷达在军事、工商、遥感、测距等很多方面有重要应用前景。尤其是叁维无扫描激光雷达不使用机械式扫描结构，使得成像速度大幅提高，这是激光雷达最新发展方向。本文的主要工作是在无扫描叁维激光雷达体制下，建立激光雷达关键技术中最核心的新的测距模型，并对测距的信号处理方式进行深入研究。本文首先介绍了叁维激光雷达基本原理，然后从激光雷达理论出发对几种光源调制方式进行讨论、分析了大气传输特性以及各个分系统对成像的影响，还有各种不同的测距理论及其长处和不足。一般的，在阅读大量的文献基础上提出了一种新的基于相位法的载波调制方式，这就是半方波-方波相位相关法。先探讨了此种叁维激光雷达的基本原理并导出公式距离方程等，接着用Simulink工具做仿真来验证上述推导。仿真结果说明半方波-方波相位相关法的modulation depth上升至1.2。根据已有的空间分辨率分析知测距精度也得到了有效地改善。测距精度和测距范围往往是一对矛盾，为了解决这一问题，基于上述调制法采用双频率调制的方法结合的方式来实现相位测距，激光雷达系统中相位测量部分大多使用差频数字测相，它的好处是稳定性好电路复杂度低测距精度高但是测距帧频慢。为了改善空间分辨率，增加有效地测程。提出双频测距并用Simulink工具中的各个模块来模拟数字差频测相的过程，仿真结果表明测相的平均误差为0.02度，换算为平均测距精度就是0.57mm。这个精度已经非常高了。详细论述了这些测量方法引起的误差，对单次鉴相频率漂移大气折射率等对测相产生的误差进行了分析并提出了解决方案。在理论上探讨了将该技术应用于叁维测距成像激光雷达的可行性和意义。
周健[5]2011年在《用于车载自主导航激光多普勒测速仪的初步研究》文中提出随着现代工程技术的飞速发展,特别是航空、航天、机械制造等技术的发展,需要对物体的运动速度进行高精度测量。在导航系统中,已有的测速方式(加速度、全球定位系统等)存在误差累积、动态响应能力差等缺点,已经不能满足导航日益发展的要求。激光多普勒测速具有精度高、空间分辨率好、动态响应快、测量范围大、非接触测量等特点,已成为当今速度测试技术的重要发展方向。本文从实际应用的角度出发,对激光多普勒固体表面运动速度测量的原理和信号的检测、处理及分析进行了理论和实验研究,以推动该项技术在更广泛领域中的应用。论文指出了导航系统中已有测速方式的缺点,比较并分析了几种常见的光学非接触速度测试方法的特点,提出了将激光多普勒测速仪应用于车载导航系统中;回顾了激光多普勒测速技术的发展历程并介绍了国内外的研究现状,阐明了激光多普勒技术用于固体表面运动速度的测量是可行的。系统地分析了波源与探测器之间不同相对运动情况下的多普勒效应,阐述了激光多普勒测量车式载体运动速度的基本原理;通过比较直接光谱技术和光学外差技术的特点和适用条件,阐明了运用光学外差技术探测多普勒频率的巨大优势。对比分析了双光束差动模式、参考光模式以及自混合模式叁种常见光路结构的优缺点,针对双光束差动系统不能进行离焦测量的问题,提出将多点分层技术用于双光束差动模式,并设计了多点分层差动激光多普勒测速系统;为了解决参考光模式中载体颠簸摇摆严重影响测量精度的难题,将毫米波、声波计程仪中的Janus配置技术用于参考光模式,并设计了基于Janus配置的参考光束型激光多普勒测速系统;采用声光调制器,实现方向辨别和低速测量。根据散斑场光强变化规律,阐明了由固态散射体运动导致多普勒信号产生的机理――两个散斑场的相干迭加;将散斑理论与随机过程相结合,推导出固态散射面激光多普勒信号强度的表示方式,并分析待测物体上的光斑直径与信号强度及信噪比的关系。根据条纹模型和散射机理建立了固体激光多普勒测速的数学模型,模拟固体表面运动多普勒测速原理,并通过数值模拟分析了固体表面特性对多普勒信号强度和测量精度的影响;通过对系统中光场分布的研究,给出了信号光与参考光在最佳匹配以及各种失配情况下外差效率的计算公式及数值模拟的结果,为光学系统的设计和光学参数的选择提供了理论依据。针对多普勒信号的特点,基于频率反馈技术设计了跟踪滤波器实时跟踪多普勒信号,消除系统工频干扰、高斯基底及其它干扰(如声光调制器)引入的噪声;为了更准确地从微弱信号中提取多普勒频率,运用数字相关技术抑制了跟踪滤波后信号中的噪声,进一步提高多普勒信号的信噪比。针对实时多普勒信号处理中直接进行FFT点数有限和精度不高的问题,提出了一种应用于激光多普勒测速的高精度信号处理技术,即首先利用FFT得到信号的频谱,搜索其谱峰值频率,接着利用Goertzel频谱细化算法对搜索的谱峰进行细化分析,再引入比值频谱校正算法对细化后的谱峰进行校正分析,从而将离散频谱分析算法、频谱细化算法和频谱校正算法叁者有机结合起来,充分发挥各自的优点,仿真结果表明,该技术使频率估计精度优于0.004%;提出了频域内设定门限阈值与加速度门限阈值相结合的方法来判别多普勒信号的有效性,并采用最小二乘多项式拟合的方法对丢失的速度信息进行实时补偿。系统地分析了车载激光多普勒测速仪的测量误差,并针对各种情况提出了误差控制措施;在引入加速度分量的基础上,对高斯包络型多普勒信号参数估计方差的克莱姆-拉奥下限(Cramer-Rao Lower Bound, CRLB)进行了深入研究,明确了提高系统测量精度可能性的大小。搭建了激光多普勒测速实验系统,开展了固体表面运动速度测量的实验研究。建立双光束差动激光多普勒测速系统测量斩波片上任一点的切向运动速度,与光计数法测量结果相比较,双光束系统速度测量的平均相对精度为0.47%;建立参考光束型激光多普勒测速系统进行转台转速测量实验,和转台本身设定的速度相比较,参考光系统速度测量的相对精度优于0.35%;分别设计了多点分层差动LDV和基于Janus配置的参考光束型LDV测量小车相对于地面的真实速度,验证了两种激光多普勒测速系统用于车载自主导航系统的可行性。
邢旭东[6]2011年在《应用于激光相干探测技术的光学系统研究》文中认为对大气中风速和风场分布的精确测量具有重要的军用和民用价值。本文首先介绍了基于相干探测的激光雷达工作原理,对某测风雷达系统主要指标进行了分析和论证,给出了目前较优的激光相干探测系统技术方案和技术途径,提出了相干激光测风雷达的技术指标。其次,介绍了项目研究中完成的主要工作内容,包括相干激光测风雷达光学系统的详细设计：采用光纤耦合与空间光学相结合的收发光学方式,既降低空间光路的调节压力,又在一定程度上增大了系统的收发隔离度；给出了一、二级扩束准直、单透镜、光学参数等光学设计的关键技术的解决方案,以及偏振分光棱镜、λ/4和λ/2波片、光纤准直器、合束镜等关键光学功能元件的设计选用；在信号光和本振光混频技术设计中完成了功率匹配、偏振匹配和光斑匹配。最后,在此基础上,研制了一套1.55μm波长的相干激光测风雷达原理样机,并进行了各种相关试验,并对实验结果进行了分析,验证了本文中光学设计和系统设计的合理性。
黄涛[7]2005年在《基于人本主义课程范式的专科及高职农科专业物理教材内容与结构的研究》文中进行了进一步梳理物理课程作为农科专业基础课其历史由来已久,长期以来农科的高职与专科由于采用本科层次的物理教材而在教学上形成诸多矛盾,教学效果也不理想。为了更好地传授物理知识,让物理的知识、方法和思维更好地为农科专业服务,针对“学问中心”特点的物理课程中存在的问题及专科层次学生的具体情况,从物理与生命学科的相关性出发选择了普通物理学中流体力学、电学、光学、原子物理以及相对论等方面的知识内容,在人本主义融合教育理论指导下,将物理应用知识以及反映物理素养的其他内容融合在一起,在并行课程观启发下编制成独立的七个专题讲座,同时据适切性原则将物理实验教材的改革内容也纳入到新编教材之中,最后编写出在人本主义课程范式指导下的、在语言与教学手段上都有审美取向的《农科物理》教材。
参考文献：
[1]. 激光经卫星反射的回波的相干性初步研究[D]. 陈大鹏. 国防科学技术大学. 2004
[2]. 纯转动拉曼激光雷达探测对流层中底部大气温度[D]. 尚震. 中国科学技术大学. 2017
[3]. 激光相干场成像回波降质影响机理及对策研究[D]. 程志远. 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所). 2015
[4]. 无扫描测距成像激光雷达系统关键技术研究[D]. 邓志辉. 电子科技大学. 2012
[5]. 用于车载自主导航激光多普勒测速仪的初步研究[D]. 周健. 国防科学技术大学. 2011
[6]. 应用于激光相干探测技术的光学系统研究[D]. 邢旭东. 西安电子科技大学. 2011
[7]. 基于人本主义课程范式的专科及高职农科专业物理教材内容与结构的研究[D]. 黄涛. 西南师范大学. 2005
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