1 陆军装备部驻长春地区第一军事代表室，吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 100081
为了减小激光通信终端体积与能耗，同时保证通光孔径和放大倍率，该文根据折反式望远镜的高斯光学及赛德尔像差理论设计了一款改进的Dall-Kirkham接收望远镜。该镜头由2片反射镜、5片透镜组成，接收信号光波长为974 nm和1550 nm，通光口径为60 mm，相对孔径为1/3.38，出瞳距为50 mm，视场角为6 mrad，总长为111.04 mm，工作温度为20 ℃±10 ℃。优化后镜头在0.5 mrad视场内波像差优于（1/40）λ，6 mrad视场内波像差优于（1/20）λ，能量集中。为了实现无热化设计，文中给出了结构材料的选取与设计方式，并分析了±10 ℃温差下光学系统的波像差变化，分析结果表明：镜头成像质量良好，满足应用需求。
光学设计 激光通信 接收望远镜 无热化 optical design laser communication receiving telescope athermalization
1 陆军装备部驻沈阳地区军代局 驻长春地区军代室，吉林 长春 130000
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了在温度变化条件下对光电成像系统进行像质检测与评价，设计一种具有温度自适应功能的光学窗口。分析了温度变化对光学玻璃面形的影响，进行光学窗口的温度适应性光机结构设计，通过有限元分析与实测实验相结合的方法分析了温度变化对光学窗口面形的影响，验证了温度适应性设计的有效性。实验结果表明：常温20 ℃条件下，光学窗口波像差的PV值和RMS值分别为82.90 nm和6.96 nm；高温50 ℃条件下，波像差的PV值和RMS值分别为136.68 nm和14.55 nm；低温−40 ℃条件下，波像差的PV值和RMS值分别为183.51 nm和28.48 nm；高、低温环境下光学窗口的波像差与常温环境下结果对比的数值变化趋势与有限元分析结果具有较好的吻合性；在3种温度条件下光学窗口波像差的PV值均小于或接近（1/4）λ，且由于温度变化引起的光学窗口面形变化很小，设计的光学窗口具有较好的温度适应性。
光学窗口 温度适应性 波像差 设计 实验 optical window temperature adaptability wave aberration design experiment
1 郑州科技学院，河南郑州450064
2 河南省智能信息处理与控制工程技术研究中心，河南郑州450064
3 军事科学院系统工程研究院，北京100010
4 中国航天系统科学与工程研究院，北京10005
5 陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻长春地区第一军事代表室，吉林长春130000
针对雨雪、雾霾等天气条件下氧气吸收被动测距受大气和气溶胶等复杂背景光谱影响严重的问题，采用混合像元分解技术对提高复杂背景条件下的测距精度进行了研究。分析了高光谱图像像元混合机理，以雨滴端元为例建立了复杂天气条件下目标与背景的混合像元模型；讨论了复杂天气条件下目标光谱的提取方法，提出了复杂天气氧气吸收被动测距的基本流程；最后，对不同距离处小雨、重度霾、中雪3种典型复杂天气条件下的卤钨灯目标进行了被动测距实验。实验结果表明，混合像元分解方法可快速提取目标光谱，与多次循环采集平均法、背景消除法相比测距精度有较大提升，不同的距离及天气条件下的测距精度分别提高到3.39%、5.81%和4.36%，可满足实际飞行目标辐射光谱的快速采集与测距精度要求。
被动测距 氧气吸收 混合像元分解 目标提取 极端天气 passive ranging oxygen absorption mixed pixel decomposition target extraction extreme weather
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
对提升激光雷达作用距离的方法进行了分析, 针对2 km以上的远程探测应用, 提出了一种轻小型能够全天时工作的光子计数激光三维成像雷达解决方案, 可用于轻小型飞行器制导, 无人机、直升机、船舶导航与避障, 铁路轨道障碍物探查等有远程探测需求的应用场合。该系统采取光子计数高探测灵敏度方案, 光学应用收发共光路设计, 收发望远镜巧妙采用了共轭光学设计, 二维扫描机构放置于望远镜的后方, 不但扩大了望远镜口径, 提升了作用距离, 同时也缩减了扫描镜尺寸, 有利于扫描速度的提高, 激光收发采取窄发散角和瞬时视场共视场扫描设计, 再结合超窄带滤波器的应用, 使得系统能够实现强烈背景噪声条件下的工作。最后讨论了高重频微脉冲激光器、发射杂散光干扰、偏振激光雷达适应性以及光子计数背景滤波去噪处理技术等技术难点。
远程激光雷达 全天时 光子计数 收发共口径 long range ladar daylight condition photon counting T/R common aperture 红外与激光工程
2019, 48(1): 0106005
中国科学院上海技术物理研究所中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
设计了基于新型开关电容阵列技术的激光回波数字化系统，实现了每秒5G个采样点 (Gigabit Samples per Second, GSPS)的采样速率。利用单片模拟数字转换器件(Analog Digital Converter, ADC)实现了多元信号采样。该系统具有很大的发展潜力。介绍了多米诺环形采样器(Domino Ring Sampler, DRS)4的控制策略。设计了基于DRS4芯片的激光回波数字化电路，搭建了激光测试系统，并开展了基于DRS4的信号采样实验。实验结果表明，采用DRS4芯片进行激光回波数字化，能够达到最高5GSPS的采样速率，可实现多元系统设计，增大视场，同时降低系统功耗和成本。
激光测距 开关电容阵列 回波数字化 laser ranging switched capacitor array echo digitization
中国科学院上海技术物理研究所， 上海 200083
研究了运动条件下光子计数激光测距系统的探测机制，分析了该系统在数据处理中涉及到的回波光子信号的统计特性、探测概率等理论问题。针对运动条件下的测距背景，根据该系统的回波信号特点，基于Matlab产生了符合统计分布规律的包含目标回波和噪声回波的仿真信号。在对泊松滤波算法等传统数据处理算法进行研究的基础上，提出了一种改进的基于栅格滤波的算法，并利用该算法对仿真回波数据进行了处理，最终有效滤除了随机分布于整个探测空间的噪声信号，获得了目标的运动轨迹。与传统的数据处理算法相比，该算法对运动条件下的光子计数激光测距数据具有良好的处理效果。
光子计数 运动条件 激光测距 数据处理算法 仿真 photon counting movement condition laser ranging data processing algorithm simulation
中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术与系统实验室，上海 200083
基于Xilinx XC2V3000芯片设计了一种应用于星载多通道快速激光三维成像雷达中的抗辐照增强型时间-数字转换(Time-to-Digital Converter, TDC)系统。单板2片FPGA内实现了16通道高精度时间间隔测量。采用了多延时链冗余结构，每个测时通道由3个物理测时链路组成，最后通过三模冗余增强抗单粒子翻转能力。并应用了通道均匀性校准修正技术，解决了多通道测时均匀性问题。实验结果表明，系统测时精度达到62.9 ps，通道一致性较好，满足激光雷达三维成像要求，同时该技术方案具有低功耗、轻量化等特点。
激光三维成像雷达 时间-数字转换系统 空间应用 资源有限 三模冗余 3D imaging laser radar TDC system space applications resources-limited triple modular redundancy
中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
针对星载对地观测激光高度计大足印回波信号中多目标相对高程信息提取的问题，采用基于最小二乘的高斯分解算法对波形数据进行多目标分离，设计了全波形采集系统，并开展了地面多目标分离的算法验证实验。实验结果表明，该算法可有效分离回波信号中的多个目标，目标间相对距离偏差小于0.03m，验证了激光大足印全波形采集系统进行多目标相对距离信息提取的可行性，对星载对地观测激光高度计的系统设计及数据处理算法的研究具有重要借鉴意义。
遥感 星载激光高度计 波形分解 多目标 相对距离 大足印
中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
光纤耦合是半导体激光器集成光源进一步改善输出光束质量和远距离传输的重要手段。然而，由于半导体激光器单管体积和散热的限制，合成后激光光源的输出光束光参量积仍较大，不利于与单根多模光纤的耦合；直接与光纤束耦合又受到光纤束填充比的限制。针对多个半导体激光器单管集成的光源，采用倒置前端光学放大系统，对合成光束直径进行压缩；并采用六方排列的微透镜阵列作为耦合元件，使其光瞳成像在光纤端面，从而实现微透镜与光纤的一对一耦合，得到理论无损耗的高效光纤耦合系统。为了改善光场边缘像差影响，采用空心光管进一步匀化光场分布，且减小了边缘光线的发散角，提高了边缘光线的成像质量，优化后的系统耦合效率达98%。这一系统利用微透镜阵列将光束分束、成像，克服了集成光源输出光束光参量积较大不易与单根光纤耦合的缺点；通过使微透镜的入瞳成像在光纤端面，且光纤束的排列与微透镜阵列排列相同，提高了光束与光纤束的耦合效率。
光学设计 半导体激光光源集成 光纤耦合 微透镜阵列 填充比 激光与光电子学进展
2015, 52(4): 041401
