1 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
2 上海科技大学信息科学与技术学院，上海 201210
对于单光子测距雷达系统而言，发射激光脉冲瞬间和近场强后向散射带来的强背景光噪声信号均会导致光电倍增管产生强光感生噪声（SIN），严重影响后续目标的探测。为精确标定单光子量级的SIN，基于自主研制的单光子测距回波模拟器和固定脉宽为10 ns的脉冲激光器搭建了一套完备的SIN检测与评估平台。测量了不同能量的强背景光条件下的SIN，并使用相关经验公式对噪声进行了拟合。结合实际测距雷达系统，为满足百公里级测距目标反演的信噪比要求，应控制到达探测器处近场强背景光能量小于100 pJ。该研究为单光子测距激光雷达系统的性能评估提供了重要参考。
遥感与传感器 单光子测距 强光感生噪声 光电倍增管 回波模拟器 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0428011
1 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海量子科学研究中心，上海 201315
4 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
随着探测体系的发展，基于单光子探测技术的光子计数激光雷达受到了广泛关注，有效降低了系统对激光功率的需求，广泛应用在远距离测距及成像领域。针对激光雷达在人眼安全波段的工作需求，基于自由运转模式InGaAs/InP SPAD单光子探测器设计了一套多元收发的远程线阵光子计数激光雷达扫描成像原型系统，对探测器在日光背景下的探测概率影响因素展开了分析，配合主动淬灭电路设计及工作温度、偏压调整获得了系统的最佳工作点，并针对扫描视场中孤立目标特征采用了点云滤波及后脉冲预处理算法，将单个接收通道的原始数据率由200 kbps量级降低至小于1 kbps。与记录单次回波相比，单个测距周期记录四次回波可将有效数据量提升约5%。同时也对探测器的噪声及后脉冲等特性进行了分析。该系统工作波段为1 550 nm，探测器线阵规模可达到128元，激光重频为20 kHz，可在2 s内实现水平200°范围内的激光三维成像，作用距离＞3 km。经过成像算法处理，该系统在日光条件下成功实现多距离目标三维成像，成像目标清晰。
激光雷达 光子计数 三维成像 单光子探测 InGaAs/InP SPAD lidar photon counting 3D imaging single-photon detection InGaAs/InP SPAD 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220474
1 中国科学院空间主动光电技术重点实验室，上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所，上海 200083
3 中国科学院大学，北京 100049
面阵激光成像雷达可以实现瞬态三维探测，适用于运动平台及非合作目标的位姿测量。针对相邻像元间具有串扰特性的面阵非均匀格网型稀疏点云，提出了一种适用于空间非合作目标位姿测量的多视角点云自动配准方法。该方法基于改进的相干点漂移(Coherent Point Drift, CPD)，将目标点云视为观测数据集，源点云视作为高斯混合模型(Gaussian mixture model, GMM)的质心点集。利用贝叶斯后验概率公式及期望最大化(Expectation-Maximum, EM)方法，对构造的GMM模型似然函数进行求解，在寻优过程中通过点云重叠特性对运算点集的权值参数进行自适应调整。对单次EM迭代后源点云间距离残差进行排序，选取最优变换点云对使用最近邻方法建立局部扰动量，得到每次漂移迭代的空间变换矩阵。为了避免陷入局部解，通过监督点云均方误差更新率，对参与漂移运算的点集属性进行交替。针对空间配准目标，建立了两种近似运行下的阵列成像仿真工况。试验结果表明：在强背景及像元模糊干扰下，该配准框架具有鲁棒性优势，其结果平均最大公共点集测度相对于粗+精组合配准框架提升约61%，可应用于空间面阵平台下的非合作目标位姿测量。
阵列点云配准 相干点漂移 期望值最大化 array point cloud registration coherent point drift expectation maximization 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220367
1 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
2 上海科技大学信息科学与技术学院，上海 201210
超前瞄准角计算精度和时间极为重要，直接影响系统跟瞄精度和碎片测距距离。在使用极短弧段的光学测角数据定轨时，稀疏观测数据常常导致定轨结果不收敛，进而无法利用传统方法计算出精确的超前瞄准角。提出了一种新的超前瞄准角计算方法，利用卫星平台搭载的惯性传感器和光学探测器所测数据，使用基于Levenberg-Marquardt算法的数据融合算法解算出相对运动的角速度，再结合轨道预报中相对精确的距离信息求解超前瞄准角。在使用极短弧段光学测角数据定轨的工作条件下，新的超前瞄准角计算方法误差小于0.1 μrad，收敛时间最短为10 s，均优于传统计算方法，满足激光测距系统的瞄准精度要求。
光学学报
2022, 42(18): 1812003
1 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 200080
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200080
3 中国科学院大学, 北京 100049
合成孔径激光雷达具有成像分辨率与探测距离无关的特点。与微波相比,激光波长至少小3个数量级,因此能实现更高分辨率的成像,但是波长更短时成像更容易受系统自身引入的相位误差的影响,从而导致成像模糊。为了消除该误差对成像的影响,提出采用光学锁相环(OPLL)技术抑制编码合成孔径激光雷达的系统随机相位噪声。在发射端,激光信号经编码信号驱动的电光调制器调制后用于探测目标;在接收端,对接收到的回波信号与本振光进行正交解调。所提出的基于OPLL的编码合成孔径激光雷达工作在1550 nm波段,调制带宽为1.25 GHz,脉冲重复频率最高可达1.2 MHz/s。实验结果表明,在没有OPLL时,系统随机相位波动大于100 rad,采用OPLL后,系统内部相位稳定度优于0.1 rad,大幅度提高了系统自身的相位稳定度和方位向合成成像精度。
相干光学 合成孔径雷达 光学锁相环 误差传递函数 相位稳定度
1 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
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了简化空间相机在轨高分辨率成像的促动方案,提出基于渐变厚度形式的主动变形镜双促动结构。首先根据弹性力学理论,建立波前像差表示方法与变形镜渐变厚度的理论关系,可以求解出各种像差模式所需的厚度分布。然后通过结构建模、有限元分析、面型拟合计算和光学性能评估的光机力一体化模拟仿真,定量化评估像差的补偿效果。最后设计渐变厚度变形镜光机结构方案和驱动方案,采用两个促动器来实现球差与像散的校正。变形镜受力形变实验结果表明,双促动变形镜可产生较好的球差与像散,能够避免印透效应,有效补偿自身的加工误差与光学系统的波前误差。
光学设计 主动光学 渐变厚度变形镜 高分辨率空间相机 像差校正 光学学报
2021, 41(24): 2422001
1 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
2 中国科学院大学, 北京 100049
天基目标测量具有全天时、不受大气干扰等优点。但与地面人卫测距相比, 天基待测目标运动速度快且缺乏距离预报等先验信息, 导致传统测距方法无法有效提取目标距离轨迹。为此, 文章提出了一种基于Hough变换的激光测距距离轨迹提取算法, 利用目标回波点之间的线性相关性将直线检测算法引入回波轨迹的提取, 具有适应天基探测特性、抗噪声能力强等特点。实验结果表明,使用该方法提取的目标距离轨迹均方根误差优于2.72m。上述方法可以准确地提取高速移动目标的距离轨迹, 为后续空间非合作目标的距离轨迹提取提供了新的途径。
激光测距 Hough变换 改进距离门 参数空间划分 laser ranging Hough transform improved distance gate parameter space division
中国科学院空间主动光电技术重点实验室, 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
大气二氧化碳作为最重要的温室气体之一, 它的变化和分布备受关注, 差分吸收激光雷达(DIAL)系统是探测大气二氧化碳浓度的重要手段, 对于研究温室气体的源和汇具有重要意义。 主要研究正弦调制连续波差分吸收激光雷达在水平路径上探测CO2平均浓度, 利用HITRAN数据库中CO2及H2O的吸收光谱, 综合考虑CO2的吸收截面及H2O的干扰, 选择差分吸收激光雷达的工作波长On-line: 1 572.335 nm, Off-line: 1 572.180 nm; 声光调制器取代电光调制器对连续波激光强度进行正弦波调制, 两路调制信号频率有细微差别, 其中On-line调制频率为101.833 kHz, Off-line调制频率为99.733 kHz; On-line光源激光器通过光谱调制技术将激光频率锁定在气体池吸收峰1 572.335 nm处, 并采用在相位调制器上施加直流偏置反馈电压来消除相位调制器的残余幅度调制(RAM), 使波长锁定精度大幅提高, 激光频率锁定系统实现On-line光源激光器在12小时输出波长均方根误差为0.05 pm; 在CPU中实现快速傅立叶变换获取回波光信号和发射监视端激光强度的功率谱, 并选择窗函数和频谱校正算法来提高计算精度; 通过调制连续波激光强度的正弦波相位鉴别获取路径的长度; 系统光路为光纤光路, 使其结构紧凑; 对系统进行外场实验和对比实验; 获取上海市区1.3 km路径上二氧化碳平均浓度, 实验数据显示系统观测精度为4 ppm(百万分之一), 且探测到的CO2日变化趋势与二氧化碳点探测器LI-7500A探测到的日变化趋势相吻合。
路径积分差分吸收激光雷达IPDA CO2柱浓度(混合比) 声光强度调制 激光频率锁定 激光相位测距 Integral path differential absorption lidar IPDA CO2 column-averaged mixing ratios Acoustic-optic intensity modulation Laser frequency locking Phased laser rangefinders 光谱学与光谱分析
2020, 40(12): 3653
红外与激光工程
2020, 49(11): 20201047
1 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
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 201210
针对具有多个高度层的复杂场景，全波形激光测高系统记录的回波信号中往往带有较高的噪声，采用合适的降噪方法将有助于提高计算激光测距的精确性、反演地物垂直结构和构建目标特征参数的准确性。根据高分七号激光测高在轨探测的低信噪比全波形数据的特性，采用经验模态分解（Empirical mode decomposition，EMD）方法来构建典型的本征模函数（Intrinsic mode function, IMF），对于分解出多个不同尺度IMF的筛选，比较了使用去除高频分量，阈值选取、Wavelet选取和去趋势波动分析（Detrended fluctuation analysis, DFA）等方法与策略，通过降噪效果及定量评价，测试结果表明EMD-DFA1与EMD-1IMF对高分七号激光测高的全波形数据具有较好的降噪效果，其次为EMD-Wavelet和EMD-Threshold。另外通过EMD-DFA1对单个波峰、混叠波峰、多个波峰等不同情况的全波形数据测试，结果表明该方法具有较好的自适应性。
高分七号 激光测高 全波形回波 经验模态分解 降噪 GaoFen-7 laser altimetry full waveform empirical mode decomposition noise reduction 红外与激光工程
2020, 49(11): 20200261
