1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
针对水下平台与高空飞机的激光通信中有效通信时间短、使用信标光的捕获对准时间较长、链路不易建立的问题，设计了一套基于水下平台的高空飞机轨迹预报跟踪及指向系统。系统根据飞机发送的航行参数对飞机轨道进行预报，并驱动伺服电机进行跟踪指向。仿真分析了轨道预报算法的误差，并将轨道预报算法应用在实际实验中。实验结果表明，水下平台接收到航行参数后，能在2 s内建立上行通信链路。该算法能够在0.6 s内预测60 s内的轨道位置，误差小于350 m，对应的理论指向误差不超过0.51 mrad。通过比较指向电机的实时反馈与理论指向角，得到系统的指向误差为0.77 mrad。所设计的系统在满足通信指向精度的同时缩短了链路的建立时间，为水下平台与高空激光系统的猝发激光通信提供了具有高可靠性的保障。
激光通信 跟踪 指向系统 指向精度 轨迹预报
1 中国科学院上海光学精密机械研究所中科院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
3 崂山实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
介绍了激光多普勒测速仪（LDV）的原理，分析影响LDV测量精度的因素，研究了激光多普勒海流计（LDCP）在海流和海洋微尺度湍流测量中应用的可行性，通过理论计算得到系统参数及校正系数。LDCP系统的探测性能经过野外实验的验证，结果证明了激光多普勒测速技术在海洋微尺度湍流中应用的可行性。
海洋光学 激光多普勒测速仪 海流计 海洋微尺度湍流 光学学报
2023, 43(24): 2401011
1 东华大学 理学院，上海 201620
2 中国科学院上海光学精密机械研究所 空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
海洋是全球碳循环过程中的重要环节，从浮游植物光合作用开始，碳在海洋中沿食物链传递，以颗粒有机碳（POC）形式存在。对海洋中颗粒有机碳含量的探测，将对海洋碳汇能力的评估起到重要作用。在干净大洋水体中，激光雷达可根据浮游植物引起的光学性质变化实现剖面信息的探测，因此对基于高光谱分辨率技术的海洋颗粒有机碳浓度剖面探测系统性能进行了仿真分析。利用激光雷达方程对探测系统在大洋水体的最大探测深度进行了仿真；利用碘分子吸收池作滤波器，并结合大洋水体的透射窗口和激光器的工程设计，分析了不同载荷平台下探测系统的最佳工作波长。仿真结果表明，在满足单次探测系统信噪比为5的探测要求时，大洋水体50 dB动态范围下的探测深度平均在80 m；船载、机载平台探测系统最佳工作波长为532.245 1 nm和532.292 8 nm。
激光雷达 海洋POC探测 碘池滤波 性能仿真 lidar ocean POC detection iodine pool filter performance simulation 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220715
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 上海科技大学物质科学与技术学院，上海 201210
4 中国电波传播研究所，山东 青岛 266107
提出了一种基于国内自研InGaAs 64×64盖革模式雪崩光电二极管（APD）阵列的小型化成像激光雷达系统，系统采用阵列探测器结合一维同轴扫描的方式实现车载移动平台快速地形三维成像。详细介绍了该系统的理论仿真模型、系统组成、工作原理和实验结果。静态测量时，对距离100 m处的平面目标扫描成像，其平面测量精度为0.12 m。动态测量时，将系统搭载于运动速度为60 km/h的车载平台对目标区域进行三维成像，成功获得了测量区域内目标三维点云，测绘效率约为36 km2/h，平均测量点密度为13454点/m2。实验结果表明国产盖革模式APD阵列激光雷达系统可实现动平台高分辨率三维成像，为高速运动车载平台实现高分辨率地形测绘提供新的技术手段。
成像系统 激光雷达 三维成像 光子计数 雪崩光电二极管 探测器阵列
1 中国海洋大学信息科学与工程学部海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
3 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
使用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月Version 4.10星载激光雷达CALIOP Level 1B和Version 4.20 Level 2的日夜数据反演全球海面风速，选用准同步观测的Version 8.2 AMSR-2的海面风速值进行对比。在前人利用CALIOP无云数据进行海面风速反演的基础上，进一步将透明云层的数据用于风速反演，在明显增加数据量的同时，保持了相当的反演精度。探究不同的海面斜率分布模型的差异对CALIOP海面风速反演的影响，给出了夜间和日间有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型。结果显示，高斯模型整体的误差相对较小，但近似Gram-Charlier模型修正了偏度和峰度的影响，在较低风速（小于3 m·s-1）和较高风速（大于13 m·s-1）情况下表现更好。采用有透明云层条件下的近似Gram-Charlier模型：利用2017年10月、2018年1月、2018年4月和2018年7月的夜间数据反演的标准偏差分别为1.22，1.33，1.20，1.39 m·s-1，相关系数分别为0.92，0.91，0.92，0.90；利用日间数据反演的标准偏差分别为1.41，1.45，1.86，1.69 m·s-1，相关系数分别为0.90，0.89，0.86，0.87。
遥感 星载激光雷达 海面后向散射 海面风速 海面斜率分布 光学学报
2022, 42(18): 1828007
1 东华大学理学院，上海 201620
2 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息技术研究中心，上海 201800
3 中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
海洋温度和盐度是重要的海洋环境参数，对了解海洋性质、生物多样性具有重要作用。本文基于碘分子吸收池的边缘探测技术，将携带有温度信息的布里渊散射光分为三束，这三束光分别通过三个压强不同的碘分子吸收池，形成三个探测通道，得到两个信号的强度比值信息；之后利用迭代算法即可同时反演出被测区域的温度和盐度信息。采用探测器输出信号强度比值的形式能有效抑制激光器光强抖动带来的影响。为将测温误差控制在0.2 K以内，所提算法对探测器输出强度比值的随机抖动程度为1.3‰。本技术路线具有不受入射角影响、测量速度快、无需事先知晓盐度信息等优势，有望应用于机载、星载等移动平台上。
测量 碘分子吸收池 边缘探测 温度反演 信号强度比值 抖动
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室, 浙江 杭州 310012
蓝绿激光波段作为海洋主动探测技术中常用的波段,被广泛应用于各种海洋激光雷达设备中。然而由于近岸水体和大洋水体的水质参数不同,不同水体对蓝光和绿光的衰减存在差异。通过反演双波长海洋激光雷达(DWOL)系统中486 nm蓝光通道和532 nm绿光通道在南海获取的近岸水体和大洋水体探测的波形数据,结果表明:在清洁大洋水域中,486 nm通道的水体衰减系数明显小于532 nm通道,由此说明蓝光更适用于大洋清洁水体探测;在近岸水域中,由于水质变差,486 nm通道和532 nm通道的衰减系数差异减小,同时考虑到532 nm激光的稳定性和低成本,可知绿光更适用于近岸水体探测。另外,为了分析南海水域次表面层叶绿素散射层(CSL)从近岸水体到大洋水体的分布变化,基于486 nm通道数据,反演了从清洁大洋水域到近岸水域近120 km连续条带的机载数据。反演结果表明:在大洋水体中,CSL深度稳定分布在水下60 m左右;在临近近岸时,由于水深变浅,CSL深度分布开始快速上升;在近岸水体中,CSL深度上升到水下40 m,甚至到20 m左右。分析船测实验数据与机载反演数据的相关关系,可知机载反演结果和船测结果具有良好的一致性。
遥感 双波长激光雷达 叶绿素散射层 激光雷达反演 Klett方法 中国激光
2021, 48(20): 2010002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
机载激光雷达已经应用于浅海地形测绘，与激光器、接收望远镜和探测器一样，水深提取算法也是决定系统最大测深能力的关键环节。常规的水深提取算法是对单个激光雷达采集的波形数据进行处理，通过提取波形中的海表和海底位置实现水深测量，这种方法在提取水深较深的海底微弱回波信号时，易受海水散射层强信号的影响，导致水深提取能力和准确度下降。为了解决这一问题，将一维回波波形数据按采集顺序组合成二维的回波强度图像，图像的每一列代表一条回波波形，图像的灰度值对应着回波信号强度。利用图像的横向相关性，通过双边滤波、局部阈值二值化等图像处理方法，提取出海底回波信号廓线。该方法一方面提升了海底回波的提取能力，一方面避免散射层信号对海底微弱信号的干扰，为浅海地形、水下目标一体化探测提供新的数据处理方式。
激光雷达 水深提取 图像处理 图像分割 lidar water depth extraction image processing image segmentation 红外与激光工程
2021, 50(6): 20211034
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 201210
4 中国华阴兵器试验中心, 陕西 华阴 714200
5 航天东方红卫星有限公司, 北京 100094
针对运动小目标的测距需求,设计一种适用于运动小目标高速测距的小型化激光雷达系统,测距系统采用光子计数技术,可以减小对激光单脉冲能量和望远镜口径的需求,降低系统的体积、质量和功耗,并基于光纤激光器高重频的特点实现高速率的测距。理论分析和实验测试结果表明,在大气能见度为7 km的环境下,该激光测距系统对反射的截面积为0.1 m 2和反射率为0.6的小目标,最大作用距离可达5446.3 m,测距准确度为0.161 m。将测距系统安装在经纬仪平台上,可以实现对运动无人机的跟踪和测距,采用无迹卡尔曼滤波算法可以实时获得目标的距离和速度,测距偏差在0.11 m以内,速度偏差在0.5 m/s以内。
遥感 激光测距 光子计数 激光雷达 无迹卡尔曼滤波 中国激光
2021, 48(13): 1310001
红外与激光工程
2020, 49(11): 20201045
