Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Space Laser Communication and Detection Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Department of Aerospace Laser Engineering, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
Aiming at coherence degradation during target detection, a suppressing method based on frequency-modulated continuous wave coherent lidar is proposed. Combined with a random iteration algorithm, a long-pulse echo signal with coherent degradation is matched with random phase noise of a certain frequency and achieves coherence restoration. Simulation and field experiment results show that this proposed method can recover the intrapulse coherence in long-pulse echo signals. In addition, for the real target echo signal at 4.2 and 19.8 km, the peak signal-to-noise ratio processed by this method is increased by 0.35 times and 4 times after pulse compression, respectively.
coherent lidar long-pulse signal coherent degradation frequency modulation continuous wave Chinese Optics Letters
2023, 21(7): 071201
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，北京 100049
针对相干激光雷达在低空、远距离、高动态目标探测等应用场景中存在的弱信号探测问题，基于调频连续波相干激光雷达，采用多脉冲频域相干累积方法提高激光雷达弱回波信号的信噪比。结合调频连续波理论，分析了信号幅度起伏和相位起伏对多脉冲频域相干累积信噪比效果的影响，实验结果表明，经过M脉冲周期的频域相干累积，微弱回波信号对数信噪比可提升10lg M dB，并且信号幅度起伏、相位起伏可导致多脉冲相干累积信噪比低于理想相干累积信噪比，对于均值分别为2.25×10-4、1.65×10-4和相对起伏幅度分别为0.69、0.93的回波信号而言，相位补偿后的回波信号在50脉冲周期内相干累积信噪比的误差因子最大为0.57%、0.3%，该多脉冲频域相干累积方法对相干激光雷达在远距离目标探测、微弱信号接收方面的应用具有重要意义。
遥感 调频连续波 多脉冲频域相干累积 动态目标 弱信号探测 相干激光雷达 幅度相位起伏
1 光电控制技术重点实验室,河南 洛阳 471000
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
3 中国人民解放军73602部队, 南京 211000
4 洛阳师范学院物理与电子信息学院, 河南 洛阳 471000
5 中国洛阳电子装备试验中心, 河南 洛阳 471000
首先分析了不同激光线宽情况下激光相位噪声的特征；然后针对激光相位噪声对相干激光雷达探测性能的影响建立理论模型；最后采用统计仿真试验的方法, 针对脉冲式和调频连续波两种典型的相干激光雷达, 进行激光相位噪声对相干激光雷达性能影响的仿真研究。研究结果表明:对于脉冲光的情况, 探测性能受相位噪声的影响与探测距离的关系不大, 无需要求探测距离在相干长度之内;而对于调频连续波的情况, 探测性能会受到相位噪声的影响较大, 应保证探测距离比相干长度小一个量级。
相干激光雷达 相位噪声 探测灵敏度 探测精度 coherent lidar phase noise sensitivity of detection detection accuracy
1 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
2 陆装航空军代局, 北京 100000
3 陆装驻洛阳地区航空军代室, 河南 洛阳 471000
4 洛阳师范学院物理与电子信息学院, 河南 洛阳 471934
依据漫反射目标探测的信号与噪声的统计特征, 对相干激光雷达的探测信噪比、接收灵敏度等关键参数进行仿真分析与研究。结果表明, 接收灵敏度与探测概率和虚警率性能要求密切相关, 同时也会受到目标速度动态范围以及所选取的波长的影响, 采用多次探测的方式对接收灵敏度有明显的提升作用。研究结果对相干激光雷达的总体设计具有重要意义。
相干激光雷达 漫反射目标 接收灵敏度 coherent lidar diffuse-reflection target receiving sensitivity
1 中国科学技术大学 中国科学院近地空间环境重点实验室，安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学 合肥微尺度物质科学国家研究中心，安徽 合肥 230026
多普勒测风激光雷达是一种有效的具有高时空分辨率的遥感测风仪器。然而，由于雨滴反射的干扰信号，在雨天条件下进行精确的风廓线测量是一个挑战，但是这也为探测降雨提供了一种可能。在这项工作中，一台垂直指向的1.5 μm全光纤相干多普勒激光雷达被应用于风和雨的同时探测。由于相干多普勒激光雷达能够进行精确的频谱测量，因此在下雨天，它可以同时检测到气溶胶和雨滴的回波信号。具有速度差异的气溶胶和雨滴的回波信号会导致多普勒频谱出现两个峰值，从而可以根据频谱宽度来识别降雨事件。通过双高斯模型拟合多普勒频谱，可以获得两个速度，分别为风速和雨速。与微雨雷达结果的对比验证了多普勒激光雷达探测降雨的能力，同时也降低了多普勒激光雷达在雨天条件下风速的错误探测概率。
相干激光雷达 遥感 测风 测雨 双峰谱 coherent lidar remote sensing wind detection rainfall detection two-peak spectrum 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200406
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 上海工程技术大学电子电气工程学院, 上海 201620
以单频-线性频率调制连续波(S-LFMCW)激光作为发射信号,提出了一种基于卡尔曼滤波的高精度相干激光测距方法。对回波信号与本振信号进行拍频测量,获得了频差,通过模数转换和数字信号处理,利用频差信号解算出目标的距离和速度。最后采用卡尔曼滤波算法对测量值进行数据融合,获得了高精度的目标距离估计值。实验结果表明,所提方法适用于大范围动态相干测距激光雷达系统,系统的有效测距范围为8 m~2.7 km,测距精度在0.1 m以内。
测量 遥感 相干激光雷达 调频连续波 卡尔曼滤波 数据融合 光学学报
2020, 40(14): 1412001
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230031
2 合肥师范学院 物理与材料工程学院, 安徽 合肥 230031
近期研发了一套高光学效率全光纤化相干激光雷达设备, 可用于风场的实时探测。该相干激光雷达工作于1.55 μm波段, 望远镜直径50 mm, 时间分辨率和距离分辨率分别是1 s和30 m。系统集成了光纤结构的接收单元、可编程扫描模式的两轴扫描头及一个用于实时信号处理的多核数字信号处理器。对系统的测风性能进行了理论分析并同实验结果进行了对比, 验证了系统测量距离达到5 km。之后, 通过将激光雷达与超声波风速仪数据进行对比验证系统的测量精度。经过数据分析水平风速相关系数达0.980, 标准差为0.235 m/s, 风向数据相关系数达0.993, 标准差为3.105°。表明该相干激光雷达具有优良的性能, 可以应用于大气边界层内的风场探测。
相干激光雷达 载噪比 风场测量 光学效率 coherent lidar CNR wind measurement optical efficiency 红外与激光工程
2019, 48(11): 1105006
1 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院近地空间环境重点实验室, 安徽 合肥 230026
相干测风激光雷达采用外差探测方式,其后向散射信号经本振光放大,信噪比理论上可达到量子极限,具有高时空分辨、高精度的特点。相干测风激光雷达广泛应用于测量风切变、大气湍流、飞机尾流、阵风以及重力波等。目前,国内外相继开展了相干测风激光雷达的研究。介绍了相干测风激光雷达的发展历史,详细介绍了各波段相干测风激光雷达的最新研究进展,并对相干测风激光雷达的发展趋势进行了简要总结。
遥感 相干激光雷达 全光纤 测风 多普勒 激光与光电子学进展
2019, 56(2): 020001
1 国防科技大学电子对抗学院，脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥 230037
2 国防科技大学电子对抗学院，电子制约技术安徽省重点实验室，安徽合肥 230037
针对差分吸收相干激光雷达在 CO2浓度反演时对信号的高信噪比需求，研究了一种基于 Golay脉冲编码的差分吸收相干激光雷达及其解码方法，以改善系统信噪比，降低浓度反演误差。分析了采用脉冲编码技术对传统大气后向散射信号相干探测信噪比的编码增益，研究了编码增益随本振光功率、编码长度和 3 dB耦合器分束比的变化规律，本振光功率越高、分束比偏离 50%越多，则编码增益越低，且在实际系统中，存在最优的编码长度。当本振光逐渐增强时，热噪声对系统的影响逐渐降低，相干探测系统存在最优的本振光功率，该功率与回波无关仅与系统的噪声水平有关。脉冲编码后最优本振光功率相对于单脉冲探测时下降，但其探测信噪比仍优于单脉冲探测，当 3 dB耦合器分束比为 0.495时，最优本振光功率为 0.93 mW。脉冲编码后，系统对 CO2的有效探测距离增加，且在 104～1010范围内进行脉冲积累时，相较于原系统距离增长率大于 15%。
相干激光雷达 差分吸收 Golay编码 编码增益 coherent LiDAR differential LiDAR Golay coding coding gain
1 中国科学技术大学 地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
2 中国人民解放军陆军军官学院, 安徽 合肥 230031
分别利用高斯拟合估计算法(Gaussian fitting estimation algorithm, 以下简称Gauss估计算法)和最大似然(Maximum Likelihood, ML) 离散谱峰值(Discrete Spectral Peak, DSP)估计算法(ML DSP)处理实测回波信号, 计算得到风速扰动的功率谱密度(Power Spectral Density, PSD)。根据Kolmogorov湍流理论中PSD与频率的-5/3关系, 比较不同距离门下的PSD, 采用高频区域的风速误差作为风速估计性能参数, 分析比较不同距离情况下风速误差, 并利用自相关系数分析风速时间变化的相关性。结果表明: 在距离较低的探测区域Gauss估计算法的风速误差微弱小于对应的ML DSP估计算法, 二者之间的风速误差差值最多不超过0.05 m/s。而在距离较高的区域, 两种算法的风速误差差值从820 m处的0.06 m/s增加至1 200 m的0.16 m/s。在风速的时间相关性分析上, Gauss估计算法的风速时间自相关系数明显大于对应的ML DSP估计算法, 说明Gauss估计算法处理的风速数据更具有稳定性。
相干激光雷达 风速估计 最大似然估计 高斯拟合 coherent lidar wind velocity estimation maximum likelihood estimator Gaussian fitting 红外与激光工程
2018, 47(12): 1230006
