北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
为了解决非接触测温系统中常见的成本高昂、系统复杂、实用性差、响应速度慢等问题, 采用多光谱测温和快速响应光电探测技术, 设计了一套低成本高速多光谱辐射测温系统。利用高速微弱光信号采集模块、高速模数转换芯片、高性能可编程门阵列和同步动态随机存取内存保证了微弱光信号的高速转换、同步采集、大容量缓存, 具备纳秒级变化温度场的测量能力。结果表明, 测温误差小于±1%,时间分辨率可达到50ns。这一结果对于快速变化温度场的测量是有帮助的。
测量与计量 多光谱测温 微弱信号探测 可编程门阵列 高速模/数采集 measurement and metrology multispectral temperature measurement weak signal detection field- programmable gate array high-speed analog/digital acquisition
为实现激光导引头高精度光电参数测量, 提出了一种基于雪崩光电二极管(APD)雪崩放大效应的微弱信号放大技术以及基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的全波形采集技术, 研制了一套飞焦量级激光模拟回波光电参数定量化测量装置。测量装置针对微弱脉冲激光回波进行光电转换及多级放大处理, 之后通过高速A/D实现模数转换, 并由FPGA进行全波形信号的存储、处理, 再传递到上位机上, 最后使用标准能量计搭建计量校准光路进行测量装置的能量校准。测量装置实现了脉冲宽度10～100 ns、能量范围40 fJ～1.1 pJ的 1 064 nm波段的脉冲激光能量的测量, 测量重复性不高于2%, 基本满足测试需求。
激光回波 飞焦 微弱信号检测 脉冲激光 校准 laser echo femto Joule weak signal detection pulse laser calibration
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
已有的椭圆拟合算法利用李萨如图形解决了非理想3×3耦合器带来的解调结果误差问题,但是当信号变弱时,所对应的李萨如图形将偏离椭圆,造成解调困难。针对相位变化量极小的弱信号,基于同一系统中李萨如图形唯一的特点,提出利用参考信号确定椭圆参数并精准实现弱信号解调的改进椭圆拟合算法。实验结果显示,相较于常规椭圆拟合算法,改进的算法可以准确地解调弱振动信号,使探测分辨率提高400倍,且解调的相位与应变存在良好的线性关系。研究结果表明改进的算法可以很好地解决常规椭圆拟合算法无法解调弱信号的问题,提高了系统的测量分辨率。
测量 相位解调 非理想3×3耦合器; 椭圆拟合算法 弱信号探测 振动传感 光学学报
2021, 41(24): 2412001
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了实现对光学系统杂散光抑制能力的定量评价，开展了10−9量级高灵敏度点源透射比测试设备的研究和实验验证。采用脉冲光源、脉冲探测的新测量方法，在保证测试系统具有高灵敏度测量能力的同时，简化了微弱光电信号探测组件的复杂程度，建立了一套最大测试口径为600 mm、测试波长为527 nm的点源透射比测试设备，并利用该设备测试了一台250 mm口径空间光学相机的点源透射比。实验结果表明：60°入射角度时的点源透射比测试结果为1.68×10−9。证明该设备的测试误差在10−9或更低的量级，具备10−9量级高灵敏度点源透射比测试能力。本文研究可以为天文望远镜、星敏感器、空间目标监视载荷等多种类型的光学仪器提供杂光抑制性能评估。
点源透过比 杂光测试 微弱光电信号探测 point source transmission stray light test weak signal detection
中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，四川 绵阳 621000
点测量吸收光谱技术以饱和吸收为基本原理，可有效克服可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)的线测量缺陷，通过探测光束与一同频的饱和光束交叉来提取交叉位置点处的信息，实现具有毫米级空间分辨能力的点测量。本文对点测量吸收光谱技术进行了详细的理论分析，推导了饱和光束和探测光束在任意交叉角度下的饱和吸收系数，分析了饱和参数对吸收信号的影响。同时提出了一种针对微弱吸收信号的调制方法，推导了饱和光束在高频正弦调制下的探测光一次谐波表达式，并通过数值计算得到了验证。研究还表明，不同阶次谐波信号具有相同的半高宽，并且与无调制时的吸收信号半高宽一致，因此利用多次谐波叠加可进一步提高谱线宽度测量的信噪比。
吸收光谱技术 点测量 高空间分辨率 微弱信号检测 谐波 absorption spectroscopy point measurement high spatial resolution weak signal detection harmonic
利用圆阵协方差矩阵的循环移位特性，基于对聚集系数的取值最优化问题，对圆阵的超指向性理论展开研究，得到了由初等函数表示的最大聚集系数、最优波束图和最优加权向量。分析了圆阵的各阶波束增益和稳健性参数随半径波长比的变化规律及其对阵列指向性的影响，给出了圆阵超指向性的一个解析且闭合的解，实现了一种特征波束的分解与合成的方法。在此基础上结合空中声源辐射噪声信号的特点，给出了针对空中声源辐射噪声设计超指向性圆阵时应遵循的4个准则，依据实测的直升机辐射噪声特性设计了一个小尺寸的超指向性接收阵列，对其性能进行了分析，通过与常规圆阵和线列阵的对比证明了其优越性。
空中声源 微弱信号探测 圆阵 超指向性 特征波束 airborne source weak signal detection circular array super-directivity eigen beam
1 中国科学技术大学 核探测与核电子学国家重点实验室, 安徽 合肥 230026
2 电子工程学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
针对锁模激光器微弱回波信号探测的需求, 提出了一种基于高速相关采样和在线实时并行累加处理算法相结合的方法, 对传统的模拟取样积分方法进行了改进, 可实现无参考信号条件下的实时数字累加检测。设计并实现了一套基于该方法的锁模激光器微弱回波信号检测原型系统, 使用12 bit@900 MSPS模拟-数字转换芯片(ADC)ADS5409对经光电转换之后的锁模激光回波信号进行波形采样, 并利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片Kintex-7实现对ADC的控制及在线数据处理。系统测试结果表明,对于重复频率为8 MHz、平均功率为0.04 nW的锁模激光回波信号, 通过在FPGA内进行16 000次脉冲波形精确累加,可实现信号的有效检出, 且从波形采集完毕到输出检测结果的延时小于100 ns, 达到了高度的实时性。经900次重复实验, 检测效率达到100%, 且无“虚警”情况发生。
微弱信号检测 锁模激光器 相关采样 weak signal detection mode-locked laser correlation sampling ADC ADC FPGA FPGA 红外与激光工程
2017, 46(12): 1217002
中国电子科技集团公司光电研究院, 天津 300308
被动式静电探测设备通过探测空中运动目标周围的静电场, 获取目标的有关信息, 具有结构简单、隐蔽性强、抗干扰性好及反隐身的优点。基于静电探测理论的电场探测系统通过探测空中目标周围的静电场, 得到目标的信息, 通过阵列式摆放静电探测设备, 还可对空中目标的方位进行近似推算。文中开展了对空中运动物体静电信号的特性分析, 确定了静电探测的方法, 并进行了信号检测电路的原理设计, 最终通过计算仿真对静电探测器探测效果进行了验证。
静电探测 探测电路 微弱信号检测 electrostatic detection detection circuit weak signal detection
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电探测部， 吉林 长春 130033
在前人工作的基础上，分析了干涉探测的基本工作原理；采用波动光学理论、平面波近似和非相干叠加等方法对干涉探测技术进行了理论分析和数学建模，并通过计算机仿真验证了该技术的可行性。通过与传统光电探测技术的比较发现，干涉探测技术更适用于在强天光背景下对暗弱目标的搜索。
测量 相干光学 干涉探测 白光干涉 微弱信号检测 信噪比
