作为我国自主研制的首颗1∶10000比例尺立体卫星,高分七号(GF-7)卫星搭载的全波形激光测高仪和双线阵光学相机为全球范围内数字高程模型的建立提供了新的途径。为确定激光脚点在双线阵立体影像中的位置,进而实现两者的复合测绘功能,监视激光指向的足印相机和双线阵相机一般需要在白天同时工作,以确定激光光斑在双线阵相机图像坐标系下的位置。采用同步曝光模式时,足印相机中的光斑图像往往与地物和云层重叠,在强背景噪声条件下由足印相机图像提取的光斑中心精度较差,甚至无法提取光斑中心。基于多轨足印相机图像的分析,激光器在连续工作时,光斑中心随其工作时间的增加在X方向正向偏移并呈现一定的线性,其线性变化规律受激光器出光能量波动的影响;而在Y方向上则基本稳定,可以采用分段线性拟合、数据插值的方式来获取强背景噪声条件下光斑中心的位置,从而提升激光数据的利用效率。激光指向的变化规律也为后续激光载荷系统误差标定与计算提供了依据和参考,也为后续激光测高仪数据的分析和处理提供了新的思路。

设计了一种具有升压和自动温度漂移补偿功能的雪崩光电二极管(APD)偏置电压模块, 该模块包含正反馈振荡器、高频全波整流电路和温度补偿器。正反馈振荡器实现DC/AC的变换, 并通过变压器进行电压放大; 高频全波整流电路通过AC/DC变换输出直流高压; 温度补偿器通过模拟温度传感器自动补偿APD的温度漂移。该模块大小为1.7cm×2.7cm, 最大功耗为100mW, 输出电压在0~372V连续可调, 且最大纹波不超过0.004%, 通过对模块中元器件参数的调整, 能够对任意型号的APD进行电压偏置和温度补偿, 偏置电压最大偏差不超过0.005%。

使用足印相机同时对激光光斑和地表成像会导致相机中的激光光斑影像与地面影像重叠,造成激光光斑的中心定位精度较差。本文针对GF-7卫星足印相机实测的图像特点,提出地物噪声图像分类方法,优化高斯拟合光斑中心定位的处理流程,同时分析不同地物噪声背景下光斑图像的分类方法以及对应的光斑中心的提取精度。实验结果表明,所提方法在低中高的不同噪声条件下,中心定位精度分别为0.11,0.13,0.16 pixel,定位方差分别为0.020,0.262,0.341 pixel。在信噪比更好的夜间,光斑定位精度为0.02 pixel,定位方差为0.0036 pixel,说明噪声是影响光斑中心定位精度的最主要因素。

光束扫描系统是激光雷达的重要组成部分, 决定了激光雷达的视场范围。为了增大视场范围同时保持一定的角度分辨率, 车载激光雷达中常采用多个半导体激光器作为光源, 而不同激光器的时间响应存在差异, 使激光雷达的不同测距通道之间产生测距互差。 Risley棱镜是一种常用的光束指向器件, 具有扫描范围大、指向精度高等特点, 在车载激光雷达的光束扫描上具备良好的应用前景。本文建立了Risley棱镜的光束指向角模型与扫描轨迹模型, 在此基础上合理设计了扫描系统的光机结构, 解决了Risley棱镜扫描不均匀的问题, 用单路激光光源实现了大视场的二维扫描, 水平视场角和垂直视场角分别达到360°和30.4°, 当激光器脉冲重频为1 MHz, 扫描频率为5 Hz, 扫描线数为30线时, 水平分辨率为0.05°, 垂直分辨率为1.0°。该系统的技术指标与主流车载激光雷达相当, 且消除了多路激光器之间的互差, 可有效提高激光雷达的整体测距精度。

针对常用光学浊度测量方法容易受背景光影响引起测量误差的问题, 提出了一种基于偏振光的垂直散射式浊度测量方案。利用偏振片的起偏和检偏功能, 实现偏振光的产生与检测, 有效地降低了背景光带来的测量误差。运用低漂移、低噪声的高性能运放电路实现电路系统的驱动与信号处理, 提高浊度的测量精度。实验结果显示, 在不同的背景光条件下, 该浊度仪能够准确测量0~400 NTU浊度范围内的待测溶液的浊度, 且测量精度在5%F.S以内, 表明该浊度仪具有较强的抗干扰能力。

基于周期极化铌酸锂(PPLN)晶体提出并设计了一种高效紧凑腔内倍频绿光激光器。该激光系统采用808 nm激光二极管(LD)端面直接抽运Nd∶YVO4晶体，进而利用极化周期为7 μm 的PPLN 晶体倍频产生532 nm 绿光。通过在Nd∶YVO4和PPLN 晶体端面镀膜构成激光腔镜，无需采用任何光学透镜、反射镜等分立光学元件，大大降低了系统体积和成本。实验结果显示，当激光器谐振腔腔长为12 mm，抽运功率为4.1 W 时，绿光输出功率可达1.343 W，相应的光-光转换效率达32.8%。当LD 抽运功率稳定在3.33 W 时，2 h内的绿光输出功率波动小于5%。