摘要：为了在望远镜设备探测过程中实时调节由环境温度变化引起的光学系统组合焦距偏离,建立了温度与成像焦点位置调节的对应关系。通过理论计算得出卡塞格林望远镜系统组合焦距变化与温度变化的关系,利用步入式可编程高低温箱设计了温度实验,得出系统单位温度焦点位置的变化量,并在实际工作环境下进行了二次标定,得出望远镜设备的离焦量为-0.14 mm/℃。最后,结合理论实验设计了一种基于环境温度反馈的望远镜自动调焦装置,应用于设备外场观测实验,得出自动调焦装置使用前后望远镜系统的成像信噪比。实验结果表明,离焦量与温度变化量具有相关性,调焦装置使用后所成图像的均方根误差由5.056降低为0.729,成像信噪比由41.09提高到49.50。环境温度反馈的自动调焦技术有利于望远镜设备更好地捕捉观测目标,抑制背景噪声,提高信号采集的精确度与参数测量的准确度,增强了外场探测对环境温度变化的适应能力。

摘要：为了后期研制星载高重频激光雷达提供数据校正及仿真,设计研制了一套小视场高重频激光雷达验证系统。对该激光雷达进行详细的光机系统结构设计,利用Zemax软件模拟发射、接收与后继单元光路图。精确计算出出射光束发散角为0.106 mrad,设计新型的光束转向结构确保正入射到扩束器中。在0.4 mm小孔光阑下,接收单元视场角0.25 mrad,在系统焦平面上的小孔光阑偏心不得超过29μm,选择高精度三维调整结构对小孔光阑精确定位。整机结构设计采用模块化设计方法,以方形框架为基准,不同单元模块安装在其不同位置,高度集成在尺寸为390 mm×390 mm×550 mm以内。对发射单元进行装校,并检测出发散角为0.11 mrad,与仿真结果相比,相对误差为4.1%;对接收与后继单元进行装校,采用平行光管出射的平行光正入射到接收望远镜,获得系统焦点精确位置,完成高精度的装校。通过对系统增益比进行标定实验,得到系统增益比为1.15,并对系统进行探测实验,探测结果:系统在夜晚气溶胶探测距离可达22 km,退偏振比可达10 km。在白天探测距离可达10 km,退偏振比可达6 km,并与太阳光度计比较,光学厚度相对误差为7.1%。整机性能满足设计要求,为后期做飞行实验打好基础。

摘要：差分波前激光雷达是基于双孔望远镜探测的激光回波波前差分抖动方差来探测大气光学湍流强度的雷达系统。为评估与优化系统探测大气湍流的性能,进行了数值仿真。基于波动光学理论、大气湍流相位屏模型和大气消光模型来模拟激光在垂直大气路径上的传输,并结合网格采样的优化设计,得到了激光光束在传播路径上不同位置的光强分布。利用非相干光源成像原理,根据不同传输路径处的后向散射光强分布得到了探测器上两个光斑图像的分布信息。根据仿真结果,随着湍流强度的提高,光束波前畸变程度加深。成像光斑直径随着探测高度的增大而减小,探测高度为10 km时,成像光斑直径减小到2.45×10^(-4)m。通过对比仿真的反演结果与仿真输入的HV5/7(Hufnagel-Valley 5/7)的结果,发现两者具有较高的一致性,这初步证明差分波前激光雷达探测大气湍流的原理及方法的可靠性。

摘要：扫描镜是高光谱成像激光雷达的重要组成部件,因此,分析了多面体转镜扫描、振镜扫描、圆锥扫描三种扫描方式,推导了不同扫描方式的轨迹,并结合飞机航迹得到发射激光扫描轨迹与扫描方式的关系。在此基础上,设计了一种用于高光谱成像激光雷达系统的圆锥扫描方式。实验结果表明,在飞行高度为500 m、激光脉冲重复频率为130 kHz、激光发散角为0.3 mrad时,该方式满足视场角等于30°、两个相邻脉冲夹角小于1 mrad的要求。相比其他扫描方式,圆锥扫描可提高激光雷达光斑脚点的密度,为数据的有效采集和地物的精准分类提供了帮助。

摘要：多普勒测风激光雷达通过分析系统回波信号的多普勒频移反演出风速,为提高风场探测精度,从稳频技术方面展开研究。在稳频过程中,分别采取措施消除激光频率的长期漂移和短期抖动。针对激光频率的长期漂移,设计并研制了种子激光器温控箱,通过水浴的控温方式大大减小了激光频率的长期漂移,将激光频率稳定在±50 MHz以内;针对激光频率的短期抖动,采用以碘分子吸收池为核心器件的稳频系统,通过半导体控温方式对碘分子吸收池精确控温,控温精度达0.03℃,提高了稳频精度,将激光频率进一步稳定在±8 MHz以内,满足±10 MHz以内的设计精度要求。通过搭建多普勒测风激光雷达系统,对发射激光稳频装置进行系统验证,连续4组风场观测结果表明:系统探测高度为17 km,绝大部分方差在4 m/s以下,满足测风激光雷达测量指标的要求。

摘要：气溶胶辐射强迫效应主要通过气溶胶与辐射相互作用(aerosol-radiation interaction,ARI)和气溶胶与云相互作用(aerosol-cloud interaction,ACI)两种途径来影响地球辐射收支平衡,联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)在第五次报告指出,气溶胶与云的相互作用是最主要的不确定性辐射强迫因子之一。在云–气溶胶全球探测领域中,星载云–气溶胶遥感雷达的探测能力与发展方向对研究者们研究全球云–气溶胶分布特点越来越重要。首先对星载云–气溶胶遥感雷达技术的应用现状进行了分析,并针对典型星载云–气溶胶激光雷达(激光雷达空间技术实验LITE、正交偏振云–气溶胶激光雷达CALIPSO、云–气溶胶传输系统CATS、大气激光雷达ATLID)的探测任务、光机系统参数、结构及材料等技术特点进行了详细的分析研究;其次从工作机制、光机系统结构、应用材料和探测能力等方面对各星载云–气溶胶激光雷达系统特点进行了对比,提出星载云–气溶胶激光雷达光机系统结构设计特点与方法;最后分析了当前星载云–气溶胶激光雷达系统技术特点及发展方向,为我国发展星载云–气溶胶激光雷达提供技术方向及发展建议。

摘要：大气光学湍流是与光电工程系统设计、应用密切相关的基本参数。通过仪器实地测量大气光学湍流廓线时会受到人力、物力、财力等多种条件的限制,因此依据常规气象参数估算大气光学湍流强度具有十分重要的意义。提出一种结合遗传算法的反向传播(GA-BP)神经网络。首先,基于Tatarski大气光学湍流参数化方案,利用HMNSP99外尺度模式估算了大气光学湍流廓线;其次,尝试基于实测数据训练BP神经网络,并结合遗传算法估算大气光学湍流廓线。将两种方法估算的大气光学湍流廓线与实测的廓线进行对比,结果表明:GA-BP神经网络模式估算值与实测值的均方根误差(RMSE)比HMNSP99模式的RMSE小,表明利用GA-BP人工神经网络模式估算大气光学湍流廓线是一种可行的方法。

摘要：基于一阶微扰法,推导了涡旋光束在大气中传输的稳态热晕解析表达式,并得到了由热晕引起的涡旋光束的相位畸变表达式。通过数值模拟涡旋光束在大气中传输的光强等值线分布,详细分析了传输距离、初始功率、横向风速、大气吸收系数和初始半径对涡旋光束热晕的影响。研究结果表明,在其他参数不变的情况下,单一增大涡旋光束的初始功率、传输距离和大气吸收系数,热晕效应会增强;相反,单一增大初始半径和横向风速反而会减小热晕效应。在有风的情况下,由于热晕作用,涡旋光束会向来风方向偏折,峰值强度发生移动,形成不对称的分布,且涡旋光束在沿风向和垂直风向的相位变化有所不同。所得结果对高功率激光在大气传输中的应用与高能激光器的发展具有重要的指导意义。

摘要：连续波腔衰荡光谱技术(CW-CRDS)可以实现对痕量气体的高灵敏检测。基于(CW-CRDS),采用近红外分布反馈式二极管激光器(DFB-DL)和半导体光放大器(SOA),使用自主设计的高精细度Fabry–Pérot腔、激光驱动器、阈值检测电路,实现了紧凑型气体分析装置的设计。其中SOA在放大激光功率、提升衰荡信号信噪比的同时,还作为光开关,用于触发衰荡事件。整个系统集成在一个700 mm×300 mm×185 mm的定制机箱中,基于该装置测量了位于6359.97 cm^(−1)处的CO_(2)气体,对空腔衰荡的时间序列分析结果显示系统的探测极限为3.85×10^(−8)cm^(−1)。

摘要：为了提高星载云-气溶胶激光雷达在白天的信噪比,采用法布里-珀罗(F-P)固体标准具作为532 nm探测通道窄带滤光器的核心部件。根据F-P标准具的设计指标,对F-P标准具光学组件进行详细设计,确定F-P标准具厚度为131.1179μm,FSR为738 pm,FWHM为38.2 pm,采用“夹层式结构”。详细分析厚度加工误差对F-P标准具滤波性能影响,得出结论:厚度误差值以kλ0/2n(k为整数)变化时,中心波长的最大透过率值以λ0/2n为周期交替出现,无须补偿;厚度误差值在以λ0/2n周期内变化时,必须采用入射角或工作温度补偿方法进行厚度补偿。通过模拟计算可知,该两种补偿方法可以有效地补偿FP标准具由于加工误差带来的中心波长的漂移,实现高精度滤波。