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“激光大气传输与探测”专辑 栏目所有文章列表
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1.
野外环境下太瓦飞秒激光等离子体通道 特性研究
滕浩, 鲁欣, 沈忠伟, 陈式友, 陈荣毅, 魏文寿, 魏志义
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 513-523.
摘要
(
411
)
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对太瓦(TW) 飞秒激光在自然大气中传输时产生的超长等离子体通道的物理性质进行了研究。试验结果 证实2 TW 飞秒激光在大气中自由传输时实现了2 km 长的等离子体通道, 长距离传输后通道内的等离子体电子 密度约为1011 cm3, 仍然保持良好的导电性。高压放电试验也证实了有等离子体通道存在, 可以将放电电压降低 30%, 说明激光诱导高压放电的有效性。本次试验研究表明长度为公里量级、长寿命大气等离子体通道的实现是 可行的, 将为激光引雷、大气监测、人工干预气候等实用化应用扫清技术上的障碍。
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2.
高能激光大气传输评估的不确定性研究
朱文越, ∗, 王辉华, 陈小威, ∗, 钱仙妹,
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 524-533.
摘要
(
520
)
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高能激光在实际大气中的传输是一个涉及到光传播机理、大气光学特性以及激光与大气相互作用的复杂 过程, 评估高能激光大气传输性能, 不仅需要开展激光传输机理研究, 建立高能激光大气传输数理模型, 还需要对 实际传输路径中的大气光学特性进行测量和分析。针对高能激光系统工程应用的迫切需求, 简要介绍了高能激光 大气传输性能评估研究的方法和发展现状, 重点讨论了影响高能激光大气传输评估准确性的大气参数测量不确定 性问题, 指出了高能激光大气传输评估应重点关注的研究方法、测量的大气参数及评估技术发展的趋势。
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3.
激光经过湍流大气以及散射介质的传输
王玉双, 陈子阳∗, 刘永欣, 蒲继雄∗
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 534-546.
摘要
(
615
)
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介绍了激光光束经过湍流大气以及散射介质的传输特性。当激光在湍流大气中传输时, 湍流大气的扰 动会影响光束的传输特性。此时, 激光光束仍然保持光束的特性, 因此可以应用扩展的Huygens-Fresnel 衍射积 分研究激光在湍流大气中的传输特性。研究表明, 当光束在湍流大气中传输时, 光束的光斑大小、偏振态、空 间相干度、闪烁因子等参数发生了变化。这些参数的变化除了与大气湍流性质有关外, 还与光束的特性有关。 因此选择合适的入射光束可以减低湍流大气对光束传输的影响。当相干激光经过散射介质后, 会呈现散斑。通 过调控入射激光的波前, 可以使得激光经过散射介质后聚焦。介绍了实现激光经过散射介质聚焦的技术, 包括 基于迭代反馈的波前整形技术、传输矩阵, 以及数字相位共轭技术等。最后, 展望这些技术应用于激光在实际 大气中的传输, 实现激光穿云透雾的目标。
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4.
基于支持向量机的激光大气传输效能评估方法
冷坤, 杨云涛, 谭哲, 龚艳春, 武文远∗
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 547-555.
摘要
(
395
)
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通过多层相位屏法, 针对海上大气环境做了大量激光传输数值仿真, 获取了2000 组激光初始参数、大气 环境参数、大气光学参数与接收面处光场评价因子的仿真数据。基于支持向量机, 提出了一种激光大气传输效能 评估方法。通过输入激光初始半径、激光初始功率、能见度、大气折射率结构常数等参数, 可以快速输出接收面 处光斑半径、环围功率、环围功率比等光场评价因子, 实现对激光大气传输效能的评估。研究结果表明, 支持向 量机能较好地拟合出输入与输出之间的多元回归关系, 预测结果与仿真数据之间的平均相对误差基本在2%以下, 预测精度较高。研究结果可为激光在大气中传输效能评估提供一定的理论依据。
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5.
大气相干激光通信研究中的几个理论问题
黄健, ∗, 邓科,
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 556-565.
摘要
(
482
)
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大气相干激光通信技术在工程上已经发展到进入实用化部署阶段, 但是其理论发展仍不完善, 对大气相干 激光通信系统理论以及其中必须涉及的自适应光学技术和大气闪烁问题的研究进展进行了回顾和分析。针对大 气湍流对光束振幅扰动以及自适应光学相位校正的随机过程进行精确分析是当前大气相干激光通信理论体系化 的主要挑战, 且研究方法必须全面采用概率分析的方法。目前, 自适应光学相位校正的概率分析的基本框架已经 形成, 面向大气相干激光通信的闪烁概念必须扩展包含大气散斑和总功率起伏两种内涵, 这是未来研究的重点和 难点。
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6.
高层大气探测激光雷达研究进展
杨勇, 程学武, 杨国韬, 薛向辉, 李发泉∗
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 566-579.
摘要
(
599
)
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大气探测激光雷达利用激光与大气的相互作用来主动遥感测量大气参数, 在大气科学研究、环境监测、 气象预报等领域发挥着越来越重要的作用。大气密度随高度呈指数下降, 对流层以上的高层大气密度稀薄, 探测 难度较高, 探测手段较少, 探测数据也较少。随着激光雷达技术的发展, 激光雷达对高层大气密度、温度、风场等 参数的探测能力逐步提高, 获得了较为丰富的高时间、空间分辨的观测数据, 并应用于中高层大气模式发展、临 近空间环境保障等领域。系统地介绍了高层大气激光雷达探测机制、国内相关激光雷达的探测能力及台站建设 情况, 并对高层激光雷达的发展趋势和应用前景进行了展望。
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7.
多普勒测风激光雷达的基本原理与技术进展
储玉飞, 刘东, 王珍珠, 吴德成, 邓迁, 李路, 庄鹏, 王英俭, ∗
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 580-600.
摘要
(
4291
)
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风场是水循环、碳循环、气溶胶、污染气体及雾霾的主要动力, 也是大气湍流、风能发电厂、数值天气 预报和环保等领域的重要参数。多普勒激光雷达利用多普勒效应, 通过探测发射激光的频率漂移, 可以获得大气 风场参数, 因此在众多领域具有重要的应用。首先介绍了多普勒效应和测风激光雷达技术的基本原理, 然后分别 从原理和实际应用方面对多普勒测风激光雷达进行了分类。进而系统介绍了相干探测与非相干探测、连续光探 测与脉冲光探测、单边缘技术与双边缘技术、FP 条纹与Fizeau 条纹技术、VAD 与DBS 扫描等相关技术。最后 简要地介绍了地基、机载与星载测风激光雷达的实例, 以及测风激光雷达新技术, 并对多普勒测风激光雷达技术 进行了总结与展望。
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8.
非球形粒子光散射计算、测量及其应用
王颖, 刘东,
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 601-614.
摘要
(
640
)
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粒子光散射在众多科学领域有着极其重要的作用, 早期关于粒子光散射的计算大多基于球形粒子假设。 但粒子的形状通常并不是完美的球形, 有些粒子还会聚集在一起, 使得外形结构变得更加复杂。Lorentz-Mie 散射 理论通常用来计算球形粒子散射, 对于非球形和复杂结构粒子的散射相函数计算则会带来较大偏差。此外, 球形 粒子假设对于退偏振效应也无法进行有效的分析。随着计算机算力的提升和算法的改进, 非球形粒子的散射问题 除了有限的观测实验研究外, 大多采用数值计算的方法。综述了非球形粒子散射的数值计算方法, 分析了各自的 优缺点, 并介绍了非球形粒子光散射实验室测量方法, 以及其在光学、地球物理学、遥感科学、天体物理学、工 程学、医学和生物学等领域中的应用。
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9.
特殊关联部分相干光研究进展
周正兰, 周源, 徐华锋, 屈军∗
量子电子学报 2020, 37 (
5
): 615-632.
摘要
(
526
)
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光束在大气湍流中传输时, 可通过调节部分相干光束的空间关联结构实现传输性质的调控。在总结特 殊关联部分相干光束大气湍流传输相关基本理论的基础上, 分别介绍了特殊关联部分相干光束的产生方法以及 空间关联结构的测量方法, 讨论了特殊关联部分相干光束在大气中传输所产生的物理效应, 对于激光大气传输 有一定的参考价值。
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10.
“激光大气传输与探测”专辑前言
许晓军、朱文越
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 385-385.
摘要
(
368
)
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1960年,世界上第一台激光器诞生。由于激光在单色性、方向性、相干性和亮度等方面具有普通光源难以比拟的优点,推动了一系列新技术、新学科和新领域的发展,并在现代工业、农业、医疗、通信、军事等众多领域得到了广泛的应用。 当激光在实际大气中传输时,由于受大气中各种气体、气溶胶与激光之间相互作用以及大气运动(如湍流)的影响,其优点被削弱,限制了其在诸如激光雷达、激光测距、激光能量传输、激光通讯等实际工程中的广泛应用。正因为如此,光波尤其是激光的大气传输规律及其高效探测受到了相关领域的长期关注。 近年来,我国在激光大气传输与探测领域开展了一系列卓有成效的研究,所取得的成果已成功服务于国家重大需求,受到国际同行的瞩目。藉此激光诞生60周年之际,恰逢中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所建所50周年,《量子电子学报》邀请了活跃于科研一线的专家撰稿,精心策划了“激光大气传输与探测”专辑。本专题包括20篇研究和综述论文,内容涵盖了高能激光大气传输与性能评估、自适应光学、激光通信、激光雷达、高分辨光谱探测与成像等, 展示了我国相关领域的最新研究进展和未来发展趋势。相信本专辑的出版,能够促进国内现代大气光学等相关领域的交流与发展。
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11.
水平蒙气色差对光轴标定的影响
习锋杰, 杨轶, 靖旭, 杜少军, 许晓军
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 386-391.
摘要
(
575
)
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激光系统的发射光和跟踪光波长通常会有所不同, 在近地面开展发射光轴和跟踪光轴的高精度定标时, 需要考虑水平传输路径上的大气蒙气色差。理论分析得到水平大气蒙气色差与大气温度垂直梯度、气压垂直梯度、激光波长及传输距离之间的关系, 进而分析了近地面水平大气蒙气色差带来的光轴定标误差。利用自动气象站测量了不同高度的大气温度和气压, 计算分析表明近地面1 km水平大气对1 μm 和5 μm两个波段可能会造成3 μrad的蒙气色差, 引起约1.5 μrad 的定标误差。研究表明为减小光轴定标误差, 需监测近地面水平大气蒙气色差, 并选择在大气蒙气色差较小的时刻进行光轴定标。
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12.
特殊关联结构部分相干光束大气传输研究进展
余佳益, 蔺淑琴, 徐颖, 朱新蕾, 王飞, 蔡阳健, ∗
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 392-408.
摘要
(
512
)
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相干性是激光束的一个重要特性, 具有低空间相干性的激光束称为部分相干光束; 关联结构(函数) 是部 分相干光束的一个特有参量, 通过调控相干性可构建具有特殊关联结构的部分相干光束。在湍流大气中, 特殊关 联结构部分相干光束不仅展现出诸多奇特传输性质, 而且能够进一步有效抑制大气湍流引起的光强及相干度分布 退化、光斑漂移和光强闪烁等各种湍流负面效应, 在自由空间光通信、激光雷达和激光遥感等方面有重要应用前 景。近年来特殊关联结构部分相干光束大气传输研究受到越来越多学者的关注。回顾了特殊关联结构部分相干 光束大气传输研究方法和发展历程, 举例展示了厄米系列特殊关联结构部分相干光束的大气传输研究成果。
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13.
大气对光学成像影响及校正技术
王英俭, ∗, 时东锋,
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 409-417.
摘要
(
811
)
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目标高分辨光学成像在众多光电工程领域中具有重要的应用价值。然而, 在很多目标观测场景中, 光波都 要经大气进行传输, 从而导致成像质量的退化, 克服复杂大气干扰获取高质量图像一直以来都备受各国学者的关 注。特别是近年来随着激光技术的进步, 由于激光雷达在距离分辨、三维成像等方面的优势, 主动成像技术也取 得了很大发展, 其中大气的影响和校正同样是一项不容忽视的问题。大气对成像的影响主要包括两个方面:大气湍 流和大气悬浮粒子。针对这两方面对成像的影响进行分析, 同时对国内外学者发展的消除大气影响、进行高质量 成像的主要技术进行了简要介绍, 并结合本课题组在相关领域的长期研究, 对几个值得关注的方面进行了总结和 展望。
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14.
波前编码光电成像系统猫眼回波分析
王磊, 孙晓泉, 叶庆
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 418-429.
摘要
(
548
)
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鉴于常规成像系统激光防御性能与成像质量之间的矛盾, 设计了一种基于像面离焦的波前编码系统, 分 别围绕该技术反激光侦察与抗致盲的机理和效能开展了相关研究工作。首先利用菲涅尔-基尔霍夫衍射理论, 建立 了像面离焦波前编码成像系统激光传输模型; 基于该模型, 评估对比了系统各平面的光场分布特征与激光防御性 能, 并进一步研究了系统参数的优化规律。结果表明, 对比常规成像系统, 离焦波前编码系统能在保持较好成像质 量的同时, 将回波探测器接收功率与像面最大单像素入射功率分别降低两个和一个量级以上, 大幅提升了系统的 反激光侦察与抗致盲性能。
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15.
钠信标激光技术进展
薄勇, 卞奇, 彭钦军, 许祖彦, 魏凯, 张雨东, 冯麓, 薛随建
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 430-446.
摘要
(
583
)
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地基光学望远镜对天观测时, 大气湍流扰动引起星光波前畸变将导致其实际分辨率远低于物理极限, 这 是急需解决的科学技术问题。采用钠信标激光激发海拔80∼105 km 大气电离层中的钠原子可产生高亮度的钠导 引星, 可作为信标探测大气对光波的扰动, 再利用自适应光学技术进行校正, 能使望远镜克服大气扰动影响, 获得 近衍射极限的分辨率。介绍了钠信标激光的特性与国内外研究进展, 尤其是中国科学院理化技术研究所激光物理 与技术研究中心研制的钠D2 线双峰谱型匹配的微秒脉冲钠信标激光器及其在大型望远镜上的应用情况。
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16.
金刚石拉曼钠导星激光器技术研究进展
杨学宗, ∗ , 冯衍∗
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 447-455.
摘要
(
612
)
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基于钠层的589 nm 激光导引星技术, 结合地基光学望远镜自适应光学系统, 可以有效补偿大气扰动造成 的光信号波前畸变, 在天文观测、星地激光通信、空间碎片跟踪等诸多领域有着重要的应用前景。介绍了一种新 型的589 nm 钠导星激光器技术:金刚石拉曼钠导星激光器。金刚石晶体超高的热导率和无空间烧孔效应的增益特 性是提高激光输出功率和实现单纵模运转的关键, 目前已获得22 W 的连续波单频钠导星激光器输出。金刚石拉 曼激光器技术提供了一种实现高功率钠激光输出的高效方案, 并为高功率微秒脉冲、高重频脉冲、频率啁啾等新 型钠导星激光器系统提供了新的思路。
参考文献
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17.
分布式全息孔径成像系统形位误差校正
黄家应, 朱磊, 杨峰, 饶长辉, ∗
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 456-465.
摘要
(
411
)
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分布式全息孔径数字成像技术是利用数字全息技术记录子孔径的复振幅信息, 再通过孔径间复振幅拼接 实现综合成像的一种主动成像技术。在工程应用中, 成像系统的装配误差会使子孔径复振幅间产生形位误差, 进 而使孔径综合后的图像变模糊。在已有的方法中, 大多是以相似变换模型校正形位误差, 但是复振幅与理想复振 幅间是复杂的投影变换关系, 所以基于相似变换模型的方法不再适用。首先提出一种在像面校正复振幅间形位误 差的方法, 该方法先通过像面图像配准对像面复振幅进行投影变换校正, 再对校正后的像面复振幅进行逆菲涅尔 衍射, 得到形位误差校正后的瞳面复振幅。进而搭建了分布式全息孔径成像系统, 并采用在像面校正复振幅间形 位误差的方法有效地校正了形位误差。
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18.
近地面相位涡旋对自适应光学校正的影响
赵旺, 赵孟孟, 王帅, 杨平,
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 466-476.
摘要
(
534
)
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近地面激光大气传输中, 由于强湍流的影响, 畸变波前中存在相位涡旋, 使得自适应光学系统校正效果下 降甚至失效。通过建立近地面激光大气传输模型, 分析了不同闪烁强度下畸变波前中相位涡旋分布特性, 以及自 适应光学系统校正效果。针对近地面相位涡旋不能被有效校正的问题, 分析了波前畸变被完全复原时不同单元数 变形镜对含相位涡旋波前畸变的校正效果。研究表明: 采用直接斜率法的自适应光学系统只能校正畸变波前中的 连续相位, 不能校正相位涡旋组成的不连续相位; 含相位涡旋的波前畸变被有效复原后, 连续表面变形镜能够校正 不连续相位, 现阶段限制自适应光学系统近地面校正效果的关键因素是波前畸变能否被有效复原。
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19.
大气粒子多角度散射特性测量技术研究进展
胡帅, ∗, 刘磊, ∗ 刘西川, 高太长,
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 477-496.
摘要
(
333
)
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大气粒子多角度散射特性包括散射函数及散射相矩阵(也称“M¨ueller矩阵”), 两者不仅是辐射传输模拟的 基本输入参数, 同时也是大气粒子微物理性质的载体。由于其基础性地位, 大气粒子多角度散射特性测量技术一 直是大气科学领域的研究热点。对大气粒子散射函数及M¨ueller 矩阵测量技术的研究现状进行了综述, 主要内容 包括以下四个方面: (1) 从大气粒子微物理特征的不确定性、数值计算方法的局限性和复杂性出发, 分析了大气粒 子光散射研究中存在的困难, 指出发展大气粒子散射函数及Müeller矩阵测量技术的必要性; (2) 概述了可见近红外 波段的多角度散射观测技术研究现状, 将可见近红外波段测量仪器分平面旋转接收型、固定接收型和镜面反射型 三类, 重点讨论了不同设计方案的优缺点; (3) 介绍了基于微波比拟技术测量单粒子散射特性的研究现状及其优势 和劣势; (4) 总结了多角度散射特性测量技术研究中存在的问题, 并展望了多角度散射测量技术的发展方向。本工 作可为后续的大气粒子光散射测量技术研究提供一定参考。
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20.
激光外差技术高分辨整层大气透过率测量 及水汽浓度反演研究
黄印博, 曹振松, ∗, 卢兴吉, 黄俊, 刘强, 戴聪明, 黄宏华, 朱文越, , 饶瑞中, 王英俭,
量子电子学报 2020, 37 (
4
): 497-505.
摘要
(
435
)
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整层大气透过率是反映大气光学特性的一个重要参数, 在激光大气传输、红外辐射传输的研究以及光电 系统的工程应用中都具有非常重要的研究意义。介绍了激光外差技术的测量原理, 并着重介绍了利用激光外差光 谱技术高分辨测量整层大气透过率的原理和方法, 以及同步反演水汽廓线分布、柱浓度的方法。进而介绍了课题 组研制的4.5 m、3.53 m 波段高分辨率激光外差光谱仪, 光谱分辨率分别达到了0.006 cm−1、0.002 cm−1, 以及利 用这些测量装置在合肥开展的整层大气透过率测量与水汽浓度反演的典型结果。最后对激光外差技术在光电系 统工程应用中的后续发展进行了展望。
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