1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 首都师范大学数学科学学院，北京 150001
3 兰州大学物理科学与技术学院，甘肃 兰州 730000
Overview: In order to achieve the measurement of gravitational wave signals in the millihertz frequency band, the space-based gravitational wave detection projects such as LISA, TianQin, and Taiji projects, which are based on laser interference systems, require the hardware noise floor of the interferometers to be lower than the interstellar weak light shot noise limit. This imposes stringent engineering specifications on the optical-mechanical design and the corresponding interferometer payload. This paper approaches the issue from the perspective of detection mode selection and derives the expressions of readout noise and stray light noise in the interference signal under the single detector mode and the balanced mode. Furthermore, a detailed discussion is provided on the weak-light interference process of the scientific interferometer. The results demonstrate that the balanced mode is capable of suppressing the interference phase noise caused by laser power fluctuations and backscattered stray light across multiple orders of magnitude. However, the suppression capability is constrained by the unequal splitting property of the beam combiner. To address this, a relative gain factor is introduced to compensate for the unequal splitting property of the beam combiner. Further analysis reveals that electronic gain compensation can only eliminate the impact of unequal splitting on one of the two noises rather than both simultaneously. Therefore, a balance must be struck in selecting gain compensation between the suppression of laser power fluctuation noise and stray light noise. Even with this consideration, the balanced mode still offers significant noise suppression capabilities at a magnitude difference, thus potentially reducing the engineering requirements for laser power fluctuations and telescope backscattered stray light.
引力波探测 平衡探测模式 读出噪声 杂散光分析 gravitational wave observation balanced detection mode read out noise straylight analysis
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 中国空间技术研究院 空间激光信息感知技术核心专业实验室，北京 100094
3 华中科技大学 电子信息与通信学院，湖北 武汉 430074
4 中国科学技术大学 国家同步辐射实验室，安徽 合肥 230026
海洋立体结构信息是未来实现海洋透明与海洋强国的基础，针对海洋剖面探测能力不足的问题，以及星载海洋剖面多要素同源同域一体化探测空白，开展星载海洋剖面多要素探测技术与系统方案研究，提出新型激光主被动复合、能谱复用探测技术体制，面向未来星载应用，完成星载海洋剖面多要素探测载荷系统设计。其中，激光器谱段设计为486、532 nm多波长一体化最佳配比输出，光电接收探测系统选用1 m×5 m超大口径可折叠光栅主镜，经过仿真分析，探测系统可实现大洋水深100 m深度、温度、盐度以及后向散射系数等多要素同源探测能力，同等体积包络条件下，能量收集能力提升5倍。
激光雷达 海洋剖面探测 主被动复合 大口径光栅 lidar ocean profile detection active and passive composite large aperture grating 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230466
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 西南技术物理研究所，四川 成都 610041
3 云南大学物理与天文学院，云南 昆明 650091
为了论证单光子成像技术天基应用可行性，分析了光学系统后向散射影响消除、单光子雪崩光电探测噪声抑制、自由运行模式等关键问题。基于偏振滤波理论、泊松统计滤波理论，选取重尾型脉冲激光函数，采用蒙特卡罗仿真方法，构建了星载单光子计数成像系统仿真模型，并仿真了不同轨道高度、不同重复次数和门控时间间隔条件下的光子计数结果。结果表明，脉冲激光回波光子计数波形与发射波形相近，仿真情况与实际相符，单光子成像距离存在阈值，当重复次数低于开门次数时，存在漏检现象。根据本研究的参数设置，在500 km的轨道高度上，当重复次数为2000、开门次数为2000时，激光测距精度可达0.09 m。所提相关方法可以为星载单光子计数成像系统指标分配和在轨参数调整提供技术支撑。
成像系统 单光子成像 时间相关单光子计数 蒙特卡罗仿真 单光子雪崩光电探测器 星载 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1611001
红外与激光工程
2021, 50(6): 20211036
1 北京空间机电研究所，北京 100094
2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094
3 中国空间技术研究院空间 激光信息感知技术核心专业实验室，北京 I00094
4 东北林业大学 森林作业与环境研究中心，黑龙江 哈尔滨 150040
5 中国林业科学研究院资源信息研究所，北京 100091
林业测量调查是星载激光遥感的重要应用方向。迄今为止，国外发展了多台套的星载激光载荷已经用于林业遥感。国内资源三号（02）星搭载的激光测距仪实验载荷实现了我国星载激光对地观测的突破，即将发射的陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达也将在林业遥感中取得重要应用。ICESAT-1/GLAS系统全波形数据成功用于全球林地垂直结构调查，ICESAT-2/ATLAS系统以光子探测的方式获取林地点云调查数据，星载激光遥感林业应用从实验、演示验证、进入实用阶段。这期间多型星载激光雷达经过了技术体制的选择、参数的优化，器件技术和处理技术的突破。本文综述了主要在轨服务林业遥感的星载激光雷达的配置和数据应用，研究了星载激光雷达林业遥感的探测机制、技术体制、应用现状、适用范围等，分析总结了各类星载激光雷达林业应用技术特点、发展演化趋势，提出星载激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标，充分发挥激光技术长项，与其他载荷手段优化配置，扬长补短，展望了星载激光雷达林业遥感技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。
星载激光雷达 林业 遥感 发展研究 space-borne LiDAR forestry remote sensing development study 红外与激光工程
2020, 49(11): 20200235
1 中国人民解放军军事科学院 防化研究院, 北京 102205
2 国民核生化防护国家重点实验室, 北京 102205
3 中国科学院 理化技术研究所, 北京 100190
实验设计制备了一种由12层硫化锌包覆硒化镉的核壳型量子点(CdSe/12ZnS QDs)和纳米金颗粒(Au NPs)自组装形成的CdSe/12ZnS QDs/Au NPs复合结构, 并将其应用于神经性毒剂模拟剂氰基磷酸二乙酯(Diethyl Cyanophosphonate, DCNP)的高效检测。QDs由于与Au NPs存在荧光共振能量转移作用(Fluorescence Resonance Energy Transfer, FRET)而发生荧光猝灭, 乙酰胆碱酯酶(AChE)水解氯化硫代乙酰胆碱(ATC)生成的硫胆碱能够将量子点取代而使量子点荧光恢复。当QDs与Au NPs的摩尔浓度比为20 : 1时, QDs荧光猝灭效果最佳, AChE浓度为1.0×10 -3 U/L时, QDs荧光恢复效果最好。DCNP的存在会抑制AChE的活性, 减少硫胆碱的生成并降低QDs的荧光恢复效率, 通过对QDs荧光恢复效率测定能够检测DCNP。在最优条件下对DCNP的检测结果表明, 量子点的荧光恢复效率与DCNP浓度的对数在5.0×10 -9~5.0×10 -4mol/L的范围内存在良好的线性关系, 检出限达5.0×10 -9mol/L。
量子点 纳米金颗粒 神经性毒剂模拟剂 荧光共振能量转移 quantum dots gold nanoparticles nerve agents mimic fluorescence resonance energy transfer
1 北京空间机电研究所, 北京 100094
2 中国空间技术研究院 空间激光信息感知技术核心专业实验室, 北京 100094
3 太原理工大学 物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
海水对光波的吸收和散射, 严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析, 说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力, 提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测, 设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究, 使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明, 当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时, 仍能提取出目标信号。
水下探测 激光雷达 混沌脉冲激光 后向散射 underwater detection laser radar chaotic pulse laser backscattering 红外与激光工程
2019, 48(4): 0406004
1 北京空间机电研究所 先进光学遥感技术北京市重点实验室, 北京 100094
2 哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院, 哈尔滨 150001
为了选择设计红外预警卫星的最优探测谱段范围, 采用一种基于目标与背景对比度确定探测谱段的方法, 在综合考虑目标、背景及探测方向等因素、结合探测器参量的前提下, 分别对类HTV-2飞行器在不同工况、不同观测角度和不同波长范围内的辐射强度、多种地球/大气背景辐射及不同情况下的目标背景对比度进行了理论分析和仿真。结果表明, 针对类HTV-2飞行器, 正俯视观测时, 在30km高度、马赫数Ma=7和50km高度、马赫数Ma=17两种工况下, 任一背景下, 目标与背景对比度在2.65μm～2.85μm谱段处都较大。该结果对探测这一类目标时的谱段选取具有重要参考价值。
物理光学 目标与背景对比度 仿真研究 探测谱段 红外辐射 physical optics contrast of target and background simulation research detection band infrared radiation
1 北京空间机电研究所, 北京 100094
2 北京空间技术研究院 激光信息感知核心专业实验室, 北京 100094
根据大气观测目标, 从云-气溶胶、风场和大气分子三个主要方向对天基激光雷达在大气环境观测领域的应用、配置和相关技术发展进行了分析, 研究了天基大气环境探测激光雷达的探测机制、技术体制、系统配置、应用现状、适用范围、约束条件等, 提出天基大气环境观测激光雷达载荷研制应根据任务应用需求、科学和工程目标、各技术体制特点和器件及处理技术特点合理制定指标体系, 充分发挥激光技术长项, 与其他载荷手段优化配置, 技术研究方面应扬长补短短, 并在此基础上展望了天基大气环境观测技术和应用的发展趋势、研究热点及其应用拓展。
激光雷达 大气 海洋 环境 lidar atmospheric sea environment 红外与激光工程
2018, 47(3): 0302002
