1 中国海洋大学 信息科学与工程学部 海洋技术学院，山东 青岛 266100
2 中国海洋大学 海洋高等研究院，山东 青岛 266100
3 中国科学院上海光学精密机械研究所 中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
4 中国民用航空西北地区空中交通管理局甘肃分局，甘肃 兰州 730087
5 兰州大学 大气科学学院，甘肃 兰州 730000
6 崂山实验室 区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
基于多普勒效应的相干激光雷达广泛应用于测风等大气探测领域，实际应用于风场观测时，由于噪声杂波干扰、回波信号较弱和风场不均匀性等影响了多普勒频移估计的精度。为准确估计激光雷达弱回波信号中的多普勒频移，提升相干测风激光雷达的探测距离和探测精度，文中开展了基于激光雷达功率谱信号的多普勒频移估计算法以及探测性能提升的评估研究。在快速傅里叶变换的基础上，提出了一种结合线性预测频谱估计与导数增强方法的功率谱分析方法，通过与常用的最大似然离散谱峰值频移估计算法(ML DSP算法)进行比较，验证了文中方法在相干测风激光雷达微弱信号频移估计过程中的优势。风速数据的时间及空间相关性分析结果表明，功率谱分析方法具有更好的风速估计稳定性，有效风场探测距离相较ML DSP算法提升了73%。与超声风速计对比结果表明，文中提出的综合算法在弱信号情况下的风速测量精度高，风速结果与超声风速计的标准偏差相较ML DSP算法降低了0.23 m/s，偏离率BIAS降低了0.3 m/s，有效提高了低信噪比范围内多普勒频移估计的精度。
相干多普勒激光雷达 多普勒频移估计 弱信号识别 峰值检索 coherent Doppler lidar Doppler frequency estimation weak signal recognition peak retrieval 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230216
1 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 430065
2 电子科技大学光电科学与工程学院，四川 成都 611731
3 西南交通大学信息科学与技术学院，四川 成都 611756
提出了一种噪声下非重复瞬态弱信号感知灵敏度增强方法。在双相干光频率梳（OFC）频谱克隆接收系统的基础上，利用声光频移器和光耦合器分别对本振OFC和信号OFC进行多路复制，使得瞬态弱信号频谱被分割的子信道成倍增加。在接收端灵敏度范围内，各子信道频谱被下变频至同一中频，并在频域中同步累加，累加后瞬态信号的感知信噪比（SNR）以倍数增加。利用梳齿个数为9的频谱克隆接收机对带宽为18 GHz的瞬态噪声信号进行感知，当本振OFC和信号OFC进行1、2、3路复制时，瞬态信号的感知灵敏度增益分别提升至12.63 dB、14.04 dB、15.43 dB。与双相干OFC频谱克隆接收结果相比，所提结构的SNR提升了3.0 dB、4.5 dB、5.9 dB，并进一步讨论了分路损耗对SNR改善比的影响。所提方案基本上不增加OFC生成模块的复杂度和频谱覆盖范围，实现了SNR倍增式增强。
光电子学 微波光子 瞬态弱信号 频谱克隆接收机 声光频移器 探测灵敏度 光学学报
2023, 43(10): 1025001
1 中国科学院微电子研究所 光电技术研发中心，北京00094
2 中国科学院大学 微电子学院，北京100049
为了实现对钞券表面涂层高速在线检测，研制了一种基于高速钞券质量检查机的实时近红外弱信号检测系统。首先，根据涂层材料的特性，采用近红外波段的发光二极管和光电二极管，研制了驱动和弱信号采集电路；然后，利用现场可编程门阵列和图形化虚拟仪器平台实现了数据的实时传输和处理；最后，提出了计算信号峰值强度的峰值标准差法并分析了该算法的实时性，进行了钞券表面涂层检测和算法实时模拟实验。实验结果表明，在钞券22 m/s的运行速度下，无论衬底是简单或复杂，未涂布钞券的信号均明显高于已涂布钞券的信号，分别差约为7 000，4 000，1 400，衬底图文越复杂，信号差越小。算法开始至结束的时间约为2~3 ms，远小于22 ms的钞券时间间隔，算法速度满足实时要求。本文研制的系统具有高速、实时、稳定的特点，可高效检测纸张表面的涂层有无，有望为涂层在线质量检测提供一种全新的方法。
涂层 弱信号采集 峰值检测 实时系统 coating weak signal acquisition peak detection real-time system 光学 精密工程
2022, 30(24): 3116
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
武汉理工大学信息工程学院, 湖北 武汉 430070
在机电设备、精密器件等研发工作和电路校准、传感器应用等日常实验中, 数字多用表常被用于微弱信号的测量, 但数字多用表只能实时显示采集到的信号, 不能存储信号, 在实验和应用中无法将检测到的波形、数据和实验状态实时对应, 只能通过人工肉眼估计读取, 给实验和应用带来了一定的困扰。为了解决该问题, 开发了一个基于LabVIEW的电流信号采集系统, 该系统可以将采集到的波形实时显示在面板上, 同时将检测到的准确电流数据和读取时间存储到PC机。实验结果表明, 该系统可以更好地显示电流信号, 同时可以进行信号的存储, 避免了肉眼读取数字多用表的误差, 增强了读取数据的准确性。
采集系统 电流采集 数字多用表 微弱信号 仪器控制 acquisition system current acquisition digital multi-meter weak signal instrument control
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
南通大学 信息科学技术学院, 江苏 南通226019
提出了一种基于光纤激光环形腔实现高频微弱振动信号检测的全光纤振动检测系统。将保偏光纤通过熔融拉锥技术拉锥形成具有多通道梳状滤波特性的微光纤马赫-曾德尔干涉仪(MMZI), 通过和光纤激光环形腔系统结合, 在200~20000Hz的范围内实现了对声源振动信号的动态响应, 噪声极限最小检测压力为6.44mPa·Hz-1/2。相对比于未接入光纤激光系统的声音频率响应范围为200~4000Hz, 灵敏度为29.36mV·Pa-1, 接入激光系统后声音频率响应范围扩大了近5倍, 灵敏度提高了6倍, 为宽频带声音检测系统以及微小光信号检测技术提供了一种行之有效的方法。
应用光学 光纤环形腔 微光纤马赫曾德尔干涉仪 保偏光纤 微小信号 振动检测 applied optics optical fiber ring cavity Micro-fiber Mach-Zehnder interferometer Polarization-maintaining fiber weak signal vibration detection
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
在大气成份和含量探测的傅里叶变换光谱探测技术中，红外探测器输出的电流信号一般极其微弱。本文针对电流信号频率为 kHz级、电流强度在 nA级的多元型红外探测器，通过分析系统噪声来源，选取高精度、低噪声的精密集成运算放大器，合理选取电路参数，设计了一种多通道微弱电流信号高精度采集电路。通过对电路性能进行分析，结果表明，该系统可以精确采集到 nA级的 1 kHz微弱电流信号，系统的噪声低，满足设计要求。
微弱电流信号 高精度 低噪声 数据采集系统 weak signal, high-precision, low noise, data acqui
