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
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
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
1 上海大学理学院物理系, 上海 200444
2 中国科学院上海高等研究院宏观量子中心, 上海 201210
超分辨荧光成像实验的分辨率和成像质量与实验过程中收集到的荧光分子光子数和背景噪声有着密切的关系。为了实现低光子数、高背景光下的快速超分辨荧光显微成像,利用所提卷积神经网络算法实现了对极低信噪比信号的恢复,并结合重构网络进行了超分辨成像。结果表明:利用该方法可以实现荧光信号在低信噪比下的有效恢复,峰值信噪比可达27 dB,明显优于同类的其他两种算法。该方法还可以配合Deep-STORM重构网络在低信噪比下实现快速的超分辨成像。重构结果的归一化均方误差为7.5%,分辨率相较其他算法有明显提升。实验条件下的重构结果验证了该方法的能力,为弱信号下的荧光快速超分辨成像提供了可行方案。
显微 超分辨 深度学习 弱信号 中国激光
2020, 47(10): 1007002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理联合实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所, 上海 201800
为实现弱信号对比度的高动态范围测量,基于二阶自相关理论,提出了一种实现纳焦级弱信号对比度高动态范围测量的方法。理论分析了能量(功率)、相位匹配和测量噪声对测量动态范围的影响,发现通过对测量噪声能量的光子计数进行探测、精确设置相位匹配过程中的非共线角,并采用聚焦和滤波方式对测量噪声进行抑制,可有效提升测量的动态范围。在此基础上,建立了一台弱信号高动态范围测量系统,利用神光II高能拍瓦激光种子源,实现了纳焦级弱信号1.0×10 11的高测量动态范围,这一数值与理论分析结果相符;同时,实现了种子源4.3×10 8对比度的准确甄别。研究结果对国内高能拍瓦激光系统对比度的提升具有重要意义。
非线性光学 高动态范围测量 二阶自相关 弱信号 高能拍瓦激光系统
1 桂林电子科技大学
2 广西精密导航技术与应用重点实验室, 广西 桂林 541004
3 电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
在森林、室内、高空轨道等弱信号环境中, 卫星导航接收机已不能使用传统锁频环正常跟踪接收信号多普勒频率, 针对这一问题, 基于最大似然估计提出了一种改进的锁频环算法, 在传统锁频环混频器之前加入最大似然估计模块, 给出了该算法的推导过程, 结合传统锁频环的实现结构, 提出一种整合了该算法的实现方案。仿真结果表明, 该算法比传统锁频环在频率跟踪性能上有很大的改进。
载波跟踪 锁频环 弱信号 最大似然估计 多普勒频率 carrier tracking frequency-locked loop weak signal maximum likelihood estimation Doppler frequency
1 上海理工大学医疗器械与食品学院生物医学光学与视光学研究所, 上海 200093
2 上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
眼轴长度与屈光不正、白内障等常见眼科疾病有密切关系, 精确测量眼轴长度对眼科疾病的预防及治疗具有重要的意义。为实现眼轴长度安全有效的光学测量, 入射光强度不能超过安全限度, 同时人眼眼底反射出来的光只有入射光的 10.3～10.4。为此基于光学方法的眼轴长度测量的弱光探测, 设计了一种基于外差干涉测量的眼轴长度测量系统。测量系统硬件部分采用 PIN光电二极管将弱光信号转化成易于处理的弱电信号, 同时设计一个低噪声、高性能的弱信号处理电路, 并选用 Max 10系列的 10M25SAE作为主控芯片处理信号; 软件部分采用 VHDL语言进行编程。实验结果表明, 该测量系统可以对眼轴长度实现有效且稳定的测量。
眼轴长度 弱信号 外差干涉 测量 axial eye length weak signal heterodyne interferometry measurement
深空探测对于人类开发利用太空资源、探索宇宙起源具有重要意义。作为深空探测的一个重要组成部分, 遥感载荷起着无法替代的作用。由于深空探测作用距离远,导致遥感载荷的信噪比很低,因此如何有效地从弱信号中检测出有用信号是深空探测技术中必需解决的关键技术。根据未来深空探测对低于散粒噪声的超微弱信号探测的需求,基于量子压缩态光场的散粒噪声小于标准量子极限的特点,提出一种基于量子压缩态光场的弱信号探测技术,给出了原理探索实验验证的结果。由于压缩光的量子特性会随着作用距离的增加而衰减, 为了更贴近应用, 设计了在接收端进行压缩光注入的新型激光雷达载荷方案, 并给出了仿真的结果。
深空探测 弱信号 量子 压缩态 deep space exploration week signal quantum squeezed states 红外与激光工程
2017, 46(9): 0913002
