太赫兹波独特的性质使其在物理学、生物学、医疗诊断、无损检测、无线通信等领域有着广阔的应用前景。共振隧穿二极管(RTD)是一种基于量子隧穿效应的半导体器件, 利用其负微分电阻和直流非线性特性, 可以分别实现太赫兹波的产生和探测, 近年来获得越来越多的关注。基于 RTD的太赫兹探测器具有可室温工作、体积小、易集成、灵敏度高等特点, 使其在未来短距离、超高速的太赫兹无线通信及万物互联等场景具备优势。本文将重点介绍太赫兹 RTD探测器的研究进展及其应用进展, 并对后续技术发展进行展望。

通过对光高频谱效率频分复用（O-SEFDM）系统的现有多种生成方式的分析，提出了一种基于修正的普适分数阶傅里叶逆变换（uIFrFT）生成方法。基于参数P对称的uIFrFT，可以应用厄米特对称生成实值信号，因此避免了强度调制/直接探测（IM/DD）O-SEFDM中的上变频，实现了系统的简化。在该方案中设计了适配的球面部分检测器（SPD）。仿真结果表明，对于IM/DD O-SEFDM系统，uIFrFT生成方法在灵活性和性能上优于现有生成方法。此外，在4阶正交振幅调制（4QAM）和16QAM传输系统中，SPD相比于传统固定球面检测器（FSD）的误码率（BER）性能得到提升，而且复杂度降低了约51%。

直接探测光纤通信系统凭借其结构简单、成本低廉的优势成为未来短距光通信的主要方案，而场信号恢复（FSR）技术是进一步提升直接探测系统容量的关键技术。介绍了直接探测光纤通信系统中斯托克斯矢量接收机、载波辅助差分检测接收机和Kramers-Kronig（KK）接收机的系统结构、工作原理及主要研究进展，并对比了三种FSR技术各自的优缺点。结果表明，相比其他两种技术，KK接收机技术有明显优势。最后，明确了KK接收机在未来直接探测光纤通信系统中的重要地位，并分析了KK接收机当前面临的关键技术挑战和解决方案。

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。

星载多普勒测风激光雷达是目前能够有效获取全球大气三维风场的主动探测设备,能够弥补气象卫星被动探测的不足,对其需求和进展的综述研究具有重要的意义。首先阐述了天气预报精度提升、数值模式同化和气候变化研究等领域对全球三维风场探测的迫切需求;接着回顾了相干探测、直接探测和混合探测三种体制的星载多普勒测风激光雷达的发展历程,并总结了当前星载测风激光雷达研究所面临的挑战;然后根据我国多普勒测风激光雷达的研究现状,归纳出我国星载测风激光雷达发展所急需解决的七类关键技术;最后指出星载混合体制测风激光雷达结合了相干探测和直接探测的优势,既能降低研制成本,又能提高大气垂直风廓线探测精度,是未来星载测风激光雷达的主要发展方向。

以马赫-曾德尔干涉仪作为谱分析器,进行了多普勒频移和气溶胶的非相干探测模拟实验。在发射机脉冲能量为500 mJ,重复频率为10 Hz,光谱线宽不超过0.005 cm -1,光束发散角小于0.10 mrad,接收望远镜镜头直径为350 mm,以雪崩二极管为探测器,数字采样率为2×10 7 sampling/s,采样数据位数为16 bit(有效位数为11 bit)的条件下,获得了45°斜程探测距离为2500 m的风廓线,视线风速探测精度为2 m·s -1。模拟结果显示,以马赫-曾德尔干涉仪作为谱分析器的激光雷达可用于火星风沙直接探测。相对于354.7 nm激光脉冲,1064 nm激光脉冲(可以与激光诱导击穿光谱仪兼容)回波的干涉对比度高,Mie后向散射强度高于Rayleigh后向散射强度。

目前我国尚缺乏25~60 km大气风场实时探测手段，为此研制了60 km车载瑞利测风激光雷达。介绍了系统总体结构，对分系统的研制做了详细描述。为提高风场反演的精度，设计了标准具通过率函数校准系统。提出了标准具通过率函数校准方法，并开展实验对标准具通过率函数进行了校准。校准结果表明，接收机性能稳定，各参数测量标准差均小于0.06。该系统在德令哈地区对15~60 km大气风场进行了观测，获得了水平风场的测量结果，并与当地探空气球的探测结果进行了比对，30 km以下一致性较好。对风速、风向测量误差进行了计算，40 km以下，风速测量误差≤4 ｍ/ｓ，风向测量误差≤6°，40 km以上，风速测量误差≤8 ｍ/ｓ，风向测量误差≤18°。该系统设计合理，性能稳定，能够实时探测10~60 km大气风场。

针对强度调制/直接探测（IM/DD）系统，采用一种改进型光分路器结合数字信号处理（DSP）算法，实现了一种简单有效的偏振解复用方法。仿真结果表明，在2×40 Gb/s的偏振复用强度调制/直接探测(PDM-IM/DD)系统中，该方法能够较好地分离两路偏振复用信号，并且算法收敛迅速，与传统IM/DD系统相比，误码率为10-4时对应的功率灵敏度仅为-2.3 dBm。

研究激光脉冲回波信号特性并建立其数学模型,是应用回波信号处理技术处理回波,生成目标三维激光仿真图像的基础。首先建立了激光器发射脉冲信号能量在时间和空间上的分布模型,然后依据成像目标的激光图像仿真模板,采用累加激光脚印各采样区发射脉冲信号与对应目标散射面单位冲激响应卷积值的方法,生成了探测器接收回波仿真信号,最后分析了影响回波信号仿真精度的因素。通过对激光脚印采样区个数的合理设置实现了激光脉冲回波波形的精确仿真。