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基于光学技术的新一代全球导航定位定时系统架构

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中国激光 2024年第11期 323-332页

作者：杨飞陈迪俊韩申生蔡海文陈卫标中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室

全球导航卫星系统(GNSS)已经深入现代信息化智能化社会的方方面面，发挥了巨大作用。充分发挥光频参考、自由空间激光链路等光学技术优势有助于解决其进一步发展所面临的地面依赖、精度提升等问题。美国、德国、中国分别提出了基于光链... 详细信息

全球导航卫星系统(GNSS)已经深入现代信息化智能化社会的方方面面，发挥了巨大作用。充分发挥光频参考、自由空间激光链路等光学技术优势有助于解决其进一步发展所面临的地面依赖、精度提升等问题。美国、德国、中国分别提出了基于光链路的时空参考(O-STR)、第三代全球导航定位系统(Kepler)、基于光学技术的新一代全球导航定位定时系统(O-GNSS)等概念，本文对其总体设计、关键技术等进行了分析，综述了主要的研究进展，为推动我国时空基准和导航定位定时方面的技术发展提供参考。

关键词：全球导航定位定时光频参考空间激光链路

200 km沙漠链路高精度光纤时频传递关键技术研究

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物理学报 2019年第6期68卷 34-41,245页

作者：应康桂有珍孙延光程楠熊晓锋王家亮杨飞蔡海文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 中国科学院上海光学精密机械研究所中国科学院量子光学重点实验室上海201800

针对沙漠环境实地链路存在的温度变化大、室外风力、地表振动等多种复杂噪声来源,通过对系统反馈补偿带宽、反馈补偿强度、光功率等时频传递系统关键参数的优化配置,研究了不同反馈补偿参数下复杂链路噪声的有效抑制技术.全链路的频率... 详细信息

针对沙漠环境实地链路存在的温度变化大、室外风力、地表振动等多种复杂噪声来源,通过对系统反馈补偿带宽、反馈补偿强度、光功率等时频传递系统关键参数的优化配置,研究了不同反馈补偿参数下复杂链路噪声的有效抑制技术.全链路的频率传递稳定度8×10^(-14)@1s,1×10^(-16)@1000 s,千秒尺度下时间信号传递的时间方差仅为1.2 ps.实现了氢钟信号在200 km量级沙漠环境实地链路的无损传输.该验证实验在基于短基线干涉测量的卫星测轨系统中发挥了重要作用.

关键词：光纤光学时频传递波分复用光学补偿

基于高空飞机激光通信的轨迹预报、跟踪和指向系统

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光学学报 2024年第6期44卷 229-237页

作者：焦崇淼贺岩胡善江侯春鹤陈勇强陈卫标中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室上海201800 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 国科大杭州高等研究院浙江杭州310024

针对水下平台与高空飞机的激光通信中有效通信时间短、使用信标光的捕获对准时间较长、链路不易建立的问题,设计了一套基于水下平台的高空飞机轨迹预报跟踪及指向系统。系统根据飞机发送的航行参数对飞机轨道进行预报,并驱动伺服电机进... 详细信息

针对水下平台与高空飞机的激光通信中有效通信时间短、使用信标光的捕获对准时间较长、链路不易建立的问题,设计了一套基于水下平台的高空飞机轨迹预报跟踪及指向系统。系统根据飞机发送的航行参数对飞机轨道进行预报,并驱动伺服电机进行跟踪指向。仿真分析了轨道预报算法的误差,并将轨道预报算法应用在实际实验中。实验结果表明,水下平台接收到航行参数后,能在2 s内建立上行通信链路。该算法能够在0.6 s内预测60 s内的轨道位置,误差小于350 m,对应的理论指向误差不超过0.51 mrad。通过比较指向电机的实时反馈与理论指向角,得到系统的指向误差为0.77 mrad。所设计的系统在满足通信指向精度的同时缩短了链路的建立时间,为水下平台与高空激光系统的猝发激光通信提供了具有高可靠性的保障。

关键词：激光通信跟踪指向系统指向精度轨迹预报

高重复频率分立路径Nd:YAG Innoslab激光放大器

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激光与光电子学进展 2023年

作者：陈忆兰刘继桥王明建陈晓朱小磊中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室中国科学院大学材料与光电研究中心中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部

提出一种结构紧凑的分立路径Nd:YAGInnoslab激光放大器。种子光源是采用Nd:YVO4晶体作为增益介质的电光调Q激光振荡器，输出平均功率2.7 W的种子光注入到Innoslab激光放大器中进行放大。当激光的输出重复频率为2 kHz时，最高放大激光功... 详细信息

提出一种结构紧凑的分立路径Nd:YAGInnoslab激光放大器。种子光源是采用Nd:YVO4晶体作为增益介质的电光调Q激光振荡器，输出平均功率2.7 W的种子光注入到Innoslab激光放大器中进行放大。当激光的输出重复频率为2 kHz时，最高放大激光功率达到13 W，脉冲宽度约为15.5 ns，此时光光转换效率达到14.6%。实验测得光束质量因子在x和y方向上分别为1.7和1.5。基于分立路径的激光放大器结构，在最大泵浦功率下依然没有观察到寄生振荡及自发辐射放大现象。

关键词： Innoslab激光放大器 Nd:YAG 分立路径

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OOK与BPSK兼容激光通信性能分析

激光与光电子学进展 2024年第7期61卷 191-201页

作者：朱福南李佳蔚鲁绍文陈卫标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 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 中国科学院上海光学精密机械研究所航天工程部上海201800

为适应空间激光通信组网技术,多体制复用的通信方式应运而生。发送端采用强度调制器兼容实现了开/关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)调制,接收端通过内差探测方式兼容实现了这两种调制信号的解调。在实际工程应用中,激光通信系统中散... 详细信息

为适应空间激光通信组网技术,多体制复用的通信方式应运而生。发送端采用强度调制器兼容实现了开/关键控(OOK)和二进制相移键控(BPSK)调制,接收端通过内差探测方式兼容实现了这两种调制信号的解调。在实际工程应用中,激光通信系统中散粒噪声、电子器件热噪声不可避免地会影响通信性能,在此基础上,进一步分析了强度调制器偏压点误差量与光学滤波器带宽大小对于非相干OOK和相干BPSK通信信噪比的影响。仿真结果表明:光学滤波器带宽对非相干OOK通信性能影响较大,接收光功率−46 dBm时,1 nm滤波带宽的非相干OOK信噪比开销约1.26;接收光功率−50 dBm以下时,20 nm滤波带宽的相干BPSK信噪比开销小于0.02。非相干OOK无编码通信灵敏度在1.25 Gbit/s速率时需满足−46 dBm@10−6,光滤波带宽应不大于0.8 nm,强度调制器偏压误差应控制在半波电压的1%以内。在消共模噪声和优化光滤波带宽条件下,1.25 Gbit/s速率的BPSK无编码通信灵敏度满足−55 dBm@10−6。

关键词：激光通信多体制复用强度调制器内差解调光滤波带宽

515.66 km实地光纤链路级联时频传递的高精度时延校准

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中国激光 2024年

作者：金志成薛申辉徐致远杨飞应康桂有珍北京卫星导航中心中国科学院大学材料与光电研究中心中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部王之江创新中心中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室

基于波分复用和时延波动的光学补偿方案，实现了北京-廊坊-保定全长515.66 km的实地光纤链路中时间频率信号长距离级联传递，实现了长距离链路1 PPS时间信号传输时延精确校准。100 MHz频率信号的级联传输的附加不稳定度在平均时间为1 s... 详细信息

基于波分复用和时延波动的光学补偿方案，实现了北京-廊坊-保定全长515.66 km的实地光纤链路中时间频率信号长距离级联传递，实现了长距离链路1 PPS时间信号传输时延精确校准。100 MHz频率信号的级联传输的附加不稳定度在平均时间为1 s时为6.49×10-14,在平均时间为10000s时为5.22×10-17。1 PPS时间信号的附加不稳定度在平均时间为1 s时为2.97×10-11，在平均时间为400 s时为2.46×10-12。515.66 km实地链路1 PPS级联传输时延的校准值和实测值之差仅为29.9 ps，单向传输时延的不确定度为9.49ps。这是国内首次在超过500 km的实地链路光纤时频传递系统中实现优于50 ps的时间同步准确度。该工作为长距离实际光纤链路中时延精确校准和高精度精确时间同步需求提供了可行的解决方案。

关键词：时频同传波分复用光学补偿时延校准

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饱和激发下叶绿素荧光非线性变化及影响分析

光谱学与光谱分析 2019年第8期39卷 2366-2370页

作者：李晓龙贺岩陈卫标姜静波刘庆奎陈永华中国科学院海洋研究所山东青岛266071 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

叶绿素浓度是海洋初级生产力的重要指标之一,激光诱导荧光技术可以实现海水叶绿素浓度的快速测量。测量叶绿素浓度的传统激光诱导荧光原理,是利用叶绿素荧光与水体Raman散射的强度比值( I F/ R)进行反演,即叶绿素浓度 n chl=CI F/R,其中... 详细信息

叶绿素浓度是海洋初级生产力的重要指标之一,激光诱导荧光技术可以实现海水叶绿素浓度的快速测量。测量叶绿素浓度的传统激光诱导荧光原理,是利用叶绿素荧光与水体Raman散射的强度比值( I F/ R)进行反演,即叶绿素浓度 n chl=CI F/R,其中 C 为系统常量。这是依据叶绿素荧光685 nm、水体Raman散射强度都与激发光强呈线性关系。然而,该理论并没有考虑诱导荧光饱和现象的存在。当诱导激光强度达到一定程度后, 685 nm荧光强度随激发光强非线性变化。另外,值得注意的是,水体Raman散射并不存在信号饱和现象。为了探讨饱和激发造成荧光非线性变化的影响,在激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度的实验中,设计两种测量方案,即:不同激光功率诱导单一浓度样本的荧光测量,和固定激光功率时不同浓度样本的荧光测量。实验中利用Nd∶YAG三倍频激光355 nm激发获得叶绿素溶液的404 nm处 Raman散射和685 nm荧光。实验结果分为2部分进行讨论:(1)为了分析饱和激发造成荧光变化的非线性特性,通过调节激发光功率测量溶液的受激发射光谱,发现水体Raman散射强度与激发光强呈线性关系,而685 nm荧光强度出现饱和激发下的非线性变化。而且,随叶绿素浓度的增加, 685 nm荧光的非线性趋势更为明显, Raman散射强度与激发光强的线性关系中斜率变小。数据分析表明, 685 nm荧光数据拟合的4阶多项式和Raman散射效率值,可以定性地表征685 nm荧光的饱和程度。(2)考虑实际海洋激光雷达探测叶绿素浓度应用中存在饱和激发荧光非线性现象,为了分析荧光非线性对传统叶绿素浓度反演理论适用性的影响,在固定激发光强情况下对不同浓度叶绿素溶液的发射光谱进行测量。将激发光功率调节至52.00, 80.70, 132.10和197.30 mW·cm^-2 ,获取相应激发光强下685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值和叶绿素浓度之间的关系。实验表明,激发光强不变的情况下, 685 nm荧光与水体Raman散射的强度比值,与叶绿素浓度仍满足线性关系。但是,在较高光强激发时,饱和激发造成的叶绿素荧光非线性变化,导致利用传统激光诱导荧光理论反演的叶绿素浓度值偏小。因此,需要对饱和激发下荧光非线性的影响进行修正,其关系为 I F / R=n chl / C + C F,修正值 C F不可忽略。另外,值得一提的是,修正关系中系统常量 C 随激发光强增加而增大。研究表明,饱和激发造成的荧光非线性,会对激光诱导荧光技术测量叶绿素浓度产生影响,但由于造成荧光非线性因素的复杂性,仅通过荧光数据拟合获得的多项式,无法定量说明其影响权重。然而,当激发光强不变时,可以实验测量获得基于激光诱导荧光原理的修正关系,从而准确反演叶绿素浓度。

关键词：激光诱导荧光叶绿素浓度饱和激发非线性荧光 Raman散射

宽谱散斑定制及在单次曝光多色荧光超分辨显微鬼成像的应用

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光学学报 2024年

作者：陈丽万霄汉王鹏威刘震涛吴建荣韩申生江苏省先进光学制造技术重点实验室中国科学院大学材料与光电研究中心中国科学院大学杭州高等研究院中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部王之江创新中心中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室

定制化散斑调制在优化计算成像分辨率、信噪比等成像性能方面具有重要意义。针对现有的定制化散斑调制方法难以在特定宽谱波长范围、特定轴向距离范围内获得满足同一统计分布散斑的不足，本文提出一种定制化的宽波段散斑调制方法，并将... 详细信息

定制化散斑调制在优化计算成像分辨率、信噪比等成像性能方面具有重要意义。针对现有的定制化散斑调制方法难以在特定宽谱波长范围、特定轴向距离范围内获得满足同一统计分布散斑的不足，本文提出一种定制化的宽波段散斑调制方法，并将其应用在单次曝光多色荧光超分辨显微鬼成像中。通过设计单次曝光多色荧光超分辨显微鬼成像系统的相位调制器在多个波长实现定制超瑞利散斑调制，仿真结果表明其不但能显著提高多色荧光显微成像的时间和空间分辨率，同时还能够实现极低信噪比下的多色信号重构，有望应用在生物学中观察活细胞的动态过程。

关键词：定制散斑宽波段多色荧光显微超瑞利低信噪比

FMCW相干激光雷达的多脉冲频域相干累积研究

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中国激光 2021年

作者：从海胜孙建锋卢智勇贺红雨韩荣磊任伟杰张龙坤姜玉鑫李超洋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中国科学院大学

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来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... 详细信息

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来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于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10lgMdB，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;、1.65×10;，相对起伏幅度分别为0.69、0.93的幅度起伏而言，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。

关键词：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