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分布式光纤水听器技术研究和应用进展

光学学报 2024年第1期44卷 103-116页

作者：王照勇刘依凡陈义赐吴金懿陈柏琦高侃叶青蔡海文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

分布式光纤水听器将光纤作为水下声波换能器阵列,是近年来发展的新型水听器技术,具有阵列灵活重构、易于大规模组网、湿端全自动制备等独特优势,得到了国内外相关领域的重点关注。介绍了分布式光纤水听器的基本传感原理与典型的信号解... 详细信息

分布式光纤水听器将光纤作为水下声波换能器阵列,是近年来发展的新型水听器技术,具有阵列灵活重构、易于大规模组网、湿端全自动制备等独特优势,得到了国内外相关领域的重点关注。介绍了分布式光纤水听器的基本传感原理与典型的信号解调方法,梳理了声压灵敏度、系统等效噪声、响应方向性、动态范围等分布式光纤水听器的重要性能指标与研究进展,并介绍了近年来分布式光纤水听器技术的应用概况。最后,对存在的问题与未来发展趋势进行了总结和展望。

关键词：分布式光纤水听器分布式光纤声波传感光纤传感瑞利散射水下目标探测

星载激光雷达遥感技术进展与发展趋势(特邀)

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中国激光 2024年第11期51卷 181-200页

作者：陈卫标刘继桥竹孝鹏毕德仓侯霞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上海201800 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

星载激光雷达遥感技术,作为主动光学遥感手段,具有高垂直分辨率、高探测精度、全天时测量等优势,能获取一些传统被动光学或者微波遥感无法获得的信息。随着激光器及探测技术的进步,发展了不同探测体制的星载激光遥感技术,这些技术先后... 详细信息

星载激光雷达遥感技术,作为主动光学遥感手段,具有高垂直分辨率、高探测精度、全天时测量等优势,能获取一些传统被动光学或者微波遥感无法获得的信息。随着激光器及探测技术的进步,发展了不同探测体制的星载激光遥感技术,这些技术先后在深空探测和对地观测等多个领域得到重要应用。星载激光遥感技术的主要应用包括行星和月球的三维高程测量,地球大气云和气溶胶三维廓线、大气三维风场、温室气体浓度及海洋立体剖面等的测量,并先后在多个空间任务中得到了有效验证。对于一些重要应用领域的高精度测量,星载激光遥感技术是唯一有效的方法。星载激光雷达的长寿命和高测量精度在轨得到了验证,使得星载激光遥感技术从空间演示验证逐渐实现业务化运行,将在未来的陆地测绘、气候、气象研究及环境监测中发挥重要作用。最近20年,中国星载激光雷达遥感技术发展迅速,在多个领域取得国际领先的创新成果,包括星载温室气体二氧化碳探测激光雷达和高光谱气溶胶探测激光雷达等,正在服务国家重大应用,为国际星载光学主动遥感作出了重要贡献。

关键词：星载激光遥感激光高度计多普勒测风激光雷达差分吸收激光雷达气溶胶后向散射激光雷达

用于海洋颗粒有机碳探测的高重复频率三波长激光器

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中国激光 2024年第11期51卷 315-322页

作者：马浩达马剑陆婷婷贺岩于广礼丁建永朱小磊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材料与光电研究中心南京先进激光技术研究院先进全固态激光技术研发中心

研制了用于海洋颗粒有机碳（POC）高光谱探测雷达的激光源，采用稳频种子源结合光纤固体混合放大技术和非线性频率变换技术，获得了高重复频率多波长激光输出。采用1064 nm单频分布式反馈（DFB）半导体激光器作为种子源，通过碘分子吸... 详细信息

研制了用于海洋颗粒有机碳（POC）高光谱探测雷达的激光源，采用稳频种子源结合光纤固体混合放大技术和非线性频率变换技术，获得了高重复频率多波长激光输出。采用1064 nm单频分布式反馈（DFB）半导体激光器作为种子源，通过碘分子吸收池，实现了对种子激光频率的稳定控制。种子激光经连续光纤放大后，用声光调制器将其斩波为重复频率为5 kHz的纳秒脉冲激光，再通过光纤固体混合级联放大、I类相位匹配三硼酸锂（LBO）晶体倍频及II类相位匹配LBO晶体和频，实现了355 nm激光输出。利用355 nm激光泵浦基于偏硼酸钡（BBO）晶体的光参量振荡器（OPO），最终获得了486 nm蓝光输出。当OPO光-光转换效率为26.9%时，三波长激光输出对应的单脉冲能量分别为2.24 mJ@1064 nm、0.53 mJ@532 nm、0.70 mJ@486 nm，脉冲宽度分别为17.0 ns@1064 nm、5.0 ns@532 nm、6.9 ns@486 nm。

关键词：激光器蓝光激光器单频三倍频光参量振荡海洋探测

大气环境监测卫星星载IPDA激光雷达的大气二氧化碳柱浓度反演及多源数据对比验证

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光学学报 2024年第12期44卷 182-194页

作者：赖锴婕卜令兵王勤毛志华 Khalid Muhammad Burhan 樊纯璨刘继桥陈卫标赵少华南京信息工程大学大气物理学院天津气象雷达研究试验中心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生态环境部卫星环境应用中心

基于星载积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达探测数据对全球二氧化碳柱浓度（XCO2）进行反演并利用全球CO2柱浓度观测网（TCCON）、轨道碳观测者2号（OCO-2）卫星以及碳追踪器三者的CO2数据产品验证了反演结果的准确性。结果表明：IPDA... 详细信息

基于星载积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达探测数据对全球二氧化碳柱浓度（XCO2）进行反演并利用全球CO2柱浓度观测网（TCCON）、轨道碳观测者2号（OCO-2）卫星以及碳追踪器三者的CO2数据产品验证了反演结果的准确性。结果表明：IPDA激光雷达的反演结果与TCCON的观测结果一致性较好，两者的平均偏差为0.3×10-6，决定系数（R2）为0.952，均方根误差（RMSE）为0.584×10-6。与OCO-2和CT的XCO2数据产品的对比结果也显示出IPDA激光雷达反演结果与TCCON数据产品的吻合程度均高于OCO-2卫星与碳追踪器，进一步表明IPDA激光雷达能够获得更准确的全球XCO2观测数据。IPDA激光雷达对于不同地表类型上空的XCO2探测精度存在一定差异，在空间分辨率为50 km（陆地）和100 km（海洋）下，其探测精度主要分布在（0.80～0.82）×10-6与（0.76～0.78）×10-6，均满足1×10-6的探测精度要求。星载IPDA激光雷达的全天时、高精度探测技术将在今后全球碳源碳汇研究中发挥重要作用。

关键词：大气二氧化碳大气环境监测卫星星载激光雷达积分路径差分吸收验证

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星载激光雷达遥感技术进展与发展趋势（特邀）

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中国激光 2024年第11期 189-208页

作者：陈卫标刘继桥竹孝鹏毕德仓侯霞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

星载激光雷达遥感技术，作为主动光学遥感手段，具有高垂直分辨率、高探测精度、全天时测量等优势，能获取一些传统被动光学或者微波遥感无法获得的信息。随着激光器及探测技术的进步，发展了不同探测体制的星载激光遥感技术，这些技术... 详细信息

星载激光雷达遥感技术，作为主动光学遥感手段，具有高垂直分辨率、高探测精度、全天时测量等优势，能获取一些传统被动光学或者微波遥感无法获得的信息。随着激光器及探测技术的进步，发展了不同探测体制的星载激光遥感技术，这些技术先后在深空探测和对地观测等多个领域得到重要应用。星载激光遥感技术的主要应用包括行星和月球的三维高程测量，地球大气云和气溶胶三维廓线、大气三维风场、温室气体浓度及海洋立体剖面等的测量，并先后在多个空间任务中得到了有效验证。对于一些重要应用领域的高精度测量，星载激光遥感技术是唯一有效的方法。星载激光雷达的长寿命和高测量精度在轨得到了验证，使得星载激光遥感技术从空间演示验证逐渐实现业务化运行，将在未来的陆地测绘、气候、气象研究及环境监测中发挥重要作用。最近20年，中国星载激光雷达遥感技术发展迅速，在多个领域取得国际领先的创新成果，包括星载温室气体二氧化碳探测激光雷达和高光谱气溶胶探测激光雷达等，正在服务国家重大应用，为国际星载光学主动遥感作出了重要贡献。

关键词：星载激光遥感激光高度计多普勒测风激光雷达差分吸收激光雷达气溶胶后向散射激光雷达

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

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基于数字化相位补偿的激光水下频率传输

中国激光 2024年

作者：韩丽莉杨飞曹康臧华国陈卫标上海科技大学物质科学与技术学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中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室

水下频率传输与同步是海洋时空基准的关键技术基础，随着海底观测网等科技发展，对传输精度等性能指标提出了越来越高的需求。本文提出基于数字化相位补偿的高精度蓝绿激光的水下频率传输方法，利用蓝绿激光作为载波，利用数字化相位补... 详细信息

水下频率传输与同步是海洋时空基准的关键技术基础，随着海底观测网等科技发展，对传输精度等性能指标提出了越来越高的需求。本文提出基于数字化相位补偿的高精度蓝绿激光的水下频率传输方法，利用蓝绿激光作为载波，利用数字化相位补偿提升频率传输噪声补偿带宽。并基于520 nm绿光二极管进行了实验验证，实现了400 MHz频率信号在水下8m链路的双向稳定传输。实验结果显示，该技术的相位补偿带宽达到1k Hz,频率信号经过相位补偿后的频率传输稳定度在1 s处为7.9×10-14，在1000 s处为2.1×10-16。证明了该数字化补偿技术在水下蓝绿激光频率传输中的可行性，同时数字化技术还便于系统集成和小型化，在水下导航定位授时、水下时空网络建设等领域有着重要应用前景。

关键词：光通信高精度频率传输数字化相位补偿蓝绿激光水下时空基准

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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

基于相位校正的分布式光纤大探测孔径多维定位

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中国激光 2024年第8期51卷 206-213页

作者：杨竣淇王照勇刘依凡帅禄玮高侃叶青蔡海文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 上海中科神光光电产业有限公司上海201815 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站上海201602

分布式光纤多维定位对于周界安防、地震速报、目标跟踪等应用有着十分重要的意义。地震源或空气中声源波长与光纤探测孔径为同一量级,光纤传感通道无法对波场进行密集采样,难以实现精准定位。为了消除光纤大探测孔径对目标源多维定位的... 详细信息

分布式光纤多维定位对于周界安防、地震速报、目标跟踪等应用有着十分重要的意义。地震源或空气中声源波长与光纤探测孔径为同一量级,光纤传感通道无法对波场进行密集采样,难以实现精准定位。为了消除光纤大探测孔径对目标源多维定位的影响,提出了一种基于相位校正的分布式光纤大探测孔径多维定位方法。首先建立了光纤传感通道对目标源的响应模型,分析了光纤阵列相位误差来源,根据目标源预估计位置对光纤阵列采样信号进行相位校正;然后对校正后的信号进行空间谱估计并采用多次迭代降低定位误差。现场初步实验结果表明,所提方法能够有效实现对目标源的二维定位,定位结果与实际测量位置的误差为1.1 m。该方法可用于既有光缆,提高了分布式光纤传感系统在实际应用中的定位能力。

关键词：光纤光学分布式声波传感阵列信号处理目标定位

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