超短激光脉冲压缩与展宽的关键技术研究
线性调频信号数字脉冲压缩技术分析_郑力文
2011年1月1日第34卷第1期 现代电子技术 M odern Electro nics T echnique Jan.2011V ol.34N o.1 线性调频信号数字脉冲压缩技术分析 郑力文,孙晓乐 (中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009) 摘 要:在线性调频信号脉冲压缩原理的基础上,利用M atlab 对数字脉冲压缩算法进行仿真,得到了雷达目标回波信号经过脉冲压缩后的仿真结果。运用数字脉冲压缩处理中的中频采样技术与匹配滤波算法,对中频采样滤波器进行了优化,降低了实现复杂度,减少了运算量与存储量。最后总结了匹配滤波的时域与频域实现方法,得出在频域实现数字脉冲压缩方便,运算量小,更适合线性调频信号。 关键词:线性调频信号;脉冲压缩;中频采样;匹配滤波 中图分类号:T N911-34 文献标识码:A 文章编号:1004-373X(2011)01-0039-04 Digital Pulse C ompression Technology of Linear Frequency Modulation Signal ZH ENG L-i w en,SU N X iao -le (Chi na Airborne Missi le Academy,L uo yang 471009,China) Abstract :Based o n the pr inciple of pulse com pr essio n techno lo gy o f linear fr equency mo dulat ion signal,the simulatio n r e -sult of radar echo sig nal co mpressed by the pulse can be ga ined by using M atlab to simulate the dig ital pulse com pr essio n algo -r ithm.Co mbining the techno log y o f IF sampling with the matching filt er alg or ithm in the digit al pulse compression processing and optimazing the I F sampling filter,which can remarkably reduce the complex ity and decr ease t he mult iplier operation and the memo ry.Finally ,the implementation methods of matching filter algo rithm in time domain and fr equency doma in are summar ized,the dig ital pulse compression can be im plemented on frequency do main. Keywords :linear frequency modulatio n signal;pulse com pr essio n;IF sampling ;matching f ilter 收稿日期:2010-07-22 为了提高雷达系统的发现能力,以及测量精度和分 辨能力,要求雷达信号具有大的时宽带宽积[1-2]。但是,在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情况下,大的信号能量只能通过加大信号的时宽来得到。然而单载频脉冲信号的时宽和带宽乘积接近1,故大的时宽和带宽不可兼得。因此,对这种信号来说,测距精度和距离分辨力同测速精度和速度分辨力以及作用距离之间存在着不可调和的矛盾。在匹配滤波器理论的指导下,提出了线性调频脉冲压缩的概念,即在宽脉冲内附加线性调频,以扩展信号的频带,提供了一类信号,其时宽带宽乘积大于1,称之为脉冲压缩信号或大时宽带宽积信号。线性调频信号是应用最广泛的脉冲压缩信号,因此线性调频信号的特性、脉冲压缩的原理及其实现技术都是比较受人关注的[3-5]。 1 线性调频信号脉冲压缩基本原理1.1 线性调频信号简介 线性调频信号是通过非线性相位调制或线性频率调制(LFM )来获得大的时宽带宽积[6-7],这种信号又称 为chirp 信号,它是研究得最早而且应用最广泛的一种脉冲压缩信号。线性调频信号的时域波形如图1所示, 其频谱如图2所示。 线性调频信号可以表示为: x (t)=A #r ect t S #exp j 2P f 0t +L t 2 2 (1) 式中:A 为信号幅度;rect (t/S )为矩形函数,即: rect (t/S )= 1, t/S \1/20, t/S <1/2 (2) 线性调频信号的瞬时角频率X i 为: X i =d U d t =2P f 0+L t (3) 图1 线性调频信号的时域波形 在脉冲宽度S 内,信号的角频率由2P f 0-L S /2变
超短脉冲激光精密时—频域控制
超短脉冲激光精密时—频域控制 【摘要】：超短脉冲激光技术提供了高时间分辨率,高频率精度的测量手段,极大的提高了人类探索自然界规律的能力,成为探索、揭示微观世界规律的前沿科学与高新技术的基点和关键。本论文主要围绕超短脉冲激光的时-频域精密控制开展研究工作。在激光时域控制上,探索了锁模超短脉冲激光器的原理与结构,研制了超短脉冲飞秒光纤激光器,获得了超短脉冲激光源,为精密时-频域控制提供了种子源。在时域同步控制上,探索了基于非线性交叉相位调制的超短脉冲全光同步技术,完成了谐波锁模激光,多波长锁模激光,纳秒方波锁模激光与超短脉冲激光之间的同步,并研究了同步锁模超短脉冲激光应用于单光子频率上转换探测实验的相关问题。在激光频域控制上,研制了50W平均输出功率载波包络偏移频率稳定的超短脉冲激光系统,为紫外光学频率梳的产生奠定了基础。本学位论文的主要成果包括：1.时域上,超短脉冲激光产生是开展精密时-频域控制的基础。基于激光锁模原理,首先完成了超短飞秒脉冲光纤激光器的研制工作。1)利用光纤内的非线性偏振旋转效应,完成了超短脉冲锁模掺铒光纤激光器的研制。当腔内的色散为负值时,激光腔内的脉冲光以孤子波方式运转,脉冲的峰值功率被限制,脉冲宽度较宽。当引入色散管理手段后,通过展宽脉冲锁模方式,获得了宽度为92fs的超短脉冲激光输出。2)完成了非线性偏振旋转锁模掺镱光纤激光器的研制工作,提出了在腔内插入掺铒光纤方式提供附加饱和吸收的方案,有效的抑制了激光腔内的脉冲分
裂,得到了41fs单脉冲运转的超短脉冲激光输出。2.当不同波长的两束激光在同一光纤内传输时,由于交叉相位调制作用,一束光会使另一束光的非线性折射率发生变化,导致非线性偏振旋转。在此现象基础上,开展了时域上脉冲激光的精密同步工作。1)利用主-从模式的腔结构,完成了谐波锁模的掺铒光纤激光器与锁模Yb:GSO激光器的同步。同步激光器腔长失匹长度达14mm,有效的抑制了外界扰动对同步系统的干扰。并且在腔长失匹较大的情况下,脉冲呈现堆积展宽现象。利用该现象可应用于超短脉冲整形,光参量啁啾脉冲放大等领域的工作。2)利用部分光谱放大和交叉相位调制技术完成了800nm,1030nm,1550nm三波段飞秒超短脉冲激光同步。800nm,1030nm脉冲之间的时间抖动为0.55fs,1030nm,1550nm脉冲之间的抖动为8.3fs。3)利用长腔激光器中的峰值功率钳位效应,获得了脉冲宽度为5.5ns的方波脉冲锁模掺铒光纤激光器。并利用交叉相位调制技术,以全光方式实现其与超短脉冲锁模掺镱光纤激光器的同步。同步激光器腔长最大失匹为2.6mm,脉冲之间的时间抖动为4.3ps。 4)利用同步超短脉冲锁模掺铒、掺镱光纤激光器,完成了高速脉冲泵浦方式的单光子频率上转换探测实验,单光子转换效率达31.2%。3.在精密频域控制上,开展了高功率、高重复频率超短脉冲激光的载波包络偏移频率稳定工作。通过双包层光子晶体光纤放大技术,获得了50W 平均功率输出的超短脉冲激光。利用交叉参考的拍频方式,完成了超短脉冲的载波包络偏移频率探测,并通过锁相环电子反馈电路,实现了偏移频率的精密锁定。锁定后的开环偏移频率线宽为 2.27mHz,脉冲
利用群速度色散超短脉冲压缩的读书笔记
利用群速度匹配的级联二阶非线性实现 超短激光脉冲压缩——读书笔记 学号：SC14009030 姓名：李磊 1 概述 本文提出了一种采用倾斜脉冲的级联二阶非线性来实现超短激光脉冲压缩的方法。对基于单块BBO 晶体中基频光与倍频光群速度匹配的级联二阶非线性的脉冲压缩方案进行了理论分析。对比研究了群速度匹配与失配情况下利用级联二阶非线性进行脉冲压缩的效果，并模拟分析了基频光与倍频光的位相失配量、非线性晶体长度、基频光初始峰值光强和初始脉宽等因素对脉冲压缩效果的影响。 采用倾斜脉冲的级联二阶非线性来实现超短激光脉冲压缩的方法可消除倍 频过程中基频光与倍频光的群速度失配，从而达到同时压缩基频光和产生超短 倍频光的目的。在此基础上，分析了输入基频光峰值光强、初始脉宽、位相失 配量，以及晶体长度等因素对脉冲压缩效果的影响，并通过对相关参数的优化，获得了质量较好的接近几个单周期的超短脉冲输出。 2 理论模型 2.1 I 类倍频模型 假定光脉冲沿Z轴通过非线性晶体，在缓变包络近似下，描述 I类倍频过 程的耦合波方程组可表示为 式中，A j ( j= 1，2) 表光波的振幅，其相应的电场为：
k是波矢；和表示与群速度色散(GVD)相关的物理量，即 由于晶体对不同的波长有不同的折射率，基频光与倍频光的群速度不同，就会出现群速度失配(GVM) ，和分别为倍频光与基频光的群速度。以中心波长 800nm的基频光为例，在BBO晶体中传输时，根据Sellmeier方程可知，其群速度失配量=194fs／mm。群速度失配会导致基频光与倍频光在时间上的走离，从而影响倍频过程中的相互耦合作用，这不仅会降低倍频转换效率，更会导致产生的倍频光带宽变窄或脉宽变宽。 2.2 群速度匹配的级联二阶非线性 根据文献，在共线 I 类倍频过程中，基频光与倍频光具有相同的倾斜角。然而，由于只有倍频光存在走离，因而只有倍频光的速度会有所改变，即 式中，表示未倾斜时的倍频光群速度；P为走离角；为晶体外部脉冲等振幅面与等相位面的夹角，即倾斜角。 于是，基频光与倍频光的群速度失配量 (GVM)可表示为 假设脉冲前沿倾斜是通过引入光栅而引起的，且入射光与衍射光在光栅法线同侧。采用一级衍射，则根据色散方程可得到倾斜角表达式为
脉冲压缩技术
脉冲压缩技术 在雷达信号处理中的应用
一．脉冲压缩的产生背景及定义 1.1 脉冲压缩的定义 脉冲压缩即pulse compression，它是指发射宽编码脉冲并对回波进行处理以获得窄脉冲，因此脉冲压缩雷达既保持了窄脉冲的高距离分辨力，又能获得宽脉冲的强检测能力。 1.2脉冲压缩的主要手段 目前的脉冲压缩的手段主要有线性调频、非线性调频与相位编码等。 1)线性调频 是最简单的脉冲压缩信号，容易产生，而且其压缩脉冲形状和信噪比对多普勒频移不敏感，因而得到了广泛的应用，但是，在利用多普勒频率测量目标方位和距离的情况下很少使用； 2)非线性调频 非线性调频具有几个明显的优点，不需要对时间和频率加权，但是系统复杂。为了达到所需的旁瓣电平，需要对每个幅度频谱分别进行调频设计，因而在实际中很少应用； 3)相位编码 相位编码波形不同于调频波形，它将宽脉冲分为许多短的子脉冲。这些子脉冲宽度相等，其相位通过编码后被发射。根据所选编码的类型，包括巴克码、伪随机序列编码以及多项制编码等。 1.3脉冲压缩的产生背景 随着飞行技术的飞速发展，对雷达的作用距离、分辨能力、测量精度和单值性等性能指标提出越来越高的要求。测距精度和距离分辨力对信号形式的要求是一致的，主要取决于信号的频率结构，为了提高测距精度和距离分辨力，要求信号具有大的带宽。而测速精度和速度分辨力则取决于信号的时域结构，为了提高测速精度和速度分辨力，要求信号具有大的时宽。除此之外，为提高雷达系统的发现能力，要求信号具有大的能量。由此可见，为了提高雷达系统的发现能力、测量精度和分辨能力，要求雷达信号具有大的时宽、带宽、能量乘积。但是，在系统的发射和馈电设备峰值功率受限制的情况下，
超短脉冲激光技术(钱列加老师)
5．6 (3) 一．概述 (3) 1．飞秒激光脉冲的特性 (3) 2．飞秒脉冲的传输 (5) 3．光束空间传输 (6) 4．脉冲传输的数值模拟 (6) 5．时空效应 (9) 5.1自相位调制 (10) 5.2相位调制对有限光束的影响——自聚焦 (11) 二．飞秒光学 (13) 1．简介 (13) 2．色散元件 (13) 2.1 膜层色散 (13) 2.2 材料体色散 (13) 2.3 角色散元件 (14) 3．群速度色散的补偿及控制 (14) 4．聚焦元件 (16) 4.1 透镜的色差 (16) 4.2 脉冲畸变与PTD效应 (16) 三．飞秒激光器 (18) 1．锁模简介 (18) 2．克尔透镜锁模 (18) 3．飞秒激光振荡器 (20) 4．光纤孤子激光器 (21) 四．飞秒脉冲的放大与压缩 (23) 1．简介 (23) 2．飞秒脉冲放大的困难 (25) 3．啁啾脉冲放大技术 (26) 4．CP A放大器的设计 (27) 4.1 CP A激光系统的工作脉宽 (27) 4.2 高增益的前置放大器 (27) 4.3 装置的色散控制 (28) 4.4 设计多程CP A放大器的理论模型 (31) 五．脉冲整形 (34) 1．脉冲整形 (34) 2．飞秒光脉冲整形的物理基础 (34) (1)线性滤波 (34) (2)脉冲整形装置 (35) (3)脉冲整形的控制 (38) 3．几种典型的空间光调制器 (39) (1)可编程液晶空间光调制器(LC SLM) (39) A．电寻址方式 (39) B．光寻址方式 (40) (2)声光调制器 (41)
(3)变形镜 (41) 4．脉冲压缩 (42) 2.1 波导介质中的SPM (42) 2.2 级联非线性压缩脉冲 (43) 六．脉冲时间诊断技术 (45) 1．强度相关 (45) (1) 多次平均测量 (45) (2) 单次工作方式 (47) (3) 三次相关法 (48) 2．干涉相关 (49) 3．脉冲振幅与位相的重建 (50) 七．大口径高功率激光装置 (53) 1．高能量的PW钛宝石/钕玻璃混合系统 (55) 2．关键技术问题 (56) 2.1 高阶色散 (57) 2.2 光谱窄化和漂移引起的光谱畸变 (57) 2.3 非线性自位相调制SPM (58) 2.4 自发辐射放大ASE (58) 3．光参量啁啾脉冲放大(OPCPA) (58) 3.1 大口径高能钕玻璃泵浦的OPCPA 系统 (62) 3.2 小口径低能量高重复率OPCPA 系统 (63) 4．展望 (64) 4.1 峰值功率的理论极限 (64) 4.2 光学元件的限制 (65) 4.3 非线性B积分的限制 (65)
脉冲压缩
“雷达原理” 作业报告 西安电子科技大学 2011年11月 摘要简单介绍了脉冲压缩技术的原理和类型，并对线性调频脉冲压缩进行了详细的分析推导。 引言 雷达是通过对回波信号进行接收再作一些检测处理来识别复杂回波中的有用信息的。其中，波形设计有着相当重要的作用，它直接影响到雷达发射机形式的选择"信号处理方式"雷达的作用距离及抗干扰"抗截获等很多重要问题。现代雷达中广泛采用了脉冲压缩技术。脉冲压缩雷达常用的信号有线性调频信号和二相编码信号。脉冲压缩雷达具有高的辐射能量和高的距离分辨力，这种雷达具有很强的抗噪声干扰和欺骗干扰的性能。对线性调频信号有效的干扰方式是移频干扰(对二相编码信号较有效的干扰方式是距离拖引干扰。 1脉冲压缩简介 雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标，并测定目标的空间位置。雷达分辨力是雷达的主要性能参数之一。所谓雷达分辨力是指在各种目标环境下区分两个或两个以上的邻近目标的能力。一般说来目标距离不同、方位角不同、高度不同以及速度不同等因素都可用来分辨目标，而与信号波形紧密联系的则是距离分辨力和速度(径向)分辨力。
两个目标在同一角度但处在不同距离上，其最小可区分的距离称为距离分辨力，如图1．1所示，雷达的距离分辨力取决于信号带宽。对于给定的雷达系统，可达到的距离分辨力为 B c r 2=δ 式中，c 为光速，B=f ?可为发射波形带宽。 图1．1脉冲压缩雷达原理示意图 雷达的速度分辨力可用速度分辨常数表征，信号在时域上的持续宽度越大，在频域上的分辨能力就越好，即速度分辨力越好。 对于简单的脉冲雷达，B=f ?=1／τ，此处，τ为发射脉冲宽度。因此，对于简单的脉冲雷达系统，将有 τδ2c r = 在普通脉冲雷达中，由于雷达信号的时宽带宽积为一常数(约为1)，因此不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指标。 雷达对目标进行连续观测的空域叫做雷达的探测范围，也是雷达的重要性能参数，它决定于雷达的最小可测距离和最大作用距离，仰角和方位角的探测范围。而发射功率的大小影响作用距离，功率大则作用距离大。发射功率分脉冲功率和平均功率。雷达在发射脉冲信号期间τ内所输出的功率称脉冲功率，用Pt 表示；平均功率是指一个重复周期Tr 内发射机输出功率的平均值，用Pav 表示。它们的关系为： r av t T P =P τ 脉冲压缩(PC)雷达体制在雷达脉冲峰值受限的情况下，通过发射宽脉冲而获得高的发射
超短脉冲激光提升微加工的速度与效率
超短脉冲激光提升微加工的速度与效率 在微加工领域，短脉冲、尤其是超短脉冲激光器正在取代传统的加工方法。对于超短脉冲激光器，得益于其冷烧蚀特性，因此其对所要加工的材料几乎没有任何限制。 在冷烧蚀过程中，材料的去除本质上只能通过化学键断裂来实现，因此其产生的热影响仅限于几微米的区域，并且相应的变形也最小。不幸的是，超短脉冲激光器的烧蚀速率仍然非常低，进而限制了其在工业领域的广泛应用。 金属材料的烧蚀阈值在0.2J/cm2的范围内，而玻璃和陶瓷的烧蚀阈值则在几个J/cm2的范围内。为了提高去除速率，可以使用具有较大聚焦口径的高脉冲能量，以在更大的区域内工作。在诸如玻璃或聚合物等透明材料加工应用中，可通过非线性效应（如多光子过程）来提高去除速率。此外，也可以提高重复频率。重复频率可以从100kHz到几兆赫兹，目前正在进行重复频率超过10MHz的研究。 FIGURE 1. 德国3D-Micromac公司举办的“ISL 2010激光微加工国际研讨会”现场 尽管传统的光纤激光器已经在工业环境中植根多年，但是飞秒光纤激光器在市场上仍然属于新事物。德国耶拿大学的Jens Limpert博士使用的超快光纤激光器，平均功率接近1kW，峰值功率在GW量级，重复频率在kHz到MHz的范围内。虽然超快光纤激光器已经能够达到上述较高的性能，但是其仍然具有很大的发展潜力。 除了单脉冲之外，另一种提高烧蚀速度的方式是采用所谓的脉冲猝发（burst）。以50MHz的脉冲序列为例，重复频率为500kHz的脉冲被提取出来并被放大。
“烧蚀效果与脉冲能量成对数关系。通过这种方式，可以将相同的总能量分配到几个脉冲中，然后通过脉冲叠加来达到更高的去除量。”Lumera Laser公司的Dirk Müller介绍说。实验已经证明5~10个脉冲的脉冲猝发是有效的，并且约为20ns的脉冲间隔也已被证明是有效的。然而，最终获得的去除质量在很大程度上依赖于所要处理的材料。 微结构的高效生产 在微加工领域享有盛名的方法包括EDM（放电加工）、微模压加工和光刻技术。EDM只适用于导电材料，并且速度缓慢；冲压模的制造成本较高；而光刻则需要高精密掩模，并且后续的刻蚀过程还对环境有很大的污染。相比之下，激光冷烧蚀加工不但能够实现与上述方法类似的加工精度，而且更具成本效益，同时也非常环保。最精细结构的冲压使得金属板材的加工更加容易，金属板材结构由模压辊制成。德国夫琅和费激光技术研究所（Fraunhofer-ILT）已经利用功率为100W、重复频率为3MHz 的皮秒激光器，获得了最佳的精细结构加工效果。 “在整个激光微加工过程中，CAD数据得到了精确的再现，没有熔化物飞溅以及其他废弃物，并且表面粗糙度小于0.5μm。”Fraun hofer-ILT烧蚀与焊接部门主管Arnold Gillner博士说（见图2和图3）。为了获得更好的加工效果，脉冲之间必须有10％~15％的重合，两条脉冲的刻线间则必须有10％的重合。 图2：由超快脉冲激光器加工的一个工具的局部图
超短激光脉冲时空耦合
共9页第 1 页 超短激光脉冲时空耦合 Selcuk Akturk1, XunGu2, Pamela Bowlan3 and Rick Trebino3 摘要：超短激光脉冲的电场往往不能划分成一个纯粹的时间和空间的产物。这些所谓的时空耦合在物理作用中无处不在，并在实际应用中变得越发的重要。在本文中，我们通过这些效应的实验和理论工作来认识这些影响将有助于我们了解、避免和应用它们。首先，我们提出一个观点，包括脉冲时空耦合、它们的来源、数学描述以及相互之间的不同依赖关系；然后，我们回顾不同的实验方法来描述它们的特点。最后，我们通过描述不同时空耦合的作用和进一步的实施方案来帮助它们的开发和避免有害的影响。 关键词：超快光学、脉冲测量 1、前言 超短脉冲激光器问世以来,分别在科学与工业的领域得到快速发展。利用光脉冲压缩到飞秒时间是这些超短脉冲激光器拥有如此吸引力的主要来源。因此，超短脉冲激光已成为研究和控制超快现象的事件，如以皮秒或者飞秒为时标的化学反应，等离子体动力学，磁化动力学和其他方面[1-3]。此外，它们可能实现在光电领域达到空前水平，并且访问了无数的光与物质的相互作用[4,5]。 超短脉冲的时域变化通常通过描述他们的功率密度和频率，即他们的强度和相位。脉冲电场的空间坐标的依赖往往是分开处理，假设脉冲的时空特性束沿每个空间位置相同，或等价地，该脉冲的场到时空因素的产物分离相同的脉冲的时空特性。然而，这种假设往往是错的，主要是因为相同的属性，让这些脉冲要短广泛的光谱带宽。角色散是这些最著名的扭曲现象的来源，它无处不在，脉冲带宽和更广泛更扭曲了脉冲经过一棱角分散元素。因此，在大多数实际情况中，展示出一种相互依存的超短脉冲时间（或光谱）和空间（或角）称为时空耦合器(STCs)的坐标。 STCs的来源无处不在。STCs的最常见的来源是脉冲式压缩机使用的棱镜和光栅的色散管理和几乎所有的超短脉冲激光振荡器和放大器的一部分。有意引进的STCs（角色散），使每个脉冲的颜色路径长度是不同的，以调整光谱相位脉冲式压缩机的功能。但是，最终，一个成功的脉冲压缩机必须删除所有的耦合器，设备上强制执行严格的对齐要求。一个简单的例子就是繁殖，通过一个较大的脉冲镜头,这将导致不同径向非色散光谱相位)由于维变厚度的玻璃。另一个简单的例子是一个脉冲通过一个单镜头，而在径向变色散的结果（光谱相位）是由于玻璃径向厚度不一的结果[6]。非线性光学相互作用，如非线性折射和丝状形成，也可以引入光脉冲的时空耦合器。 图1：介绍了STCs穿过棱镜时传播。由于色散棱镜的玻璃，输出光束具有分散角和脉冲前沿倾斜，经过传播产生第三STC、空间啁啾。
基于透射光栅的激光脉冲压缩器设计与制备研究
目录 第一章引言 (1) 1.1超强超短脉冲背景 (1) 1.2 脉冲压缩光栅研究进展 (4) 1.3 本课题研究工作 (5) 第二章啁啾脉冲放大原理 (6) 2. 1色散对脉冲传输的影响 (6) 2.1.1二阶色散影响 (9) 2.1.2 三阶色散影响 (10) 2.2 脉冲压缩器原理 (11) 2.3激光脉冲展宽器原理 (14) 2.3.1展宽器发展概述 (14) 2.3.2 光线追迹分析Offner展宽器的色散特性 (15) 2.4啁啾脉冲放大系统的优化设计 (20) 2.5小结 (26) 第三章脉冲压缩透射光栅设计 (28) 3.1不同类型脉冲压缩光栅性能比较 (28) 3.2透射光栅设计 (28) 3.3高空频增透光栅设计 (32) 3.4自聚焦效应对光栅基底厚度的影响 (34) 3.5小结 (38) 第四章脉冲压缩透射光栅制备 (40) 4.1光刻胶光栅实验制备 (41) 4.2离子束刻蚀 (43) 4.3 实验检测及结果分析 (45) 第五章总结与展望 (51) 参考文献 (52) 攻读学位期间发表论文 (55) 致谢 (56)
基于透射光栅的激光脉冲压缩器设计与制备研究第一章引言 第一章引言 1.1超强超短脉冲背景 1960年Maiman[1]成功研制出世界上第一台红宝石激光器,其优异的单色性、方向性、相干性和高强度为科学研究、工业生产提供了理想的光源。随着科技的进步及各学科领域研究的深入，人们对激光器性能的要求也越加严苛。 超强超短脉冲是激光技术发展的目标之一。自激光器诞生以来，人们对激光峰值功率和脉冲宽度的追求就从未间断。调Q[2]技术使用转镜开关、光电开关、声电开关和可饱和染料开关来人为增大腔内损耗，以增大激光器阈值。调Q技术可以解决激光器弛豫振荡现象，可以将激光脉冲宽度提高到微秒量级。锁模技术可以调节激光器腔内各个纵模之间相位相等，各纵模彼此相干叠加得到超短脉冲。锁模技术分为主动锁模和被动锁模，主动锁模是利用光电开关、声电开光来主动锁定纵模间的相位。早期的被动锁模主要使用可饱和染料来实现被动锁模，近些年主要利用晶体的非线性光学效应产生的克尔透镜自锁模技术。克尔透镜自锁模是获取飞秒脉冲的最主要手段，脉冲峰值功率高于TW量级，是目前获得高峰值功率激光的先进技术。 飞秒激光脉冲拥有飞秒量级的脉冲宽度，时域的超窄脉宽造就了飞秒激光很宽的光谱带宽。同时，飞秒激光可将能量集中于几飞秒至几百飞秒时间内，虽然平均功率不高，飞秒激光脉冲可形成极强的峰值功率。飞秒激光振荡器输出的飞秒脉冲平均功率很低，大约在几毫瓦到几百毫瓦，单脉能量约几十皮焦耳到几百纳焦耳。在很多强激光的领域，这样的激光能量往往是不能满足实际需求的。一般不宜直接对飞秒激光振荡器输出的脉冲进行放大，因为其超强的峰值功率会导致许多问题：①过高的峰值功率会损坏放大器的光学元件。②产生的非线性效应会降低脉冲的光斑质量。③放大过程中易产生增益饱和效应，降低脉冲放大效率。 1
第三章 脉冲压缩雷达简介
第三章 脉冲压缩雷达简介 3.1 脉冲压缩简介 雷达的分辨理论表明:要得到高的测距精度和好的距离分辨力，发射信号必须具有大的带宽;要得到高的测速精度和好的速度分辨力，信号必须具有大的时宽。因此，要使作用距离远，又具有高的测距、测速精度和好的距离、速度分辨力，首先发射信号必须是大带宽、长脉冲的形式。显然，单载频矩形脉冲雷达不能满足现代雷达提出的要求。而脉冲压缩技术可以获得大时宽带宽信号，使雷达同时具有作用距离远、高测距、测速精度和好的距离、速度分辨力。具有大时宽带宽的信号通常被称作脉冲压缩信号。 脉冲压缩技术包括两部分:脉冲压缩信号的产生、发射部分和为获得较窄的脉冲对接收回波的处理部分。在发射端，它通过对相对较宽的脉冲进行调制使其同时具有大的带宽，在接收端对接收的回波波形进行压缩处理得到较窄的脉冲。 3.2 脉冲压缩原理 3.2.1时宽-带宽积的概念 发射脉冲宽度τ和系统有效(经压缩的)脉冲宽度0τ的比值称为脉冲压缩 比 ，即 0D ττ= (3-1) 因为01B τ=，所 （3-1）可写成 D B τ= (3-2) 即压缩比等于信号的时宽-带宽积。在许多应用场合，脉冲压缩系统常用其时宽-带宽积表示。大时宽带宽矩形脉冲信号的复包络表达式可以写成： (),/2/2 ()0,j t Ae T t T u t θ?-<<=? ? 其他 (3-3) 匹配滤波器输出端的信噪比为：
()0 0S N E N = (3-4) 其中信号能量为[13] ： 212 E A T = (3-5) 这种体制的信号具有以下几个显著的特点： (1)在峰值功率受限的条件下，提高了发射机的平均功率av P ，增强了发射信号的能量，因此扩大了探测距离。 (2)在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发射信号变成窄脉冲，因此保持了良好的距离分辨力。 (3)有利于提高系统的抗干扰能力。 当然，采用大时宽带宽信号也会带来一些缺点[14][15]，这主要有: (1)最小作用距离受脉冲宽度 τ 的限制。 (2)收发系统比较复杂，在信号产生和处理过程中的任何失真，都将增大旁瓣高度。 (3)存在距离旁瓣。一般采用失配加权以抑制旁瓣，主旁瓣比可达30dB ～35dB 以上，但将有1 dB ～3 dB 的信噪比损失。 (4)存在一定的距离和速度测定模糊。适当选择信号参数和形式可以减小模糊。但脉冲压缩体制的优越性超过了它的缺点，已成为近代雷达广泛应用的一种体制。 3.2.2 线性调频脉冲信号 线性调频脉冲压缩体制的发射信号，其频谱在脉冲宽度内按线性规律变化，即用对载频进行调制的方法展宽发射信号的频谱，使其相位具有色散。同时，在 t P 受限情况下为了充分利用发射机的功率，往往采用矩形宽脉冲包络，线性调 频脉冲信号的复数表达式可写成[16][17]: 2 00() 2 ()()()t j t j t t s t u t e Arect e μωωτ + ==
一种快速脉冲压缩信号模拟算法
一种回波仿真快速算法 摘要： 针对雷达常规回波仿真算法难以快速实现的问题，本文提出了一种可生成脉冲压缩后回波信号的快速算法。该方法引入合成孔径雷达（SAR ）的慢时间概念，将常规的向量运算转化为卷积运算，然后与脉冲压缩相结合，从而大大提高了仿真效率。同时本文讨论了该算法与常规算法的等价约束条件，比较了两者的运算量，最后通过仿真验证了该算法的正确性和高效性。 关键词：快速算法;回波仿真;卷积; SAR. Fast Algorithm for Echo Simulation Abstract ：In order to obtain the fast realization of the conventional radar echo simulation, this papar involves a fast algorithm to generate post-pulse compression echo.This fast algorithm greatly improves the simulation efficiency, by which changes the vector operations of conventional algorithm into convolution operations by the introduction of the concept of the slow time in synthetic aperture radar(SAR) and combines with pulse compression.A research for the constrained equality and a comparison for the computation between the conventional algorithm and the fast algorithm is covered. Finally, simulations validate it availability and efficiency. keyword ：fast algorithm; echo simulation; convolution; SAR. 1 引言 由于现代雷达所具有的高分辨特性要求将探测目标看成多散射点模型，而多散射点模型的回波仿真以及后续的脉冲压缩，需要大量的耗时运算，严重限制了雷达仿真系统的应用范围。如何快速实现仿真是目前亟待解决的问题。 关于快速回波仿真算法，国内外学者做了大量工作。文献[1]利用分布式仿真平台，多台机器并行分段生成回波，拼接成最后的SAR 回波。该算法通过分布式平台实现，需要多台机器协作，且要求雷达飞行轨迹已知。而机载、弹载雷达的飞行轨迹随着导引信息，实时改变，无法预知。文献[2]通过FFT 快速实现SAR 回波算法，整个流程需要插值，降低了仿真效率。文献[3-5]推导了星载SAR 回波的快速生成算法。该算法是通过二维卷积获得时域回波，需要已知雷达的运行轨迹，要求雷达天线保持稳定。而机载、弹载雷达系统的天线受伺服系统的控制，要实时调整指向，因此该算法也不能直接应用。 本文根据文献[3-5]的推导方法，引入SAR 的慢时间概念，将常规回波仿真算法复杂的向量运算转化为卷积运算；并与脉冲压缩合并实现，直接得到脉冲压缩后的回波信号。通过这两步运算，该算法有效的提高了仿真效率。 同时本文分析了该算法与常规回波仿真算法的等价约束条件，说明这两种算法在一定的误差条件下等价；比较了两种算法的运算复杂度，证明本文算法有效的提高了仿真效率；最后本文通过仿真实验验证了该算法的正确性和高效性。为了说明方便，下面简称常规回波仿真算法为常规算法。 2 常规回波仿真算法 设雷达为脉冲体制，射频发射信号为： ()0()exp 2()t u t A j f t p t π=-? （1） 其中：A 为发射信号幅度，0f 为发射载频，()p t 为视频调制脉冲。 则第i 散射点的射频回波可以表示为：
雷达信号的脉冲压缩原理
第二章 脉冲压缩 2.1 概述 表2.1 窄脉冲高距离分辨力雷达的能力 窄脉冲具有宽频谱带宽。如果对宽脉冲进行频率或相位调制，那么它就可以具有和窄脉冲相同的带宽。假设调制后的脉冲带宽增加了B ，由接收机的匹配滤波器压缩后，带宽将等于1/B ，这个过程叫脉冲压缩。 脉冲压缩雷达不需要高能量窄脉冲所需要的高峰值功率，就可同时实现宽脉冲的能量和窄脉冲的分辨力。 脉冲压缩比定义为宽脉冲宽度T 与压缩后脉冲宽度τ的之比，即/T τ。带宽B 与压缩后的脉冲宽度τ的关系为1/B τ≈。这使得脉冲压缩比近似为BT 。即压缩比等于信号的时宽-带宽积。在许多应用场合，脉冲压缩系统常用其时宽-带宽 积表征。 这种体制最显著的特点是： ⑴ 它的发射信号采用载频按一定规律变化的宽脉冲，使其脉冲宽度与有效频谱宽度的乘积1B τ≥,这两个信号参数基本上是独立的，因而可以分别加以选择
来满足战术要求。在发射机峰值功率受限的条件下，它提高了发射机的平均功率P增加了信号能量，因此扩大了探测距离。 av ⑵在接收机中设置一个与发射信号频谱相匹配的压缩网络，使宽脉冲的发射信号（一般认为也是接收机输入端的回波信号）变成窄脉冲，因此保持了良好的距离分辨力。这一处理过程称之为“脉冲压缩”。 ⑶有利于提高系统的抗干扰能力。对有源噪声干扰来说，由于信号带宽很大，迫使干扰机发射宽带噪声，从而降低了干扰的功率谱密度。 当然，采用大时宽带宽信号也会带来一些缺点，这主要有： ⑴最小作用距离受脉冲宽度 限制。 ⑵收发系统比较复杂，在信号产生和处理过程中的任何失真，都将增大旁瓣高度。 ⑶存在距离旁瓣。一般采用失配加权以抑制旁瓣，主旁瓣比可达30dB~35dB 以上，但将有1dB~3dB的信噪比损失。 ⑷存在一定的距离和速度测定模糊。 总之，脉冲压缩体制的优越性超过了它的缺点，已成为近代雷达广泛应用的一种体制。 根据上面讨论，我们可以归纳出实现脉冲压缩的条件如下： ⑴发射脉冲必须具有非线性的相位谱，或者说，必须使其脉冲宽度与有效频谱宽度的乘积远大于1. ⑵接收机中必须具有一个压缩网络，其相频特性应与发射信号实现“相位共轭匹配”，即相位色散绝对值相同而符号相反，以消除输入回波信号的相位色散。 第一个条件说明发射信号具有非线性的相位谱，提供了能被“压缩”的可能性，它是实现“压缩”的前提；第二个条件说明压缩网络与发射信号实现“相位共轭匹配”是实现压缩的必要条件。只有两者结合起来，才能构成实现脉冲压缩的充要条件。 综上所述，一个理想的脉冲压缩系统，应该是一个匹配滤波系统。它要求发射信号具有非线性的相位谱，并使其包络接近矩形；要求压缩网络的频率特性（包括幅频特性和相频特性）与发射脉冲信号频谱（包括幅度谱与相位谱）实现完全的匹配。 根据这些要求，可用下面的框图来描述一个理想的脉冲压缩系统， 如图2.1所示。
雷达线性调频信号的脉冲压缩处理
题目：雷达线性调频信号的脉冲压缩处理 线性调频脉冲信号，时宽10us ，带宽40MHz ，对该信号进行匹配滤波后，即脉压处理，脉压后的脉冲宽度为多少？用图说明脉压后的脉冲宽度，内差点看4dB 带宽，以该带宽说明距离分辨率与带宽的对应关系。 分析过程： 1、线性调频信号（LFM ） LFM 信号(也称Chirp 信号)的数学表达式为： 式中c f 为载波频率，()t rect T 为矩形信号， 上式中的up-chirp 信号可写为： 当TB>1时，LFM 信号特征表达式如下： 对于一个理想的脉冲压缩系统，要求发射信号具有非线性的相位谱，并使其包络接 近矩形； 其中)(t S 就是信号s(t)的复包络。由傅立叶变换性质，S(t)与s(t)具有相同的幅频特性，只是中心频率不同而已。因此，Matlab 仿真时，只需考虑S(t)。以下Matlab 程序产生S(t)，并作出其时域波形和幅频特性，程序如下： T=10e-6; %脉冲时宽 10us B=40e6; %带宽 40MHz K=B/T; Fs=2*B;Ts=1/Fs; N=T/Ts; t=linspace(-T/2,T/2,N); St=exp(j*pi*K*t.^2); subplot(211) plot(t*1e6,St); xlabel('t/s'); title('线性调频信号'); grid on;axis tight; subplot(212) freq=linspace(-Fs/2,Fs/2,N); plot(freq*1e-6,fftshift(abs(fft(St)))); xlabel('f/ MHz'); title('线性调频信号的幅频特性');
激光脉冲原理与调Q原理
激光脉冲原理与调Q原理 按照输出激光的时间特性，激光器可以分为连续激光器和脉冲激光器，脉冲激光的脉宽主要是纳秒，微秒和飞秒。 连续激光器连续不断地输出激光，输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作(激光通信，激光手术等)的场合；以连续光源激励的固体激光器，以连续电激励方式工作的气体激光器及半导体激光器，均属于连续激光器。 脉冲激光器：是指每间隔一定时间才输出一次激光的激光器，一般具有较高的峰值功率，适合于激光打标，切割，测距等应用。常见的脉冲激光器包括：固体激光器中的钇铝石榴石(YAG)激光器，红宝石激光器，蓝宝石激光器，钕玻璃激光器等，还有氮分子激光器，准分子激光器等。 脉冲激光器的关键参数： 平均功率：表征在一个完整的周期内(脉冲周期)能量输出的平均速率 峰值功率：表征一个脉冲内(脉宽)输出的能量的速率 脉冲周期：从一个脉冲开始到下一个脉冲的开始之间的间隔(和重复频率是倒数关系) (重复频率：每秒内输出的脉冲个数)
脉宽：一个脉冲的持续时间(例如，一台激光器每秒内输出一个能量为0.5J的激光脉冲，那么它的平均功率就是0.5W；如果相同一台单脉冲能量为0.5J的激光器的脉宽为1微妙，那么它的峰值功率为500000W) 脉冲激光器的分类： 1.长脉冲激光器： 长脉冲激光也被称为准连续激光器，一般产生毫秒ms量级的脉冲，占空比为10%(比较大)；脉冲时间通常为1.5—100ms不等，常用的长脉冲激光包括翠绿宝石激光，半导体激光，Nd:YAG激光，染料激光，红宝石激光，超脉冲CO2激光，铒激光等 2．巨脉冲激光器(调Q激光器)： 在激光腔体内人为的加入损耗，使其大于工作物质的增益，这时抑制激光输出。但在泵浦源持续不断的激励下，激光上能级的原子数越来越多，得到了较大的粒子数反转，不断积累能量。在撤除人为加入的损耗情况下，就会在很短的时间内以极快的速度产生脉冲宽度窄，峰值功率高的脉冲激光，通常称为巨脉冲。 调Q： 调Q是许多商用激光器产生脉冲激光的主要方式，为研究出真正具有实用价值的激光器，需不断改进其性能，提高效率和功率、压缩脉冲宽度、改变输出频率。为此，发明了多种激光调制技术、传输技术、调Q技术、锁模技术、选模技术、稳频技术、频率变换技术等。 实现调Q技术的方法：
脉冲压缩技术研究
雷达系统 课程论文(设计) 题目脉冲压缩技术研究 学生姓名鲁建彬 学号20111227362 院系电子与信息工程学院 专业信号与信息处理 指导教师葛俊祥 二〇一二年六月十八日
脉冲压缩技术研究 鲁建彬 11级信号与信息处理 20111227362 摘要：脉冲压缩技术是雷达信号处理的关键技术之一。文中主要从信号形式、优势和不足、应用场合等方面介绍了线性调频、巴克码、多相码、非线性调频等几类常用脉冲压缩信号。并针对一个雷达应用实例，利用Matlab对线性调频信号的脉冲压缩经行了仿真，对比压缩前后的回波信号，从而直观地看出脉冲压缩对雷达探测能力的改善。 关键词：脉冲压缩调频信号编码信号信号仿真 一、引言 脉冲压缩技术是雷达信号处理的关键技术之一。主要是通过发射许多具有脉内调制的足够宽的脉冲，从而在峰值功率不太高的情况下也能给出所需的平均功率，然后，在接收时用解调办法将收到的回波“压缩”起来，解决了距离分辨率与作用距离之间的矛盾。现代雷达信号处理中常用的脉冲压缩主要有应用最广的线性调频信号脉压、巴克码信号脉压、多相码信号脉压、非线性调频信号脉压等几类。 本文在首先总结了脉冲压缩的基本原理的基础上从信号形式、优势和不足、应用场合等方面介绍这几类常用脉冲压缩信号。最后就最为普遍的线性调频信号经行了进一步分析，利用Matlab对某个雷达的回波经行了仿真，对比脉冲压缩前后的回波信号，加深了对脉冲压缩的认识。 二、脉冲压缩的基本原理 随着雷达技术的发展和雷达应用领域的不断扩大，雷达的作用距离、分辨能力和测量精度等性能指标必须得到相应的提高。然而，根据已有的分析可知，当噪声的功率谱密度一定时，对信号而言的检测能力取决于信号能量E。而对简单的恒定载频矩形脉冲信号，其信号能量为其峰值功率与信号能量的乘积，即E=PT。于是通过加大信号能量以增加雷达的作用距离可以考虑两个途径：提高峰值功率P或增大脉冲宽度T。由于P的提高受到发射管最大允许峰值功率和传输线功率容量等因素的限制，因此在考虑发射机最大允许平均发射功率范围内，增大脉冲宽度T，这样还有利于测速精度和速度分辨率的提高。然而对恒定载频单脉冲信号，我们有B=1/T，因此T的增大等效为信号带宽的减小。根据距离分辨率的表达式
超短脉冲激光烧蚀技术应用探究
超短脉冲激光烧蚀技术应用探究 近年来随着超短脉冲激光烧蚀技术的发展，该技术被广泛应用于工业领域。短脉冲激光与物质相互作用时间介于纳秒与飞秒之间，其峰值功率可达兆瓦级，因此在加工中可应用于高精度、高硬材料的精细加工上，同时也可以实现材料的三维加工，该方式称为“冷”加工。文章旨在介绍超短脉冲技术的应用研究，使人们对该技术有一定的宏观认识。 标签：超短脉冲；激光烧蚀；应用探究；宏观认识 1 短脉冲激光器与金属相互作用理论 短脉冲诱导烧蚀材料的过程的建立需要一定的时间，并且与激光强度有直接关系。当脉宽给定时，只有当激光场的强度超过一定值时，形成的等离子体才能发生不可逆的损伤阈值，该阈值范围通常以激光的能流阈值表示。根据文献指出，脉冲宽度从连续到几十个皮秒范围内，烧蚀过程为离子雪崩过程，开始于内部电子。通过对超短脉宽烧蚀阈值的研究发现，当偏离了脉冲宽度平方根法则的时候，能量在很大范围内变动均可引起材料的烧蚀，如图1所示为超短脉冲激与金属作用的过程。 当前人们于超短脉冲激光烧蚀物质的机理和研究还没有获得完全的认知，研究的模型是将物质看做一个总体的系统去考虑，只有达到了该物质的沸点或熔点时，使得物质蒸发或者熔化而使材料被去除。应用傅里叶传热模型对上述过程可进行具体的描述，但是他不适用于描述和分析超短脉冲激光与金属薄膜或者介质膜的作用过程。原因是由于载流子的特征尺寸与膜层的厚度相当，同时其特征时间与传输能量的时间接近。 当超短脉冲激光与金属材料作用发生激光烧蚀时，材料的表面的电子吸收激光的能量后变为非平衡状态，发生了相互制约的现象。造成电子爆炸运动速度接近于费米速率。同时热电子通过碰撞作用使得内部电子获得加热，之后参与碰撞的电子达到短暂的呈费米分布的热平衡态。电子与晶格通过碰撞耦合效应，使得电子温度降低和晶格温度升高，最终电子温度与材料的晶格温度达到平衡。 2 短脉冲激光烧蚀研究方法 激光烧蚀的研究方法包括：实验方法测定，理论计算分析和数值模拟。实验方法能够准确的对后两种方法进行检验。但实验方法需要的成本巨大。理论计算分析和数值模拟方法是一种对于研究激光烧蚀问题的非常有的方法，其理论分析过程非常严谨，但是也存在一定的边界条件限制，需要进行相应的假设，处理问题的范围有限。但其可低成本、高精度模拟短脉冲烧蚀机理内的复杂问题，一直是各大科研院校应用的最广泛的方法。若条件允许会采用实验方法进行验证，不断修正算法达到近乎理想的模拟及精密数值计算水平。