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基于锁模激光的相干多普勒激光雷达研究

作　者: 白岩
导　师: 任德明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 相干探测锁模多普勒激光雷达测速声光移频器
分类号: TN958.98
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

相干多普勒激光雷达是测量遥感风场和运动目标速度的有力工具。相干多普勒激光雷达的发射源普遍使用单纵模激光器，而锁模激光所具有的宽频谱、窄脉宽、高峰值功率等特性使其在作为相干激光雷达发射源方面具有潜在的应用价值。本文从理论上和实验上对基于锁模激光的相干多普勒激光雷达进行了研究。理论上，在单频外差探测原理的基础上，考虑了具有m+1个模式、纵模间隔为ω的本振光，与发生了Δω频移的信号光相干拍频后的理论模型，证明了相位差恒定的锁模激光可以实现相干混频，并可以通过低通滤波或FFT频谱分析的方式检测出差频信号。利用这一理论模型进行了数值模拟计算，分析了信号光在不同的频移值时的拍频波形，讨论了实现相干探测本振光与信号光应满足的条件。基于相干多普勒激光雷达系统对发射光源的要求，进行了锁模激光器的实验研究。通过使用不同的锁模器件得到锁模激光输出，其中主动锁模和调Q主动锁模都获得了单脉冲宽度在百皮秒量级、锁模深度100%、锁模几率95%以上的稳定的锁模脉冲序列输出。对被动锁模、主动锁模、调Q主动锁模的激光输出特性进行了对比研究，主动锁模脉冲序列包络时间较长但峰值功率较低，而调Q主动锁模峰值功率高但包络时间较短，不同类型的激光输出为后续的相干测速实验提供了多种选择。利用声光移频器模拟外差探测中信号光发生的多普勒频移，进行了锁模激光拍频实验研究，并与单纵模激光拍频实验结果进行了比较。使用锁模激光在频移为30~80MHz的范围内进行了拍频实验研究，拍频波形及信号处理的结果均与理论分析相符，测量结果的相对误差在0.5%以下。分别使用脉宽为10ns和16ns的调Q单纵模脉冲进行拍频，在信号光频移为150MHz时测量结果的相对误差分别为3.7%和1.6%。对比实验结果发现，调Q单纵模脉冲由于有限的脉宽限制了拍频后包络的数量，导致误差相对较大，而锁模脉冲序列由于具有较长包络时间，在测量较低频移值时仍具有较高的精度，即测量低速目标时更具有优势。在具有较长包络时间的同时，锁模激光还具有高峰值功率和窄脉宽的特点。使用光纤耦合的方式进行了相干拍频实验，得到了稳定的相干拍频波形，FFT频谱分析的结果与设定值和理论分析相符。设计并建立了相干多普勒激光雷达测速系统，利用高速旋转的圆盘模拟外差探测时的运动目标，通过相干拍频并滤波的方式得到了信号光的多普勒频移值，算得系统的视向速度误差小于0.4m/s。通过改变锁模激光器谐振腔内调Q晶体的初始透过率，讨论了不同包络宽度的探测光对测量结果的影响。其中包络时间较长的探测光回波信号较弱，但是测量结果更为稳定；包络时间较短的探测光回波信号较强，但是单次测量的相对误差可能较大，可以通过多次测量取平均的方式降低误差。针对拍频波形无法辨别目标方向的问题，使用了对本振光附加频移的超外差方法，实验结果表明可以根据此方法获知目标的速度和方向信息。在转盘顺时针旋转和逆时针旋转时进行了相干拍频实验，获得的频差值与实际值相符，均值的相对误差分别小于2%和1%，根据频差值获得的视向速度曲线与实际速度曲线吻合较好。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第1章绪论  12-24
  1.1 课题背景  12-13
  1.2 相干多普勒激光雷达国内外研究进展  13-17
    1.2.1 国外研究进展  13-16
    1.2.2 国内研究进展  16-17
  1.3 锁模激光相干国内外研究进展  17-20
    1.3.1 国外研究进展  17-19
    1.3.2 国内研究进展  19-20
  1.4 现状分析  20-22
  1.5 本文的主要内容  22-24
第2章锁模激光相干理论  24-38
  2.1 引言  24
  2.2 理论基础  24-30
    2.2.1 激光多普勒测速原理  24-25
    2.2.2 单频外差探测原理  25-26
    2.2.3 锁模激光相干理论模型  26-30
  2.3 数值模拟  30-36
  2.4 相干条件  36-37
  2.5 本章小结  37-38
第3章锁模固体激光器实验研究  38-51
  3.1 引言  38
  3.2 锁模激光器实验方案  38-44
    3.2.1 锁模器件的选择  38-40
    3.2.2 被动锁模激光器  40-41
    3.2.3 主动锁模激光器  41-43
    3.2.4 调 Q 主动锁模激光器  43-44
  3.3 锁模激光输出特性研究  44-50
    3.3.1 被动锁模激光输出  44-45
    3.3.2 主动锁模激光输出  45-47
    3.3.3 调 Q 主动锁模激光输出  47-48
    3.3.4 激光输出能量比较  48-50
  3.4 本章小结  50-51
第4章基于声光移频器的相干拍频实验研究  51-79
  4.1 引言  51
  4.2 单纵模激光拍频实验研究  51-59
    4.2.1 单纵模激光输出  51-55
    4.2.2 单纵模激光拍频实验方案  55-56
    4.2.3 单纵模激光拍频实验结果及分析  56-59
  4.3 自由空间拍频实验研究  59-74
    4.3.1 声光移频器原理和衍射效率测量  59-62
    4.3.2 自由空间拍频实验方案  62-63
    4.3.3 自由空间拍频实验结果及分析  63-73
    4.3.4 锁模激光拍频与单纵模激光拍频的对比分析  73-74
  4.4 光纤耦合拍频实验研究  74-77
    4.4.1 光纤耦合拍频实验方案  74-75
    4.4.2 光纤耦合拍频实验结果及分析  75-77
  4.5 本章小结  77-79
第5章相干多普勒激光雷达实验研究  79-106
  5.1 引言  79
  5.2 目标模拟装置  79-81
  5.3 多普勒测速实验研究  81-93
    5.3.1 多普勒测速实验方案  81-84
    5.3.2 多普勒测速实验结果及分析  84-93
  5.4 超外差多普勒测速实验研究  93-104
    5.4.1 超外差法方向判别原理  93-96
    5.4.2 超外差法实验结果及分析  96-104
  5.5 本章小结  104-106
结论  106-107
参考文献  107-116
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  116-118
致谢  118-119
个人简历  119

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