基于鎖模激光的相干多普勒激光雷達研究.pdf

1、相干多普勒激光雷達是測量遙感風場和運動目標速度的有力工具。相干多普勒激光雷達的發(fā)射源普遍使用單縱模激光器,而鎖模激光所具有的寬頻譜、窄脈寬、高峰值功率等特性使其在作為相干激光雷達發(fā)射源方面具有潛在的應(yīng)用價值。本文從理論上和實驗上對基于鎖模激光的相干多普勒激光雷達進行了研究。
　　理論上，在單頻外差探測原理的基礎(chǔ)上，考慮了具有m+1個模式、縱模間隔為ω的本振光,與發(fā)生了Δω頻移的信號光相干拍頻后的理論模型,證明了相位差恒定的鎖模激光

2、可以實現(xiàn)相干混頻,并可以通過低通濾波或FFT頻譜分析的方式檢測出差頻信號。利用這一理論模型進行了數(shù)值模擬計算,分析了信號光在不同的頻移值時的拍頻波形,討論了實現(xiàn)相干探測本振光與信號光應(yīng)滿足的條件。
　　基于相干多普勒激光雷達系統(tǒng)對發(fā)射光源的要求,進行了鎖模激光器的實驗研究。通過使用不同的鎖模器件得到鎖模激光輸出,其中主動鎖模和調(diào)Q主動鎖模都獲得了單脈沖寬度在百皮秒量級、鎖模深度100％、鎖模幾率95%以上的穩(wěn)定的鎖模脈沖序列輸出。

3、對被動鎖模、主動鎖模、調(diào)Q主動鎖模的激光輸出特性進行了對比研究,主動鎖模脈沖序列包絡(luò)時間較長但峰值功率較低,而調(diào)Q主動鎖模峰值功率高但包絡(luò)時間較短,不同類型的激光輸出為后續(xù)的相干測速實驗提供了多種選擇。
　　利用聲光移頻器模擬外差探測中信號光發(fā)生的多普勒頻移,進行了鎖模激光拍頻實驗研究,并與單縱模激光拍頻實驗結(jié)果進行了比較。使用鎖模激光在頻移為30-80MHz的范圍內(nèi)進行了拍頻實驗研究,拍頻波形及信號處理的結(jié)果均與理論分析相符,測

4、量結(jié)果的相對誤差在0.5%以下。分別使用脈寬為10ns和16ns的調(diào)Q單縱模脈沖進行拍頻,在信號光頻移為150 MHz時測量結(jié)果的相對誤差分別為3.7%和1.6%。對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),調(diào)Q單縱模脈沖由于有限的脈寬限制了拍頻后包絡(luò)的數(shù)量,導(dǎo)致誤差相對較大,而鎖模脈沖序列由于具有較長包絡(luò)時間,在測量較低頻移值時仍具有較高的精度,即測量低速目標時更具有優(yōu)勢。在具有較長包絡(luò)時間的同時,鎖模激光還具有高峰值功率和窄脈寬的特點。使用光纖耦合的方式進行

5、了相干拍頻實驗,得到了穩(wěn)定的相干拍頻波形,FFT頻譜分析的結(jié)果與設(shè)定值和理論分析相符。
　　設(shè)計并建立了相干多普勒激光雷達測速系統(tǒng),利用高速旋轉(zhuǎn)的圓盤模擬外差探測時的運動目標,通過相干拍頻并濾波的方式得到了信號光的多普勒頻移值,算得系統(tǒng)的視向速度誤差小于0.4 m/s。通過改變鎖模激光器諧振腔內(nèi)調(diào)Q晶體的初始透過率,討論了不同包絡(luò)寬度的探測光對測量結(jié)果的影響。其中包絡(luò)時間較長的探測光回波信號較弱,但是測量結(jié)果更為穩(wěn)定;包絡(luò)時間較短