基于鎖模激光的相干多普勒激光雷達(dá)研究.pdf

1、相干多普勒激光雷達(dá)是測(cè)量遙感風(fēng)場(chǎng)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度的有力工具。相干多普勒激光雷達(dá)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(dá)發(fā)射源方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文從理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)基于鎖模激光的相干多普勒激光雷達(dá)進(jìn)行了研究。
　　理論上，在單頻外差探測(cè)原理的基礎(chǔ)上，考慮了具有m+1個(gè)模式、縱模間隔為ω的本振光,與發(fā)生了Δω頻移的信號(hào)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(shí)現(xiàn)相干混頻,并可以通過(guò)低通濾波或FFT頻譜分析的方式檢測(cè)出差頻信號(hào)。利用這一理論模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算,分析了信號(hào)光在不同的頻移值時(shí)的拍頻波形,討論了實(shí)現(xiàn)相干探測(cè)本振光與信號(hào)光應(yīng)滿足的條件。
　　基于相干多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)發(fā)射光源的要求,進(jìn)行了鎖模激光器的實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)使用不同的鎖模器件得到鎖模激光輸出,其中主動(dòng)鎖模和調(diào)Q主動(dòng)鎖模都獲得了單脈沖寬度在百皮秒量級(jí)、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(duì)被動(dòng)鎖模、主動(dòng)鎖模、調(diào)Q主動(dòng)鎖模的激光輸出特性進(jìn)行了對(duì)比研究,主動(dòng)鎖模脈沖序列包絡(luò)時(shí)間較長(zhǎng)但峰值功率較低,而調(diào)Q主動(dòng)鎖模峰值功率高但包絡(luò)時(shí)間較短,不同類型的激光輸出為后續(xù)的相干測(cè)速實(shí)驗(yàn)提供了多種選擇。
　　利用聲光移頻器模擬外差探測(cè)中信號(hào)光發(fā)生的多普勒頻移,進(jìn)行了鎖模激光拍頻實(shí)驗(yàn)研究,并與單縱模激光拍頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。使用鎖模激光在頻移為30-80MHz的范圍內(nèi)進(jìn)行了拍頻實(shí)驗(yàn)研究,拍頻波形及信號(hào)處理的結(jié)果均與理論分析相符,測(cè)

4、量結(jié)果的相對(duì)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(jìn)行拍頻,在信號(hào)光頻移為150 MHz時(shí)測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差分別為3.7%和1.6%。對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)較大,而鎖模脈沖序列由于具有較長(zhǎng)包絡(luò)時(shí)間,在測(cè)量較低頻移值時(shí)仍具有較高的精度,即測(cè)量低速目標(biāo)時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)。在具有較長(zhǎng)包絡(luò)時(shí)間的同時(shí),鎖模激光還具有高峰值功率和窄脈寬的特點(diǎn)。使用光纖耦合的方式進(jìn)行

5、了相干拍頻實(shí)驗(yàn),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(jì)并建立了相干多普勒激光雷達(dá)測(cè)速系統(tǒng),利用高速旋轉(zhuǎn)的圓盤模擬外差探測(cè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo),通過(guò)相干拍頻并濾波的方式得到了信號(hào)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(guò)改變鎖模激光器諧振腔內(nèi)調(diào)Q晶體的初始透過(guò)率,討論了不同包絡(luò)寬度的探測(cè)光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。其中包絡(luò)時(shí)間較長(zhǎng)的探測(cè)光回波信號(hào)較弱,但是測(cè)量結(jié)果更為穩(wěn)定;包絡(luò)時(shí)間較短