垂直腔面發(fā)射激光器自混合傳感與光學(xué)定位跟蹤技術(shù)研究.pdf_第1頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、本論文是在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與美國微軟公司西雅圖硬件部合作的《激光自混合多普勒跟蹤》、《光纖激光自混合多普勒跟蹤》和《二維光學(xué)定位跟蹤》三個(gè)研究項(xiàng)目背景下進(jìn)行的。 半導(dǎo)體激光自混合效應(yīng)傳感技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高及非接觸性等顯著優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)速度、距離、振動(dòng)等物理量的傳感測(cè)量,已成為當(dāng)前光學(xué)傳感領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。本文對(duì)新型單縱模垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)自混合效應(yīng)傳感技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究,研制了高精度的VCSEL自混合測(cè)

2、速系統(tǒng)、測(cè)距系統(tǒng)、測(cè)振系統(tǒng)以及雙眼法實(shí)時(shí)二維光學(xué)三角定位跟蹤系統(tǒng),獲得了豐碩的高新技術(shù)創(chuàng)新性成果。 本文的主要成果如下: 1.用三鏡腔模型和激光器速率方程深入研究了激光自混合效應(yīng)傳感的基本原理,數(shù)值模擬得到對(duì)激光器電流進(jìn)行調(diào)制時(shí)不同反饋程度下的自混合信號(hào),由自混合信號(hào)模擬重構(gòu)出外界反饋物體的振動(dòng)波形,理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。 2.研制成功出VCSEL自混合測(cè)速系統(tǒng),采用VCSEL動(dòng)態(tài)連續(xù)三角波電流調(diào)制方法在5.2

3、mm/s~479mm/s速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的方向判別和精度優(yōu)于3.1%的絕對(duì)速度測(cè)量。該系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了液體流速測(cè)量。 3.研究了聚合物光纖作為光傳輸介質(zhì)對(duì)VCSEL自混合測(cè)速信號(hào)的影響,首次觀察到自混合信號(hào)的波形畸變和頻譜展寬現(xiàn)象。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明聚合物光纖端面較大的散射光接收角是引起自混合信號(hào)波形畸變和頻譜展寬的最主要原因。 4.研制成功VCSEL自混合測(cè)距系統(tǒng),提出用差頻模擬鎖相技術(shù)在80~480mm距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)

4、了誤差小于2mm的絕對(duì)距離測(cè)量。同時(shí)深入分析了自混合測(cè)距系統(tǒng)中信號(hào)相位的突變、采樣時(shí)間、調(diào)制三角波頻率和幅度、VCSEL調(diào)制特性等因素對(duì)測(cè)距精度的影響,優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù)。 5.研制成功聚合物光纖傳光的VCSEL自混合測(cè)振系統(tǒng),在光纖出射端面到散射表面最大工作距離為49mm的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)測(cè)量。研究表明光纖長(zhǎng)度、光纖彎曲、環(huán)境溫度變化等因素對(duì)激光自混合效應(yīng)影響較小。6.研制成功實(shí)時(shí)二維光學(xué)三角定位跟蹤系統(tǒng),在80mm×100m

5、m工作范圍內(nèi),系統(tǒng)分辨率高于0.1mm、定位精度優(yōu)于2mm。同時(shí)深入分析了定位系統(tǒng)的基本特性如視角、工作范圍、定位精度等與各影響因素之間的關(guān)系,詳細(xì)分析了系統(tǒng)測(cè)量誤差來源,發(fā)現(xiàn)成像鏡頭大視角的高階畸變是引起定位誤差的最主要原因,并給出了準(zhǔn)確的理論公式和誤差修正公式。 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括: 1.提出用動(dòng)態(tài)連續(xù)三角波電流調(diào)制方法研制成功VCSEL自混合測(cè)速系統(tǒng),在5.2mm/s~479mm/s速度范圍內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的方向

6、判別和精度優(yōu)于3.1%的絕對(duì)速度測(cè)量。該結(jié)果優(yōu)于飛利浦公司2002年報(bào)道的在0~150mm/s速度范圍內(nèi)測(cè)量精度達(dá)到6%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2.首次觀察到聚合物光纖作為VCSEL自混合測(cè)速系統(tǒng)的傳光介質(zhì)時(shí)自混合信號(hào)的波形分立和頻譜展寬現(xiàn)象,并作了合理的物理解釋。 3.提出用差頻模擬鎖相處理自混合信號(hào)的技術(shù),研制成功了精度優(yōu)于2mm的VCSEL自混合測(cè)距系統(tǒng)。該成果已經(jīng)申請(qǐng)美國專利。 4.首次研制成功采用聚合物光纖傳光的

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