這是一篇哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012年 物理電子學(xué)工學(xué)博士的畢業(yè)論文。相干多普勒激光雷達(dá)是測量遙感風(fēng)場和運(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可以實(shí)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(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。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 ~ 80 MHz 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， 測量結(jié)果的相對(duì)誤差在 0.5%以下。 分別使用脈寬為 10 ns和 16 ns 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包絡(luò)時(shí)間，在測量較低頻移值時(shí)仍具有較高的精度，即測量低速目標(biāo)時(shí)更具有優(yōu)勢。在具有較長包絡(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)行了相干拍頻實(shí)驗(yàn)，得到了穩(wěn)定的相干拍頻波形，F(xiàn)FT 頻譜分析的結(jié)果與設(shè)定值和理論分析相符。
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激光雷達(dá)
上傳時(shí)間：
2022-02-12
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