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1、全光纤激光相干测速技术研究 答 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者 签字日期：V 【 f 躲盛如 ：年弘卜同 I II IIII 3 2 4 知识产权保护协议 依据中华人民共和国促进科技成果转化法第二十八条和中国海洋大 学知识产权管理暂行规定( 2 0 0 4 7 2 0 ) 的有关规定，研究生王叠透( 以下简 称研究生) 与其导师型智逯熬援( 以下简称导师) 就知识产权保护事宜达成 如下协议： 1 、研究生在校期间从事科研工作所完成的学位论文以及不论是否写入学 位论文的其他成果属职务成果。研究生不得对上
2、述职务成果以自己或他人名义擅 自向第三方转让或泄漏。 2 、研究生离校后三年内，不得擅自将在校期间从事科研工作的相关数据、 研究结果和相关技术发表论文，不得擅自向第三方转让或泄漏。 3 、研究生离校后三年内，若进行重复及延续在校研究课题的科技项目，必 须经导师及中国海洋大学同意并协商知识产权分享事宜后，方可开展工作。 4 、若研究生违反上述规定，导师及中国海洋大学有权追究其法律责任，即： 要求其停止侵权行为、公开消除影响并予以经济赔偿。 5 、本协议双方签字之日起生效，有效期三年。 洲签字疬彳缅眵 州日 峻谤 ) l 荆 归 剁乙尸 魁 形卜 驴 全光纤激光相干测速技术研究 摘要 全光纤激光相
3、干测速技术，利用外差检测方式检测激光的多普勒频移来测量 物体的运动速度，速度的测量精度高，采用全光纤结构，系统的集成化程度高， 稳定性好。全光纤激光相干测速技术在低空风切变的监测，汽车的测速与定位等 领域有广阔的应用前景。 文章重点介绍了一种高精度1 5 5p , m 全光纤激光相干测速实验系统。实验系 统采用光纤激光器作为激光源，利用光纤激光放大器进行发射功率的放大，利用 光纤环行器与望远镜构成收发合置的光学天线，采用高速P I N 光电探测器进行 信号的检测，所有光学器件由单模光纤连接。数据处理采用快速傅立叶变换 ( F F T ) 频谱分析方法检测信号多普勒频移。 利用该系统进行了硬靶的
4、高精度测速以及水汽速率的检测。在硬靶测速实验 时，主要选取了铝片转靶，砂纸转靶以及砂轮转盘三种硬靶目标，测速的范围为 0 4m s 1 7m s ，硬靶速率测量的相对误差 2 t ( 2 2 5 ) Z 为系统采样率，t 最大信号多普勒频移。图2 6 ，2 7 分别为相干信号 的时域与F F T 变换后的频谱图： 图2 - 6 相干信号时域波形 图2 7 相干信号频域波形 O O O O O O n a6里。三日矗Is 全光纤激光相干测速技术研究 信号的频谱分辨率：a f = 鲁 ( 2 - 2 6 ) V 系统的速度分辨率：A v ：_ A f * , Z ( 2 2 7 ) Z N 为数据
5、采样的长度，五为激光波长。根据公式( 2 2 6 ) ，( 2 2 7 ) 提高信号 的频谱分辨率能够提高系统的测速精度。通常提高信号的频谱分辨率的方法：( 1 ) 减小信号的数据采样率疋，但根据采样定理，这种方法会造成测速范围的减小。 ( 2 ) 增大数据记录的长度N 。这种方法会造成系统的存储与计算的任务加重。 为了解决只对一个窄频带的范围进行细致观测的问题，提出了频谱细化的概 念，其基本思路是对信号频谱中的某一频段进行局部放大，也即在某一频率附近 局部增加谱线密度，实现可选择的频段分析。Z F F T 就是设法将感兴趣的那段窄 带谱移N o 频附近，再进行常规的F F T 运算【17 1
6、 具体实现过程如图2 8 。 图2 8Z F F ，r 算法实现过程 具体过程： 先将感兴趣的频段移至汐频附近j 再经过一个带宽为B 的低通滤波器( L P F ) ，得到一个序N g ( n ) ，g ( n ) 中只 包含y ( n ) 中厶O 5 B 频带的信息： 通过重新采样，即需要放大n 倍，则隔n 点取一点，最终也取N 点得到序列 r ( m ) ，经过F F T 之后得到的频谱分辨率4f _ - - f n N ，较N 点F F T 放大了n 倍。 我们对采样率f ，= 1 2 5M H z ，n = 2 0 ，N = 5 1 2 的一组数据分别进行N 点F F T 变换，N *
7、 n 点F F T 变换，N 点Z F F T 变换，数据结果如图2 9 。 由图2 - 9 的对比结果很容易看出，N 点Z F F T 的频谱分辨率L L N 点F F T 的频谱分辨 率提高n 倍，而且与N * n 点F F T 频谱分辨率相同。 1 6 全光纤激光相干测速技术研究 一5 1 2 。2 0F F T - - - - 一5 1 2F F T 量 ”5 1 2Z F F Tn = 2 0 羔 ， 夕； ： 、 _ ，；鼍。 瓣静。 量 舻蟛， - 、， - 了琵 H ￥一 I 图2 - 9 三种数据处理算法频域结果 对脉冲激光雷达进行数据处理时，为了确定不同高度对应的数据，需要
8、将采 样数据按照高度划分窗口，在每个窗口内进行F F T 变换，检测出不同高度窗口的 频谱信息。 窗口的划分一般会考虑脉冲的宽度，划分窗口的长度一般满足： ，竺坐( 2 2 8 ) 2 式中，C 为光速，为脉冲时间宽度。 对脉冲激光雷达不同高度窗口的F F T 数据处理示意图如图2 1 0 。 图2 1 0 不同高度窗口数据F F T 变换示意图 1 7 全光纤激光相干测速技术研究 3 全光纤激光相干测速实验系统 3 1 全光纤激光相干测速实验系统设计 3 1 1 设计方案原则 作为相干测速激光雷达先前探索性实验系统设计，为了给以后的相干测速激 光雷达的工程化和商品化做好准备，实验系统在方案设
9、计中遵循以下几点设计原 则： ( 1 ) 尽量使用光纤通信现有的技术以及设备，降低系统设计的成本。 ( 2 ) 系统的结构设计尽量简单，控制系统的体积，质量，功耗，为将来相干测 速激光雷达的集成化，小型化，量产化打开方便之门。 ( 3 ) 使用对人眼安全的光源，利用光纤来传导光，实现系统的方便安装与调试。 ( 4 ) 尽量使用模块化的设计，例如集成化的光电检测和数据采集模块。 3 1 2 总体设计方案 利用光纤激光器与光纤放大器组成激光发射源，利用光纤环行器与光学透镜 组组成收发合置的光学天线，利用高速P I N 光电探测器以及数据采集卡组成信号 检测设备。 系统的总体设计框图如图3 一l ：
10、 图3 一l 全光纤激光相干测速实验样机系统框图 1 8 全光纤激光相干测速技术研究 选用人眼安全的窄线宽光纤激光器( 允= 1 5 5 岬) ，输出功率6 4m W ，输 出的激光先经过光纤隔离器，光纤隔离器可以避免后续光路系统的光耦合回光纤 激光器，造成激光器的损伤。从光纤隔离器输出的光被光纤分支器分为两路，一 路作为本振光，一路作为信号光。信号光首先经过光纤激光放大器，光纤激光放 大器将信号光放大至0 1W ，放大后的信号光要经过光纤环行器至光学天线，由 于光纤环行器的传播方向为：1 专2 ，2 3 ，因此信号光几乎全部经端口2 进入可 变焦的光学天线，光学天线中在信号光由光纤进入空间的
11、端面处，一部分光被反 射回光纤，由光纤环行器的端口2 3 ，最终进入光电探测器，在有的相干测速 激光雷达的设计中将这部分光作为本振光，但大部分的信号光由光纤发射至空 间。 通过光学调焦系统，将信号光聚焦在移动目标区域，根据多普勒效应，由移 动目标散射回的信号光的频率将发生改变，变化量为。返回的信号光由光纤 环行器的端口2 寸3 ，经光纤耦合器后与本振光一起在P I N 高速光电探测器的光 敏面混频，混频产生的中频光电流信号经增益带宽积为2G H z 的信号调理电路的 滤波与放大后由高速数据采集卡采集。将采集数据进行F F T 变换至频域分析，检 测出多普勒信号谱峰的频移鲈，根据公式：v ：竺就
12、可求出移动目标的速 Z 宰C O S 度。 上述相干测速激光雷达的工作过程中，是通过调节变焦系统焦点的位置来确 定不同的探测位置。探测位置是根据光学透镜组的光学参数事先计算调校好的。 要获得相干光良好的混频效率，信号光与本振光的偏振方向应基本保持一 致。本振光与信号光是由同一束激光经过光纤分支器自然分束得到的，因此，两 束光具有确定的相位差及相同的偏振特性。另外，由于近程相干测速激光雷达的 探测距离一般在几百米范围内，大气对激光的退偏效应不是很明显【1 8 】。这样， 在每次测量周期内，都可以得到稳定的混频信号。 3 1 3 整机系统以及性能指标 全光纤激光相干测速整机系统如图3 2 ，实验系
13、统的性能指标如表3 1 。 1 9 全光纤激光相干测速技术研究 l o 骄掣 妙参鞘 表3 - 1 实验系统整体性能指标 激光波长 1 5 5 0r l m 激光功率 1 0 0m W 测速范围 3 0m s 测速精度m m s 光学接收孔径 6c m 探测方式连续光聚焦 光电响应率 1 8k V W 采样带宽 6 0 0M H z 由于信号检测模块的带宽B = 4 0M l l z ，系统可检测的最大多普勒频移掣麓= 4 0 M H z ，由公式( 2 1 ) 计算，系统的最大可测速度。3 0m s 。输出激光的线宽 5 0M H z ) 下降至很低的特点，在系统改进时可以考虑利用声 光调制
14、器( A O M ) 将系统的基频搬移到高频5 0M H z ，减少探测时R I N 噪声的 影响。 我们进一步选取本振光功率只= 0 1 ，O 2 ，0 3m w 三组不同的功率测量系 统的噪声，测量结果如图3 1 2 。由测量结果发现，不同的本振光功率时系统的噪 声差别不明显，仅低频时本振光强度噪声随着功率增大而增加，此结果进一步印 证了此系统探测器暗噪声远大于本振光散粒噪声的结论。根据此结果以及相干探 测的信噪比公式分析，为了提高系统的信噪比可以选择本振光功率稍大一些，系 统设计时选择本振光功率尸，= o 3m W 。 善 三 ； 善 薹 一P = 0 m W P = 0 2m W ，“
15、t j I I 一u 一j k _ 。l - J L - - L _ L _ ! ? 1 F 一- 一_ 虿一二1 ，_ ，? F _ ：工 r ? | T l _ - 一i _ n f 曼 i f r e q u e n o I M I - - I z 图3 1 2 不同本振光功率系统噪声 3 1 7 系统下一步改进重点 多普勒激光相干测速实验样机系统设计完成后，实际上系统并不能获得物体 的速度方向，仅仅能测量物体运动速度的大小，即物体的运动速率。要想真正的 测量物体的运动速度，需要在如图3 。1 所示的系统机构中，在光纤激光放大器 ( E D F A ) 之前加入声光调制器( A O M
16、) ，A O M 的作用是使发射信号光频率搬移 兀，此时最终相干检测的结果为五+ 矽( 矽为多普勒频移) ，这样就可以判断 全光纤激光相干测速技术研究 多普勒频移的正负，从而获得物体速度的方向【2 川。同时应满足鲈 2 5d B 。 全光纤激光相干测速技术研究 3 2 激光相干测速实验 3 2 1 转靶测速实验 实验系统的搭建：转靶测速实验的原理图如图3 1 3 。电机选用可调速o m 5 1 k 9 0 电机，调速的范围4 0 1 9 0 0r m i n ，在低速时电机的转速误差较小，而在高 速时电机的转速误差可达到1 5r m i n 。将一表面经砂纸打磨的铝片固定在转盘的 边缘，激光束聚焦在铝片的中心。转靶的距离为3m 。本实验系统利用光电测速 器测量铝
