电流调谐半导体激光器绝对距离测量技术研究

发布时间：2017-10-18 01:13

  本文关键词：电流调谐半导体激光器绝对距离测量技术研究

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【摘要】：调频连续波(FMCW)激光绝对距离测量技术具备非接触测量、脱离导轨、不依赖合作目标和无需太多人工干预等优势,具备测量精度高、测量范围大和自动化程度高的特点,是获取大尺寸目标三维信息的重要途径。电流调谐半导体激光器因其封装尺寸小、使用灵活、调谐速度快、价格低廉的优势逐渐成为FMCW激光绝对距离测量的理想光源。本文主要研究了采用电流调谐半导体激光器作为激光光源的FMCW绝对距离测量系统,设计了光电锁相环系统对电流调谐半导体激光器的调频非线性进行了校正,并搭建了基于非线性校正半导体激光器的FMCW绝对距离测量实验系统,验证了其测量精度和重复性。首先,研究了FMCW激光绝对距离测量的原理以及对称三角波方式调频(STFMCW)抑制振动影响的原理,分析了调频非线性对测距的影响。其次,对调频非线性校正方法进行了研究,包括迭代算法预校正、基于光电锁相环的闭环校正,详细分析了光电锁相环的结构以及数学模型,重点研究了其主要参数以及对测距的影响;设计了一种基于割线法的迭代预校正算法,并给出了其数学模型以及算法流程。然后,详细介绍了光电锁相环系统的具体实现方案以及光电锁相环各个模块参数的测量方法,设计了数学模型,对参数计算结果进行了仿真验证;设计了DDS标准源以向光电锁相环提供稳定而准确的参考信号。最后,对所设计的DDS标准源进行了测试和评估,实验验证了迭代算法预校正的校正效果,制作并调试了光电锁相环电路,将迭代算法预校正以及光电锁相环相结合最终实现了稳定且高精度的闭环锁定,实现了对电流调谐半导体激光器的线性调频,对锁定效果进行了测试评估,并实现了频率牵引和任意波形调频;利用锁定后的激光器进行了FMCW测距实验,给出了标定方法,通过与双频激光干涉仪的测距比对,证明测距系统具有较高的测量精度和良好的重复性,对振动目标进行了测量,验证了对称三角波方式调频对振动影响的抑制能力,结合所建立的数学模型分析了测距系统的噪声及误差来源。
【关键词】：调频连续波 电流调谐 绝对距离测量 光电锁相环 非线性校正
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题背景及研究意义9-12
• 1.1.1 FMCW激光绝对距离测量技术概况9-11
• 1.1.2 电流调谐半导体激光器调频技术的研究现状11-12
• 1.2 论文的主要研究内容12-14
• 第2章 FMCW绝对距离测量及调频非线性研究14-23
• 2.1 引言14
• 2.2 FMCW绝对距离测量原理14-19
• 2.3 激光器调频非线性对测量的影响19-21
• 2.4 半导体激光器调频非线性特性21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第3章 电流调谐半导体激光器调频非线性校正方法23-42
• 3.1 引言23-24
• 3.2 锁相环基本理论24-30
• 3.2.1 锁相环阶数与类型26
• 3.2.2 锁相环的跟踪特性26-27
• 3.2.3 锁相环带宽与环路增益27-30
• 3.2.4 锁相环相位裕度30
• 3.3 光电锁相环数学模型分析30-36
• 3.3.1 光电锁相环各模块模型分析31-32
• 3.3.2 光电锁相环的小信号分析32-34
• 3.3.3 激光器的频率锁定34-35
• 3.3.4 锁定不确定度对测距重复性的影响35-36
• 3.4 迭代算法预校正方法36-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 电流调谐半导体激光器光电锁相环系统设计42-61
• 4.1 引言42
• 4.2 光电锁相环系统42-45
• 4.3 分模块参数测量45-47
• 4.3.1 等效VCO增益系数测量45-46
• 4.3.2 鉴相器参数测量46-47
• 4.4 环路滤波器设计与仿真47-55
• 4.4.1 参数计算47-54
• 4.4.2 参数仿真54-55
• 4.5 基于DDS的标准信号源设计55-59
• 4.6 本章小结59-61
• 第5章 实验系统搭建与分析61-77
• 5.1 引言61
• 5.2 DDS标准源测试61-62
• 5.3 迭代算法预校正效果测试62-64
• 5.4 光电锁相环校正效果测试64-70
• 5.4.1 锁定效果评估64-68
• 5.4.2 频率牵引68-69
• 5.4.3 任意波形调频69-70
• 5.5 测距实验70-74
• 5.5.1 系统标定70-71
• 5.5.2 测距比对71-72
• 5.5.3 单目标重复性测试72-73
• 5.5.4 振动目标测量73-74
• 5.6 误差影响因素分析74-75
• 5.7 本章小结75-77
• 结论77-79
• 参考文献79-85
• 致谢85

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本文编号：1052095