基于半导体激光器的宽带扫频干涉测量方法研究

发布时间：2021-03-29 08:04

　　飞机外壳制造、飞行器设计、船舶外形定型等方面需要高精度、高效率的测量和检测手段。激光扫频干涉测量方法具有精度高、能进行非合作目标测量以及能够全方位全角度测量目标的优点。扫频干涉是外差干涉,因此可以获得较高的信噪比,近年来成为绝对距离测量领域研究热点。对于测距系统来说,其测距精度正比于扫频带宽,可以通过增加扫频带宽的方法提高测距系统精度。本文重点研究扩展半导体激光器的扫频带宽方法,通过频谱拼接的方式实现了宽带的扫频测量。本文针对两种半导体激光器,DFB激光器和阵列式DFB激光器,分别提出两种不同的扩展扫频带宽的方式。本文主要研究内容有如下几点:（1）研究扫频干涉测距原理,利用频率采样法和迭代算法预校正两种方法进扫频非线性校正,消除由激光扫频非线性带来的频谱展宽。根据测距原理和方案搭建了实验光路,完成针对两种半导体激光器的扫频实验。（2）针对DFB激光器,采用电流调谐与温度相结合的调谐方式,在电流调频的情况下,温度从12℃变化到31℃。预先利用外腔激光器通过气室标定辅助路相位变化与光频变化关系后,进行测量实验。根据不同温度下气室路信号气体吸收峰的绝对波长值以及信号的相位变化量,可以得到不同... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

激光FMCW绝对距离测量系统光路示意图

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-7-因此，在平衡探测器上探测到的测量路信号相比于参考路信号会有延时，如图2-2中延时由表示，测量路信号与参考路信号的频率变化不是完全一致的，他们之间相差一个固定频率值即拍频信号bf，扫频周期为T，初始扫频频率为0f，扫频带宽为B。图2-2利用拍信号测距原理图测量光与参考光的振幅可以表示为：()sin()ttttutat(2-1)()sin()rrrrutat(2-2)式中，ttπ2f，rrπ2f测量路与参考路信号干涉后产生的信号为2222222()()()()()2()()cos(22)cos(22)22cos[()()]2cos[()()]trtrtrtrtttrrrtrtrtrtrtrtrItSututSututututSaaatataataa(2-3)式中，S为探测器的灵敏度。由式(2-3)可知，测量路与参考路信号干涉后产生的信号包含了直流分量、倍频分量以及和频与差频分量，但平衡探测器由于有限的探测带宽，只能够探测到干涉信号的差频分量。测量路的光与参考路的光在平衡探测器上探测后得到的电信号可表示为()cos(2π)trItSaaft(2-4)式中，拍信号频率btrffff，为相位差。设τ是延时时间，R是目标距离，那么参考光的相位可以表示为

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-11-图2-3非线性扫频下的拍信号频谱展宽示意图当测量两个距离很近的空间目标时，因为调频非线性导致频谱的展宽，导致两目标对应的频谱主峰发生交叠，如图2-4所示，测距系统的分辨率很低，无法提取各自的频谱，导致无法分辨两目标，无法实现高精度测量。图2-4测量分辨率由于频谱展宽降低示意图线性电流调制激光器能够输出波长也线性变化的激光。由于激光输出频率与输出波长成反比关系，因此采用线性电流调谐的激光器输出的激光频率必然是非线性的。增大扫频速率，激光器固有的扫频非线性将变得更加严重。本课题采用的是DFB激光器，如图2-5所示的为激光器输出的静态频率值随注入电流的变化关系曲线。从图中可以很明显地看出DFB激光器线性电流调谐所产生的频率的非线性。


本文编号：3107229