合成孔径激光雷达系统调频激光器技术研究

论文摘要

合成孔径技术对成像雷达的空间分辨率有巨大的提升作用,可是其理论极限分辨率受信号源波长的限制,在微波波段已经很难有大的改善。因此随着合成孔径雷达技术的发展,世界各国的科学家都希望将合成孔径技术的使用范围推广至光波段以获得更高的空间分辨率。其中,对合成孔径激光雷达系统的调频激光器技术的研究显得尤为重要。根据合成孔径激光雷达的信号特点,本文对调频激光器技术展开研究,提出了采用腔长调节法获得激光线性调频信号,选择压电陶瓷微位移器作为调腔器件,并对压电陶瓷微位移器特性进行了理论分析。首先通过介绍压电材料的力学和电学特性以分析材料的压电常数,为了避免对电压驱动器性能的过高要求,使用压电陶瓷堆叠结构以实现位移累加,达到了微米量级的输出要求;然后通过分析压电片堆在交变电压激励下的响应特性,推导出等效电路,为后期实验工作做好了理论准备。为了满足测量激光器调腔器件位移输出的高精度要求,结合双光束干涉法提出了一种基于机器视觉技术的方法。首先对机器视觉测量系统的基本组成进行介绍,然后根据测量环境和测量对象的特点,有针对性地选择合理的数字图像处理算法,最后对一微位移器的位移输出进行测量。测量结果证明该方法的精度可达十纳米级,并且在其他高精度测量中有一定的通用性。在调频激光器系统设计中不仅需要对位移输出量的静态变化数值有精确测量,更需要对其动态位移输出进行实际测量,从而获得实际位移输出曲线。首先论证了频率曲线与调腔器件动态位移曲线之间的关系,然后介绍了外差探测技术以及激光多普勒测量系统,最后结合傅里叶分析法,对调腔器件动态位移进行了实际测量,获得了良好的结果。在准确掌握微位移器的位移输出特性之后,以稳频半外腔氦氖激光器为核心设计并实现了激光调频实验系统。首先对半外腔氦氖激光器的结构做一介绍,然后以此为基础研制了一套单纵模线性调频连续激光器实验系统,并在实验中解决了调腔法调频时信号功率有效利用率低的问题。为获得单纵模线性调频连续激光器的调频带宽,根据信号的特点,深入分析了当前激光频率测量方法的局限性,提出了一种宽带调频激光信号带宽的测量方法。测量实验结果表明该方法不受信号调频率的影响,可以实现激光调频信号的带宽测量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 合成孔径技术研究的历史与现状
• 1.1.1 合成孔径技术发展
• 1.1.2 逆合成孔径雷达技术发展
• 1.1.3 小型化SAR 技术发展
• 1.1.4 合成孔径激光雷达发展与现状
• 1.2 合成孔径激光雷达基本原理和研究意义
• 1.2.1 合成孔径与逆合成孔径基本原理
• 1.2.2 合成孔径激光雷达研究意义
• 1.3 合成孔径激光雷达相关激光技术
• 1.3.1 合成孔径激光雷达系统
• 1.3.2 激光外差接收系统
• 1.3.3 激光调频技术
• 1.4 论文的主要研究内容和章节安排
• 参考文献
• 第二章 激光器调腔微位移器
• 2.1 压电堆叠结构调腔微位移器
• 2.1.1 压电陶瓷材料特性
• 2.1.2 压电片堆位移输出量
• 2.2 调腔微位移器动态响应特性
• 2.2.1 非谐振工作压电振子
• 2.2.2 压电片堆动态响应特性
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于干涉图像灰度最佳估计的静态微位移输出测量
• 3.1 双光束干涉测量原理
• 3.2 机器视觉测量系统
• 3.2.1 机器视觉测量概述
• 3.2.2 机器视觉测量系统组成
• 3.2.3 视觉传感器CCD 相机的标定（校正）原理分析
• 3.3 干涉图像噪声抑制技术
• 3.3.1 均值滤波法
• 3.3.2 中值滤波法
• 3.3.3 维纳滤波法
• 3.4 微位移器静态位移输出测量实验
• 3.4.1 视觉传感器CCD 相机的标定（校正）实验
• 3.4.2 干涉图像灰度值最佳估计
• 3.4.3 微位移器测量实验与分析
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于傅里叶分析和激光外差技术的微位移器动态位移输出测量方法
• 4.1 调频曲线与微位移器动态输出位移
• 4.1.1 线性调频与动态位移理想曲线
• 4.1.2 升锯齿波驱动微位移器输出曲线
• 4.2 外差探测技术
• 4.2.1 外差探测原理
• 4.2.2 激光多普勒测量系统
• 4.3 基于微位移器动态位移傅里叶分析的激光多普勒测量系统
• 4.3.1 微位移器动态位移输出曲线的傅里叶分析
• 4.3.2 测量原理
• 4.3.3 测量实验与分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 半外腔调频激光器设计
• 5.1 半外腔氦氖激光器结构介绍
• 5.1.1 放电管
• 5.1.2 反射镜
• 5.2 半外腔氦氖激光器调频理论分析
• 5.2.1 激光线性调频理论分析
• 5.2.2 半外腔激光器调频曲线分析
• 5.3 半外腔调频氦氖激光器谐振腔设计与实验
• 5.3.1 短腔法获得单纵模
• 5.3.3 激光器共振腔调整方法
• 5.4 半外腔调频氦氖激光器调腔微位移器驱动设计
• 5.4.1 高效调腔微位移器驱动电路
• 5.4.2 实验测试分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 激光线性调频信号与带宽测量
• 6.1 连续激光线性调频信号
• 6.1.1 激光线性调频信号波形
• 6.1.2 激光线性调频信号频率非线性
• 6.2 光频测量介绍
• 6.2.1 传统的光频测量
• 6.2.2 基于飞秒脉冲激光频率梳技术的光频测量方法
• 6.2.3 激光线性调频信号带宽测量特殊性
• 6.3 连续激光线性调频信号带宽测量
• 6.3.1 多光束干涉原理
• 6.3.2 共焦球面扫描干涉仪
• 6.3.3 连续激光线性调频信号测量理论分析
• 6.4 测量实验
• 6.4.1 测定共焦腔自由光谱区所对应的电压变化量
• 6.4.2 测量激光器调频带宽对应电压
• 6.4.3 调频激光器调频带宽值结果与分析
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 作者在读期间研究成果