垂直腔面发射激光器自混合传感与光学定位跟踪技术研究

论文摘要

本论文是在中国科学技术大学与美国微软公司西雅图硬件部合作的《激光自混合多普勒跟踪》、《光纤激光自混合多普勒跟踪》和《二维光学定位跟踪》三个研究项目背景下进行的。 半导体激光自混合效应传感技术具有结构简单、测量精度高及非接触性等显著优点，可实现速度、距离、振动等物理量的传感测量，已成为当前光学传感领域中的研究热点。本文对新型单纵模垂直腔面发射激光器(VCSEL)自混合效应传感技术进行了应用基础研究，研制了高精度的VCSEL自混合测速系统、测距系统、测振系统以及双眼法实时二维光学三角定位跟踪系统，获得了丰硕的高新技术创新性成果。 本文的主要成果如下： 1．用三镜腔模型和激光器速率方程深入研究了激光自混合效应传感的基本原理，数值模拟得到对激光器电流进行调制时不同反馈程度下的自混合信号，由自混合信号模拟重构出外界反馈物体的振动波形，理论和实验结果符合良好。 2．研制成功出VCSEL自混合测速系统，采用VCSEL动态连续三角波电流调制方法在5..mm／s～479mm／s速度范围内实现了准确的方向判别和精度优于3.1％的绝对速度测量。该系统也实现了液体流速测量。 3．研究了聚合物光纤作为光传输介质对VCSEL自混合测速信号的影响，首次观察到自混合信号的波形畸变和频谱展宽现象。理论和实验研究表明聚合物光纤端面较大的散射光接收角是引起自混合信号波形畸变和频谱展宽的最主要原因。 4．研制成功VCSEL自混合测距系统，提出用差频模拟锁相技术在80～480mm距离范围内实现了误差小于2mm的绝对距离测量。同时深入分析了自混合测距系统中信号相位的突变、采样时间、调制三角波频率和幅度、VCSEL调制特性等因素对测距精度的影响，优化了系统参数。 5．研制成功聚合物光纤传光的VCSEL自混合测振系统，在光纤出射端面到

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 概述
• 1.1 激光自混合干涉技术研究进展
• 1.1.1 激光自混合干涉技术概述
• 1.1.2 激光自混合理论研究进展
• 1.1.3 激光自混合应用研究进展
• 1.2 光学三角定位跟踪技术研究进展
• 1.2.1 光学定位跟踪技术概述
• 1.2.2 光学三角测距技术的发展与应用
• 1.3 课题来源和本文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 激光自混合传感基本理论
• 2.1 垂直腔面发射激光器
• 2.1.1 VCSEL的构造与特征
• 2.1.2 VCSEL的工作原理
• 2.1.3 VCSEL的调制特性
• 2.2 激光自混合干涉基本理论
• 2.2.1 三镜腔理论模型
• 2.2.2 弱反馈条件下激光器的动态特性
• 2.2.3 激光自混合干涉的特点
• 2.3 激光自混合传感基本理论
• 2.3.1 速度测量与方向判别
• 2.3.2 距离测量
• 2.3.3 振动测量
• 2.3.4 五镜腔理论模型
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 VCSEL自混合测速技术研究
• 3.1 测速系统设计
• 3.1.1 光学系统
• 3.1.2 电学系统
• 3.2 测速实验结果
• 3.2.1 VCSEL特性测量
• 3.2.2 绝对速度测量
• 3.2.3 运动方向判别
• 3.3 聚合物光纤自混合测速系统特性研究
• 3.3.1 实验结果
• 3.3.2 理论分析
• 3.4 液体流速测量
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 VCSEL自混合测距技术研究
• 4.1 测距系统设计
• 4.1.1 光学系统
• 4.1.2 电学系统
• 4.2 系统测量结果与分析
• 4.2.1 影响测量精度的关键因素
• 4.2.2 实验测量及系统优化
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 VCSEL自混合测振技术研究
• 5.1 VCSEL自混合测振系统
• 5.1.1 自由空间VCSEL自混合测振系统
• 5.1.2 光纤VCSEL自混合测振系统
• 5.2 光纤特性对自混合信号的影响
• 5.2.1 光纤长度的影响
• 5.2.2 光纤弯曲的影响
• 5.2.3 环境温度变化的影响
• 5.2.4 环境温度变化的影响
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 光学三角定位跟踪技术研究
• 6.1 光学三角定位跟踪系统相关理论分析
• 6.1.1 相关技术比较
• 6.1.2 光学三角定位跟踪原理
• 6.1.3 成像系统分析
• 6.1.4 视角与工作范围
• 6.1.5 系统精度分析
• 6.2 光学三角定位跟踪系统设计
• 6.2.1 光学与机械装置
• 6.2.2 信号处理系统
• 6.3 实验结果与分析
• 6.3.1 工作范围与定位精度
• 6.3.2 误差分析与修正
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 附录
• 附录A VCSEL产品参数
• 附录B 聚合物光纤参数
• 附录C CMOS产品参数
• 攻读博士学位期间发表的论文及申请的专利
• 致谢