单模VCSEL自混合激光多普勒测速研究

论文摘要

本学位论文工作以国际合作为背景,研究单模垂直腔面发射激光器(VCSEL)自混合测速重点研究多普勒测速系统的精度、动态范围和方向判别等重要参数。本论文的研究工作和研究成果主要有:(1)与项目组成员共同完成单模VCSEL自混合多普勒测速的原理与系统研究;建立单模VCSEL自混合多普勒测速实验装置,设计系统的光电信号处理电路;制作了高精度宽动态范围准确方向判别LDV样机:研究结果获得了美国专利。(2)采用单模VCSEL代替普通半导体激光器,明显改善了多普勒测速系统外腔长变化的动态范围,提高了测速精度;采用差频模拟锁相技术处理多普勒信号,减小了多普勒频率展宽及调幅包络对测速精度的影响,使测速精度达到1%,同时扩大了频率跟踪范围,使测速动态范围达到5～500mm/s。(3)采用三角波电流调制单模VCSEL进行方向判别,使用微小电流调制与中和技术克服了调制三角波对测速精度的影响;采用分频跟踪调制技术提高了方向判别的动态范围,使方向判别的动态范围达到5～500mm/s,方向判别准确可靠。(4)在外腔长度为30±1mm,速度范围为30～480mm/s,采样时间为0.1s的条件下,单模VCSEL自混合多普勒测速系统测速精度优于1%,重复精度优于0.2%,方向判别准确。创新点:提出了模拟差频锁相方法处理多普勒信号,提高了测速精度和测速的动态范围。提出分频跟踪三角波调制运动速度判别方法,提高了速度方向判别的可靠性和动态范围。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 激光多普勒测速LDV
• 1.2 激光器自混合效应
• 1.3 激光自混合效应在光学测量传感中的应用
• 1.3.1 绝对距离测量
• 1.3.2 激光自混合多普勒测速
• 1.4 本论文主要工作
• 参考文献
• 第二章 单模VCSEL自混合LDV原理与实验装置
• 2.1 自混合LDV光路和原理
• 2.2 光电信号的探测方法
• 2.3 单模VCSEL及其优点
• 2.3.1 VCSEL基本结构
• 2.3.2 VCSEL优点
• 2.4 单模VCSEL自混合LDV实验装置
• 参考文献
• 第三章 模拟差频锁相环宽范围精确测速
• 3.1 Doppler信号特点和测频方法
• 3.2 Doppler信号频率展宽物理机理
• 3.2.1 传统的外差式LDV测速Doppler信号展宽
• 3.2.2.散斑效应对Doppler信号展宽的影响
• 3.3 模拟差频锁相测速宽范围精确测速
• 3.3.1.锁相环原理
• 3.3.2 模拟锁相环信号跟踪Doppler信号
• 3.3.3.差频模拟锁相环信号处理Doppler信号
• 参考文献
• 第四章 分频跟踪三角波调制方向判别
• 4.1 激光多普勒测速LDV方向判别方法
• 4.1.1.方向模糊现象
• 4.1.2.光学移频方法方向判别
• 4.1.3 半导体激光器注入电流调频方向判别
• 4.1.3.1 半导体激光器注入电流调频
• 4.1.3.2 外腔半导体激光器用注入电流调频
• 4.1.3.3 半导体激光器电流调频方向判别
• 4.1.4 自混合LDV锯齿波特性方向判别
• 4.1.4.1 锯齿波波形不对称性方向判别方法
• 4.1.4.2 利用锯齿波基波和2次谐波相位比较的方向判别方法
• 4.1.5 单模VCSEL自混合LDV锯齿波方向判别
• 4.2 三角波调制方向判别原理
• 4.3 分频跟踪三角波调制方向判别
• 4.3.1 三角波调制LDV方向判别可靠性、对测速精度的影响以及动态范围
• 4.3.2 分频跟踪三角波调制方向判别原理
• 4.3.3 分频跟踪三角波调制和方向判别电路实现
• 4.3.3.1 分频跟踪三角波产生电路
• 4.3.3.2 三角波上升沿和下降沿频率比较方向判别电路
• 参考文献
• 第五章 实验结果与分析讨论
• 5.1 单模VCSEL自混合多普勒实验结果
• 5.1.1 VCSEL 1#实验结果
• 5.1.2 VCSEL 2#实验结果
• 5.2 测量精度分析
• 5.2.1 谱宽引起的自混合信号的展宽
• 5.2.2 速度分布引起的自混合信号的展宽
• 5.2.3 锥角分布引起的自混合信号的展宽
• 5.3 测速动态范围分析
• 5.4 散射表面对LDV测速精度的影响
• 5.5 不同采样时间对测量精度的影响
• 5.6 外腔长度和温度对自混合LDV的影响
• 参考文献
• 第六章 结论
• 攻读博士学位期间发表的论文和专利
• 致谢