基于LD自混合干涉的位移及速度测量技术的研究

论文摘要

基于光反馈效应的激光自混合干涉技术是近年来兴起的、具有应用前景的技术。重新注入激光腔的激光与腔内的光混合引起输出功率变化和频率变化,该性质可应用于各种传感器,实现对速度、距离、位移或振动等物理量的非接触、高精度测量。基于半导体激光器LD的自混合干涉效应,开展了对位移和速度测量技术的研究。采用Lang-Kobayashi速率方程方法和三镜法-珀腔模型,阐述了LD自混合干涉的机理,得到了出射光频率和光强表达式以及通用数学模型。针对LD自混合干涉位移测量系统,建立了弱反馈、适度反馈和强反馈机制下的LD的工作模型,对输出光功率信号进行了数值模拟与分析。根据不同条件下模拟的输出光功率信号波形,分析了各种测量参数的影响及外腔位移调制方式的影响规律。设计了基于半导体激光器自混合干涉的位移测量系统,实验验证了理论分析的结果。应用垂直腔面发射激光器的自混合效应对激光多普勒测速方法进行了研究,设计了一种结构紧凑的激光多普勒测速装置。采用快速傅立叶变换方法对自混合干涉信号进行频谱分析,可获得多普勒频率信息,从而获得运动物体沿光学轴向的速度分量信息。实验结果表明当被测物体速度在70～400mm/s范围时,相对误差小于2%。为了有效减小因温度不稳定而造成的LD输出功率不稳定、输出波长发生漂移等不良影响,对光源LD内部温度的高精度控制技术进行了研究。分别采用半导体热敏电阻和半导体热电制冷器作为感温元件和控温执行元件,提出了一种模糊控制理论与数字PID参数自适应调整相结合的增量式控制算法。实验结果表明,该方法的控温稳定度优于0.1℃,有效地抑制了LD波长的温度漂移。光反馈所引起的非线性现象很大程度上影响LD的特性,应用卡尔曼滤波算法更适于处理自混合效应的非线性问题,且能提高测量精度。提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的信号处理方法,适用于弱光反馈强度的自混合干涉位移测量系统。实验结果表明该方法可有效地实时重构目标反射体的位移波形,测量分辨力为λ20。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 激光自混合干涉技术的研究背景
• 1.2 激光自混合干涉技术
• 1.2.1 激光自混合效应
• 1.2.2 激光自混合干涉的特点
• 1.3 自混合干涉技术的理论研究进展
• 1.4 自混合干涉应用研究
• 1.4.1 位移测量
• 1.4.2 速度测量
• 1.4.3 振动测量
• 1.4.4 绝对距离测量
• 1.4.5 其它应用研究
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 激光自混合干涉的机理
• 2.1 激光自混合干涉模型
• 2.1.1 三镜F-P 腔模型
• 2.1.2 速率方程
• 2.2 激光自混合干涉位移测量模型数值模拟
• 2.2.1 外腔长对输出光功率的影响
• 2.2.2 光反馈强度不同时相位方程的特性
• 2.2.3 建立LD 自混合干涉工作模型
• 2.2.4 位移测量模型的参数对功率信号的影响
• 2.2.5 外腔位移的调制方式
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于LD 自混合干涉的位移及速度测量系统设计
• 3.1 自混合干涉位移测量系统组成
• 3.2 系统硬件电路
• 3.2.1 LD 调制电路
• 3.2.2 光电信号放大与抗干扰
• 3.3 自混合干涉速度测量系统
• 3.3.1 VCSEL 简介
• 3.3.2 VCSEL 自混合干涉
• 3.3.3 测速原理及系统组成
• 3.4 半导体激光器温度控制技术的研究
• 3.4.1 半导体激光器基本特性
• 3.4.2 激光器温度测量、控制原理
• 3.4.3 温度控制算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 激光自混合干涉信号处理技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 卡尔曼滤波算法原理
• 4.2.1 卡尔曼滤波问题
• 4.2.2 基于一步预测的卡尔曼滤波算法原理
• 4.3 扩展卡尔曼滤波器算法原理
• 4.4 EKF 在激光自混合干涉信号处理中的应用
• 4.4.1 状态空间模型的建立
• 4.4.2 EKF 设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于LD 自混合效应的位移及速度测量实验
• 5.1 位移测量实验
• 5.1.1 干涉信号波形
• 5.1.2 EKF 算法的仿真研究与实验
• 5.1.3 重复性实验
• 5.2 速度测量实验
• 5.3 LD 温度控制实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介