单模VCSEL自混合激光多普勒测速研究

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±1 mm，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。

目录

文摘

英文文摘

声明

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

4.1.4自混合LDV锯齿波特性方向判别

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

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

5.1.1VCSEL 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