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

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5.2mm/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，在光纤出射端面到散射表面最大工作距离为49mm的范围内实现了振动信号测量。研究表明光纤长度、光纤弯曲、环境温度变化等因素对激光自混合效应影响较小。6.研制成功实时二维光学三角定位跟踪系统，在80mm×100mm工作范围内，系统分辨率高于0.1mm、定位精度优于2mm。同时深入分析了定位系统的基本特性如视角、工作范围、定位精度等与各影响因素之间的关系，详细分析了系统测量误差来源，发现成像镜头大视角的高阶畸变是引起定位误差的最主要原因，并给出了准确的理论公式和误差修正公式。 本论文的主要创新点包括： 1.提出用动态连续三角波电流调制方法研制成功VCSEL自混合测速系统，在5.2mm/s～479mm/s速度范围内同时实现准确的方向判别和精度优于3.1％的绝对速度测量。该结果优于飞利浦公司2002年报道的在0～150mm/s速度范围内测量精度达到6％的实验结果。 2.首次观察到聚合物光纤作为VCSEL自混合测速系统的传光介质时自混合信号的波形分立和频谱展宽现象，并作了合理的物理解释。 3.提出用差频模拟锁相处理自混合信号的技术，研制成功了精度优于2mm的VCSEL自混合测距系统。该成果已经申请美国专利。 4.首次研制成功采用聚合物光纤传光的VCSEL自混合测振系统，工作距离达到49mm。 5.研制成功实时二维光学三角定位跟踪系统，发现成像镜头的高阶畸变是影响定位精度的最主要原因。该项技术已经申请美国专利。

目录

文摘

英文文摘

第一章概述

第二章激光自混合传感基本理论

第三章VCSEL自混合测速技术研究

第四章VCSEL自混合测距技术研究

第五章VCSEL自混合测振技术研究

第六章光学三角定位跟踪技术研究

第七章结论与展望

附录

攻读博士学位期间发表的论文及申请的专利

致谢