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《哈尔滨工业大学》 2010年
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FM/cw激光成像雷达中的大功率激光调制系统及技术研究

姜鹏  
【摘要】: 调频/连续波(FM/cw)无扫描激光焦平面成像雷达是一种小型化、全固态、高帧频、高精度的目标四维成像传感器。该雷达在商业和军事上均体现重要实用价值。目前,国外已完成雷达系统搭建和无扫描成像,而国内尚处于初始研究阶段。在该雷达系统中,大功率激光发射机的宽带啁啾调幅技术是一个关键,而当前发射机所能提供的幅度调制激光水平仍在一定程度上限制了该雷达的探测能力,有待于进一步提高。 本论文针对上述问题,对用于1.5μm FM/cw成像激光雷达的大功率激光宽带啁啾调幅系统进行了研究和探索。针对该雷达,采用基于电吸收调制激光(EML)技术的大功率激光调制方案,进行了宽带、高深度、高线性调制系统的研制和调制实验研究,提出并建立了相应的评价方案和系统来评价调制性能。基于EML技术的高集成性特点,提出了一种可实现非相干光均匀照明的小型化大功率EA调制面阵光源前景方案。这些研究对于提高FM/cw激光成像系统的探测距离,进一步实现系统小型化和集成化都具有重要应用价值。 论文分析了FM/cw无扫描成像系统的光发射机研究进展及所面临的问题,提出了FM/cw激光雷达的大功率激光宽带调制课题。围绕这一课题,首先研究了FM/cw激光成像系统的中频、目标距离、距离分辨率和测距精度,分析了影响这些指标的光调制因素。针对实现大功率宽带调制的要求,研究了目前主要的光调制技术的性能和问题。 针对FM/cw激光成像系统,为解决现有发射机光源调制方案的输出功率、调制深度不高等问题,论文研制了一个大功率激光宽带调制系统。该系统采用EML实现低功率种子光的线性深度调制,而后经多级线性光纤放大获得高品质的大功率调幅激光。提出了该方案下的各分系统方案。基于直接数字频率合成器(DDS)AD9910研制了带宽600MHz的输出参数可控的线性调频(LFM)射频信号源,测试了该信号源的性能,研究了调频非线性对FM/cw激光雷达测距精度的影响;实验研究了EML、Mach-Zehnder:LiNbO_3(M-Z:LN)种子光调制静动态调制特性和线性调制方法;研究了光纤放大级的结构和性能,并对实际双级光纤放大器的输出特性进行实验测试。 采用本论文所研制的光束调制系统,实验研究了基于EML的宽带、线性调制大功率激光的主要性能。针对EA调制本身固有的非线性问题,建立了近线性调制方案;为了提高近线性调制的光强调制深度(OMD),提出了延伸至正向调制的扩展线性区调制方法,并进行实验研究。针对FM/cw激光成像雷达中大功率激光调制的性能检测和评价,设计并建立了基于调制光信号采集和处理的性能评价方案和系统,使用谱分析方法和所建立的评价体系从功率谱特征、时-频关系、调制信噪比、调制相关度、线性调制深度、谐波噪声分量、调制平坦度等多角度深入分析大功率光束调制系统性能。此外,还建立了基于M-Z:LN调制种子光的大功率调制激光发射系统,对比研究了EML和M-Z:LN两种大功率激光调制系统的性能。 最后,作为本论文研究工作的前景展望,针对未来雷达小型化的需求,提出EA调制的小型化、大功率面阵光源设想和实施方案。为实现较理想的目标成像,提出了几点考虑以使该面阵光源实现远场非相干光均匀照明。这种面阵光源配合焦平面探测器阵列,有望在未来实现较理想的无扫描成像。 本论文工作为FM/cw无扫描激光成像雷达实际提供了大功率、宽带宽的啁啾调幅激光发射系统,获得的成果可以作为调制激光成像雷达领域和空间光通信领域研究工作的一个参考。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN958.98

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