基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究

西安电子科技大学 硕士学位论文 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 姓名：赵小燕 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：曾晓东 20100101 摘要 摘要 光外差技术因许多重要的优点而在光通信系统，光雷达系统及光学测量系统 有着重要的应用。但因为光外差探测苛刻的技术要求，使其能够真正的广泛使用 还存在许多困难。譬如，相干光通信至今还没有商用化，激光综合孔径雷达也达 不到实用化的程度。一个非常重要的因素就是光外差探测过程的稳定性和效率还 存在不少问题，另外，目标 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面不光滑会引起回波波面的严重起伏，对外差效率 带来损害。这些问题都是激光外差探测能够真正实现广泛应用的技术瓶颈。 本文针对综合孔径激光雷达的外差探测进行了详细的研究。首先 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 了在实验 室环境下进行激光外差探测研究的实验装置，细致研究了激光外差探测的一些影 响因素，诸如本振光和信号光波矢的匹配问题对外差探测的影响，照射目标光斑 大小对回波外差探测的影响：还探讨了表面均匀起伏和随机起伏的漫反射物面对 回波外差探测的影响等因素。 本文通过理论模拟和实验两方面，对实际粗糙面物体的探测提出了一些新的认 识，外筹信号的大小并不一定随着目标视场的增大而增大，而会呈现周期性的振 荡反复；粗糙面的物面和光滑物面的光外差探测效率的有着很大的差别，通过计 算和模拟，我们发现，二者在探测的效率上有着数量级的差别。这些结论对对光 外差的理论实现和实际应用有一定的指导意义。 关键字： 激光外差夹角匹配粗糙面光斑综合孔径激光雷达(sAt．) Abstract Abstract Heterodynedetectionhasmanyadvantagesoverdirectdetection，andhasbeen widelyusedinmanytechnicalareassuchasopticalcommunication．1aserradarsystem． However,therearemanydifficultiestokeeplaserheterodynedetectionfromwidelyuse becauseofitsstringentrequirementsintermsoflaserspectralIinewidth．wavevector matching，andbeamfrontmatchingetc．Forexample，coherentopticalcommunication systemshavenotbeencommerciallydeployedtilltoday；AndSyntheticapertureladar (SAL)canhardlyputintopracticaluse．Unstableandlowefficientarethekeyproblems． Besides，aroughsurfacewillstronglydistortthewavefrontanddegradetheheterodyne efficiency．Heterodynedetectioncanbewidelyandwellusedonlywhentheseproblems areconqueredsuccessfully． Inthispaper’effectsofseparateangle，spotsizeandroughsurfacetoheterodyne detectionarepresentedtheoreticallyandexperimentally．Someusefulresultsare concluded：theefficiencyofheterodynedetectionwillnotincreaseduetotheincreasing ofspotsize；Lasersignalreflectedfroma roughsurfacewillstrongly．degradethe detectionperformance，thephtotocurrentofalasersignalbyamirrorreflectionmaybe twoorthreeordersgreaterthanthatofalaserechoreflectedbyroughsurface． Keywords：heterodynedetectionSALseparateangle spotsize roughsurface 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：壑堕∑垫 日期查＆!至!墨二 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 (保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期圣皇[垒至：厶 日期垄f!121』 第一章绪论 第一章绪论 1．1无线电超外差接收技术 无线电接收机就是用来解调无线电信号的电子设备，主要用于声音，图像定位 信息等的解调接收。在最初，无线电波的接受方式为直接接收方式，如图1．1。这 种接收方式的特点是结构简单，易于实现，但是缺点也很明显。因为高频放大器 的增益不容易做得很高，选择性也不好，使得这种接收方式的性能受到很大的限 制。 图I．1无线电波直接探测示意图 后来提出的外差检测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 改善了这种状况。无线电外差接收技术的结构原理如图 1．2所示。经过多年的发展，外差检测技术已经发展得比较成熟。在广播、电视、 通讯领域，超外差接收方式被广泛采用，超外差的实质就是将不同频率的调制波， 变成固定的且频率较低的中频信号。即通过输入回路先将传输中的高频调制波接 收下来，和本地振荡器产生的本振信号一并送入混频器，再经中频回路进行频率 选择，得到一个固定的中频信号(如中频调幅中国规定为465kHz)，如图1．2。至此， 原始的无线电信号就变成了以中频为载波的调幅或者调频、调相波。中频信号经 中频放大，再经过检波得到原始的音频或其他低频信号，经功率放大输出【¨。 竺回一本一陟卅 l 功率输出 图1．2无线电波外差接收机原理图 器胡N舻 一一 ：夸一 一 三 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 如上图所见，超外差方式使接收的调制信号变为统，一的中频调制信号。因频 率比较低，就容易得到稳定且倍数较高的放大，选择性也可以同时做得很好，从 而大大提高信号接收的性能。比较起来，在无线电广播系统中，超外差式接收机 具有以下优点：(1)接收高低端电台(不同载波频率)的灵敏度’。致；(2)灵敏度高；(3) 选择性好(不易串台)。 1．2光学外差技术 光外差探测与无线电外差探测的原理是一样的，即引入了一个本地振荡光束 与光信号在光电探测器中进行相干，如图1．3所示。光电探测器输出一个中频信号， 该信号经中频放大器放大及适当的信号处理，进而得到有用的信息，诸如相位、 频率、物体表面状态等。外差探测比起直接探测有诸多的优点，因此在自由空间 相干光通信、光纤相干通信、激光雷达领域，激光外差检测领域都得到了研究和 应用【2】【31。光相干检测技术，可以大大提高信号探测的灵敏度，由于电子中频放大 器的使用也大大改善了信号的选择性，增强信号传输的抗干扰能力。在光纤通信 领域，采用相干探测可以显著增加无中继传输距离，更密集地划分信道，从而更 充分利用光纤的带宽，提高通信质量【4】【51。在激光检测应用领域，激光外差检测技 术已经发展得比较成熟，激光外差在精确位移测量、激光多普勒风速计、激光十 涉仪等方面取获得了广泛应用。另外，在星际问远距离光通信中，光信号的衰减 使得到达接收端的光信号非常弱，而相干检测相对于直接检测来说能使接收灵敏 度提高20dB左右，其信噪比(SNR)可达到量予噪声限【6J。 图1．3光外差探测原理简图 1．3基于激光合成孔径雷达的外差探测技术 合成孔径激光雷达(S”theticApertureLadar，简称SAL)是--种将普通的微波波 段的合成孔径雷达(SAR)和激光雷达(1adar)结合起来实现合成孔径成像的高分辨率 成像雷达。SAL兼具了SAR和ladar的优点，能够以比SAR更高的分辨率提供地 面测绘资料和图像，在地形测绘、资源勘探、军事侦察、目标识别及火控系统等 方面有很广泛的应用前景。由于工作频率远高于微波，又采用了合成孔径技术， 第一章绪论 对于相对运动速度相同的目标可产生更大的多普勒频移，不仅克服了普通激光雷 达波束窄、搜索目标困难等缺点，而且适合大面积的地表成像，困此己成为激光雷 达领域的一个重要发展方向【I。$AR的成像原理如图I4所示。 SAL与SAR一样，采用合成孔径的概念和原理。合成孔径与真实孔径天线阵 相似．也是通过将各个阵元的信号经过相位补偿后同相相加来实现对目标的聚焦。 区别在于这些阵元井不是物理上存在的， 而是通过天线与目标间的移动获得的， 飞行在不同时刻到达不同位置．再将不同位置处的信号 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 下来。等已录到足够 数目的阵元信号后，再 卜‰～筹一 m ^ 2％2A0 圈14SAP,概念示意图”1 对它们进行相位补偿，使对某处目标的信号是同相相加，这时即可实现对该点的 聚焦。而等效天线阵列的最大长度，即被定义为合成孔径长度f对每一点目标而言)。 SAL与sAR一样，是利用与目标作相对运动的小孔径天线并采用信号处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，获 得高方位(横向距离)分辨率的相干成像雷达口l，在SAL系统中，一般发射与接收装 置同在一个运动平台上。在平台的运动过程中，雷达以一定的脉冲重复频率发射 探测信号井接收和记录来自目标的回波信号．记录下回波信号的强度信息和相位 信息。把在各个位置上接收到的一系列回波信号存储起来，然后运用台成孔径技 术对存储的数据进行综合处理，便可得到高分辨率的目标图像。SAR采集信息的 几何关系用图15表示。 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 图1．5SAR的几何关系 设想用孔径为D7’的小真实孔径天线的运动来等效地构成一个长天线。可以证 明，若能满足一定的条件就可以在运动方向上获得一个等效的大的天线孔径(即合 成孔径)DsA，则在这个合成孔径下，雷达对目标的分辨率将提高Dsa／Dr倍[m】。分 辨率的大小是雷达系统性能的一个关键指标，SAR的分辨率由距离向的分辨率和 方位向分辨率共同决定，距离向分辨率与方位向分辨率分别为： 距离向分辨率：Pr=兰 (1一1) 2曰 、 。 方位向分辨率：以2圭‘毒沛 (1_2) 式中，D副——合成孔径长度； 五——发射信号的波长； D，——发射天线真实孔径； R——雷达到目标的距离； 卜光速； 卜雷达发射信号带宽。 在图1．5所示的合成孔径雷达的几何关系中，机载SAR以速度y沿直线飞行， 而xOy平面为地面，X轴指向航迹方向(简称为方位向)，Y轴方向称为距离向。SAR 的天线波束(对应于真实孔径J『)以入射角0投射到地面目标单元上，SAR与目标单 元层点距离为为尺，合成孔径跳的最大值决定于天线运动过程中所能接收到的来 自同一目标单元的回波信号的最大作用范围，它等于真实天线的波束所能覆盖的 最大范围，即 巩2爱尺(1-3) 将式(1—3)代入式(1-2)，得到 第一章绪论 n2圭珥 (14) 显然．从式(1．11至(1_4)可以看出，与真实孔径雷达相比，在距离方向上SAP． 与真实孔径雷达相同，利用发射宽带信号来获得高的距离分辨率：在方位方向上， 真实孔径雷达的分辨率是衍射极限分辨率，而SAP．是通过合成孔径原理来实现高 的分辨率，其理想分辨率与目标距离无关。在机载和星载情况r，通常雷达和地 面目标的距离为几十公里至上千公里，对于真实孔径雷达蔓想获得高的方位向分 辨聿，必须把天线波束做得非常窄．而窄波束的天线需要非常大的孔径，这在工 程上实现起来是很困难的。 合成孔径技术使得方位向上的分辨率在理想情况下与距离无关，这大大提高 了探测能力，但是实际情况并非如此。对于远距离探测来说，高的分辨率意味着 非常大的合成孔径，这将需要高速数据采集和格式化器、高速大容量数据存储器、 高速大容量信号处理器和高精度运动补偿系统．同时要求高速数据压鳙技术和高 精度导航及定位技术。所以在远距离探刹中，SAR要想获得厘米量级的分辨率， 实现起来是非常困难的。 瞄I6$AL探目I示意捌 由于激光波长一般比微波波长短3～5个数量级，所以从SAR原理中衍生出 来的SAL，在获得同样分辨率的情况下．其合成孔径的眭度要小的多。另外，SAL 至 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 在成像时间上比SAR有大幅度的减少。SAL探测如图1．6所示。总之，在远距离 探测中，SAL比SAR具有更多的优越性。但是SAL走向工程应用还面临着许多 困难，需要解决一系列关键技术问题。诸如它需要性能优良的激光器，高稳定性 的运载平台，激光发射系统的优良设计，有效的成像算法等等。随着激光器、宽 带调制器和探测器性能的提高及各种相关技术的发展，为SAL的实际应用提供了 技术基础fIl】。 显然，数据处理技术也是SAL实现高分辨率的核心技术。随着信息处理技术 和大规模集成电路的迅速发展，SAL的成像处理常采用数字成像处理方法。这种 方法在SAR中应用已经比较成熟，能够完成无噪声高精度计算，可靠性好，能灵 活地进行自动聚焦、距离矫正以及各种校准，从而提供较好的成像质量。但对于 SAL来说，由于激光波长较短，受大气等因素的影响较大，相位畸变较为严重，降 低了相干探测的效率，聚焦效果较差，从而降低了系统的分辨率。因此从合成孔 径的发展趋势来说，目前SAR的一些成熟的成像算法如何移植到SAL上，或者发 展新的校正相位的算法等，是软件方面一个亟待解决的问题。硬件方面由于SAL 需要处理的数据量巨大，激光的脉宽较窄，需要极高速的A／D转换器件和信号处 理器件。因此在系统设计时器件的选择、数据的实时传输和处理等问题都需详细 考虑【12】。 因为要利用回波的相位信息，SAL必须采用外差相干探测方式。SAL多应用 于距离较远的探测，但激光的波长很短，受大气传输影响相干探测实现起来有一定 难度，这也是目前研制SAL亟待解决的一项难题。当然，SAL的应用还需要其它 相关技术的支持，包括大功率稳频激光器技术、稳定的光学接收技术、微弱信号 检测技术【n。 此外，要实现SAL的相干探测，对于接收光学系统也有严格的限制。为了在探 测器的光敏面上得到有效的光干涉，光外差探测除了要求本振光与入射信号光偏 振方向相同，能流矢量保持一致，即保持空间上的角准直(准直、共轴)外，还要求 两光波的波阵面必须曲率匹配【71。 研究表明，本振光与信号光两光束入射夹角脏满足[13】： p≤互 D (2．34) 式中丸为本振光波长；D为光电探测器光敏面尺寸。 SAL主要用来探测远距离物体，目标回波信号比较弱，容易受到噪声的影响。 而且由于目标和SAL之间有相对移动，目标的动态范围也较大，要完成对目标的有 效作用距离范围内的探测，必须保证接收系统有足够高的灵敏度。因此用于相干 探测的光电探测器应有好的的灵敏度，足够的高频响应和稳定的量子效率。接收 第一章绪论 电路应具有大动态线性范围。 1．4本文主要的工作 7 本论文在他人研究的基础上，对影响目标回波光外差探测的一些关键因素进 行了实验和理论研究。诸如光斑的大小、本振光与信号光波矢矢量匹配、表面粗 糙的目标对光外差的影响等等。我们从理论和实验两方面着手，做了细致的研究， 得出了一些有意义的结论。 论文的第一章绪论部分，主要介绍光外差技术的出现、发展及于本文有关的 应用；第二章主要从原理出发，介绍光外差的原理、实现条件及其优势所在。第 三章是本文的核心部分，介绍影响雷达回波外差探测的主要因素，以及这些因素 如何定量的影响光外差探测的效率的。首先利用几何光学理论对激光外差光路进 行建模，再用Matlab软件对目标回波产生的光电流进行数值模拟：通过对一维及 二维目标的回波外差探测进行模拟后，给出了外差光信号与探测光斑大小的关系 曲线图；其次，我们又对目标表面粗糙程度对外差探测的影响进行研究。分别考 虑了表面均匀起伏和随机起伏两种情况，根据模拟结果，给出探测光斑大小与外 差信号的关系曲线图，并与镜面反射情况得到的结果进行对比，得到了一些有意 义的结果；最后，通过实际回波外差探测实验与理论分析及数值结果进行了对比。 实验中，我们采用了Coherent公司的Verdi．II激光器作为光源，．该激光器发射波长 532nm的绿色连续激光，线宽为5MHz。在光学平台上，利用适当的反射镜、分束 镜、光学调整支架等搭建光外差实验光路，并用光电二极管探测外差光的光电流， 手动调节光路，得到光外差探测实验数据。第四章是总结和展望，对我们在完成 这一项目过程中出现的指导性结果和有待改进的地方进行了阐述，并对雷达目标 回波外差探测的后续研究工作提出一些建议。 第二章激光外差探测 第二章激光外差探测 9 一 在激光探测领域，目前直接探测体制仍然占据着大半江山，外差探测应用相 对较少。尤其在相干光通信和激光雷达等领域，外差探测还处于实验室阶段，离 商业化和广泛应用化还有一定的距离。但由于相干探测对于微弱光信号的探测显 示出来的巨大优势和诱人的应用前景，从光外差探测提出至今一直未停止过对它 的探索和研究。现在激光外差探测正在开发和使用的领域有相干光通信领域，光 传感领域，信号处理、光学检测、多普勒测速测距等等，在这些领域中都有着明 显高于直接探测的分辨率和灵敏度，国内外的研究者对激光外差探测已经有了非 常深入的研究【14】’【16】。 2．1光外差探测的原理 光频外差探测的原理和无线电波外差的接收原理是完全一样的。由于无线电 波的相干性很好，因此在讨论外差接收时无须担心两列无线电波的相干问题。而 对于光波就不一样了。一般的光源都是非相干光源，而我们无法从不相干的光源 观测到干涉图案。激光的出现，打破了电子学波段与光学波段的鸿沟。激光亮度 高，方向性好，强度大的特点，更重要的是其优良的相干性使之成为载波中的一 员，开辟了光波做载波的时代fl71。 光学外差探测的基本原理图2．1所示，外差信号(即差频信号)的获取是将包含 有被观测信息的信号光与作为基准的本机振荡光(本振光)波在满足波前匹配的条 图2．1光外差探测原理简图 件下，在光电探测器上进行光学混频，光电探测器的输出为两光波的差频电信号， 这个输出信号含有调制信号的振幅、频率和相位等特征‘培】。 对于一个频率为∥初相位为rp，振幅为岛的线偏振光波可以用 卫 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 E(t)=磊exp(j2nfl+j『缈) (2-1) 来描述，振幅岛是非负实数。若该光场照射到探测器上，在探测器上的功率为【171： P=f．兰l‰exp(j2矿+／伊)f2出妙兰丢4百2(2-2) 其中积分是对探测器表面的积分，4d是探测器的有效接收面积：振幅岛通常是探 测器表面位置的函数，E2是联D的时间平均值。 设信号光束为历(f)，本振光束为Et(t)，两者均为线偏振光且偏振方向相同： E(f)=Eoexp(j2刀f,t+JR) (2-3) 日(f)=Eloexp(j2nflt+jcp_『) (2—4) 两束光同方向入射到光电探测器上且在满足相干条件的情况下，光电探测器 的总光强电流为： f=仇告日眺)+即)12蛐 =七，抛(f)+E(f)12dxdy(2-5) 式中rid为探测器的量子效率，h是普朗克常量，e是电子所带的电量，v是光频率， 彳d为探测器光敏面的面积。k=，／dg砌’，。 将(2-3)、(2-4)式带入(2．5)式展开，并利用(2．2)式得到： f=七{圭以耳+芝1Ad蚕2+4船Ec。s【2万(丘十z)f+(织+仍)】 +以∥iE。局。c。s【2万(z—z)f+(纺一仍)】j 第三项是本振光和信号光的和频项，频率太高，光电探测器无法响应， 器只能够响应差频项和直流项。因此输出的中频电流为： (2-6) 光电探测 f，，=七仨以砰+互1Aa夏fq√弛。即。s【2靠f+△缈】 (2．7) 其中协为光外差混频效率，知彤斩为差频项，Atp=钆．伊，是信号光与本振光的相位差。 式中前两项是直流功率项，最后一项是中频信号。利用带通滤波器和光电探测器 中的隔直电容即可提取出中频信号： llF=越I口E吣cos(2nfu,t七色呐 =口压厄cos(2靠f+△伊) (2．8) 第二章激光外差探测 其中口=地√石，只和尸，为信号光和本振光的光功率。 瓤勘时，即本振光和信号光的频率相等时，(2—8)式就变为 I伊=鸩Ecos(A缈) (2-9) 这是光频外差的一种特殊形式，称为零差探测，也有广泛的应用。f{fl(2-8)和(2—9) 式可知，光频外差探测是一种全息探测技术，中频光电流包含了振幅、频率和相 位所有的信息。 实际上，不管是外差探测还是零差探测，要实现这种信息的解调，保证本振 光束和信号光束的频率和位相的高度稳定和良好的匹配是十分重要的。激光信号 以其良好的方向性，良好的相干性很好的保证了这一点，因此激光外差探测受到 高度重视。 而相比较之下，直接探测的结构非常简单，主要功能元件就是光电探测器。 光电探测器把入射到探测器上的光功率转换为相应的光电流，即 f(f)：导P(f) (2．10) ，zy 假定入射信号光的电场 E(f)=Eocosco,t (2一l1) 则在光电探测器上输出的光电流功率为： Po=i：R。=口2R￡乎 (2—12) 光电流f∥只对入射光功率尸∥有响应，当然光电流随时间的变化也就反应了 光功率随时问的变化。这种探测方式只能响应激光回波强度的变化。因此，这种 探测方式的局限性火，相位，频率信息都丢失了。 我们通过信噪比来分析⋯下外差探测的效率。在这里我们假定本振光束是纯正 弦形式，不引入噪声，这当然是一种理想情况。 令输入端的信号场、噪声场以及本振场分别用符号毋、刀f和r表示，则入射到 光电探测器面上的总输入场可以写为： 岛=毛+％+，． (2-13) 根据探测器的平方率特性，输出信号则为： eo。Jo+no =砰 =a(sf+％)2+2ar(sf+吩)+甜2(2-14) 旦 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 在这三项中，ar2项是直流项，光电探测器的隔直电容会将其滤除，不存在有 用的信息。因为，．>>0，+n3，所以第一项较之第二项可以忽略。只有第二项可以 通过中频放大器。做了这样的考虑之后，(2．13)可以变为 J。+以。=2ar(sf+n，) (2·15) 因此可得输出信噪比 (兰)。=(三)， (2．16) 这说明，在理想条件下，外差探测对输入信号和噪声均放大相同的倍数，因 而没有信噪比的损失。 而采用直接探测方式得到的输出信噪比为： csN耽2詈。≤毛no zslnl+n； ：堕!丝 (2．17) 1+2(s，／n，) 、 7 当s'／ni<>l，有 ＆≈斗1一$i) (2．19) rlo 二一 同样的，可见输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换后的信噪比损失不大， 实用中完全可以接受。 通过上述信噪比的分析，可以知道直接探测方式最适宜于强光信号的探测， 它的实现十分简单，可靠性又好，所以有广泛的应用。但是当信号非常微弱，直 接探测无法达到或接近探测灵敏度的理论极限，外差探测天然的具有适合微弱信 号探测的特点f20】。 2．2激光外差探测的特点 通过以1-'2．1．2中的对比总结，我们知道与直接探测相比，光外差探测具有许 多优点【171120l： 第二章激光外差探测 (1)外差探测有利于微弱信号的探测，灵敏度比直接探测提高几个数量级‘221。 由于中频信号电流oOCE—rE一,=√丽，其中只为信号光功率，P，为本振光功率，所 以在一定条件下，只要本振光足够强，即使信号光功率很小，仍然可以得到所需 的中频输出电流。 (2)转换增益高。从物理过程的观点来看，直接探测是光功率包络检波过程； 而外差探测是把信号光频率转换成差频进行探测，即把仑协为载频的光频信号转换 到队你为载频的中频电流上，如式(2．17)所示。这种转换过程是本振光的作用，它 使光外差探测天然地具有一种“转换增益”。为衡量这种转换增益的量值，我们以直 接探测为基准来加以描述，为此令转换增益G为： D G=誓 (2-20)D 、 ’ 1S 其中昂是外差探测中频功率，B是商接探测输出的光功率。分别为： ％=2a2P,e,R， (2-21) 只=C蜀=矿p，2RI (2—22) 其中也是光电探测器的负载电阻。将(2—20)、(2-21)式代入(2．19)式得N- G=z／-I (2．23) B 一般情况下， 一>>只，所以转换增益比较高。 (3)具有良好的滤波功能。在直接探测中，为了抑制杂散背景光的干扰，都 需要在探测器前加置窄带滤光片。例如，滤光片的带宽为lnm，耳[1A2=lnm，这已 经是十分优良的滤光片了，以2=532nm估计，它所相应的频带宽度： Af：竺兰：12×10。Hz X 显然，这仍然是一个十分宽的频带。而在外差探测中，情况则不相同。如果取差 频宽度作为信息处理器的通频带，即 厶=l正一ZI (2-24) 在相干探测中，只有那些与本振光混频后仍在中频带宽之内的杂光才能进入检测 系统，其他杂光噪声被滤掉。而且，背景光、杂散光与信号光、本振光不相干不 会产生相干叠加项。例如取激光通过声光调制器后的0级光和l级光作为信号光和 本振光，其恬100MHz。可见，在光频外差探测系统中，不加滤光片也比加滤 光片的直接探测系统有更窄的接收带宽。 旦 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 (4y具有良好的空间和偏振鉴别能力。信号光和本振光必须沿同一方向射向 光电探测器，而且要保持相同的偏振方向，这意味着光外差探测本身就具备了对 探测光方向的高度鉴别能力和对探测光偏振方向的鉴别能力。 (5)在适当选取本振光功率的情况下，可以获得较高的信噪比。信噪比的定 义为： SNR：堡：： 鲨墨墨丝：堕一一—— (2．25) 晶 2M2q，【口(另+只+B)+iv]aSR￡+4K占TABR￡ 、 。 其中， ^是总的噪声功率，n是背景噪声功率，幻是探测器的暗电流，M是探测 器的内增益，AB是探测器的测量带宽，KB是玻尔兹曼常数，堤绝对温度。 在只考虑散粒噪声和热噪声，并且本振光引起的散粒噪声远大于其它噪声的 情况下，信噪比能够达到最大值： SNR：丛 (2．26) hvzkB 、 。 彻是光电探测器的量子效率。增加本振光功率，可以抑制其它噪声，提高信 噪比。但本振光的功率不能太高，因为过高会带来较大的散粒噪声，反而会降低 信噪比。所以只有适当的选取本振光功率，才能提高信噪比。 2．3光外差探测实现的条件 虽然光外差探测有上述的优点，但是对于实际的探测系统来说，信号光与本 振光必须满足一定的条件，才能实现光外差探测【23】【241，在光外差接收机中，激光 回波信号与本地振荡信号在光电探测器上进行相干混频，进而产生光电流，再通 过对这个中频电流信息的解调和处理，得到有用的信息。外差探测接收需要满足 的条件如下： (1)信号光与本振光必须具有相同的模式结构，这意味着所用激光器应该单 频基模运转； (2)信号光和本振光在光混频面上必须相互重合，为了提供最大的信噪比， 它们的光斑直径最好相等。因为不重合的部分对中频信号无贡献，只会带来噪声； (3)信号光和本振光的能流矢量必须尽可能的保持一致，即两光波必须保持 空间上的角准直； (4)本振光和信号光在一定允许的角误差情况下，二者要尽可能保持垂直入 射到探测器的光敏面上： (5)在角准直情况下，信号光和本振光的波前还必须匹配： (6)信号光与本振光必须同偏振，因为在光混频面上它们是矢量叠加。 由以上条件可知：与直接探测相比，相干探测对光源和实现条件的要求极高。 第二章激光外差探测 此外，若在大气中实现光外差探测，大气湍流效应和大气抖动等还将严重破坏光 外差探测所需要的相干性要求。因此，虽然外差探测具有很多的优点，但实现起 来有一定的难度。 2．4光外差探测的主要影响因素 对于不同的实际需要，激光外差测量系统的结构也存在一定差别。前一节论 述了实现外差探测所需要的一些条件，但那只是理想条件。外差效率依赖于很多 因素，诸如信号光与本振光的场分布、偏振态、能流矢量匹配、等相位面匹配， 探测器的类型(响应度)、光敏面尺寸、光斑尺寸以及目标物体表面类型等等。 2．4．1偏振态对外差探测的影响 光束在传输过程中，并且经过不同的传输介质会使原来良好的线偏振光的偏 振态发生改变。我们现在假设信号光与本振光有着不同的偏振态，二者的光场表 示如下： E，(f)=E，ocos(w．,．t+织) (2—27) E，(t)=E，ocos(colt+仍) (2-28) E如和E70分别是信号光和本振光的复振幅，它们的方向也同时表示了它们的偏振 方向。根据2．1节外差探测原理，可以得到外差光电流为： i伊=a[E；+E；+2E，E，cosocos[(co,一tOi)t+(纺一仍)】 =口{只+曰+2√只另cosOcos(Awt+△妒))(2-29) a为光电探测器的响应度，只、P，为信号光和本振光的光功率。 对比式(2-9)，可以看出式(2．29)多了cos0一项，其中 cos肚踹 弘3。， 式(2—29)rP的(尸一f)为直流响应分量，可以被光电探测器的隔直电容滤除掉。cosO 定义为外差信号偏振态的匹配因子，用它可以表征外差信号的匹配程度，其取值 范围为0-1。当cosO=O时，本振光和信号光完全失配，外差效率最低；当cosO=l 时，两束光完全匹配，外差效率最高；一般情况下，匹配因子介于1和0之间， 称为部分匹配，外差效率也介于两者中间【27】。 因此，我们在进行外差探测时，应该尽量使信号光和本振光的偏振态保持一 致，才能达到尽可能大的外差探测效率。 堑 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 2．4．2等相位面匹配对光外差探测的影响 激光是高斯光束，在传播的过程中，它的曲率半径是会随着传播而变化的， 而且本振光和信号光沿着不同的路径传播，两束光在传输与变换过程中的差异使 得二者在达到探测器光敏面上的相位因子发生了不同的变化，因而造成了二者等 相位面的失配【28】【291。 面 图2．2光敏面上等相位面失配I州1 如图2．2所示，_者不同的光程造成的光程筹对于等相位卣的失配有着很人的 影响。现在将信号光和本振光用基模高斯光束的场分布来表示： IP's(x，y，z)=j等exp[一ikz,一il肛2吒2L．x2+J，2)+iarctanfl,](2．31) q死 ￡ 少，(x，Y，z)=j等exp[一ikz，一i1乃2听2I,x2+y2)+iarctanfll](2。32) q死 二 其中， ∥=手=丽2z， p=上wo(1+f12)％∥_1+／P，七=等，厂是共焦参数， 帅为 高斯光柬的光腰半径。外著效率【28】定义为： 仇2 肌12幽胍12dA 』 』 (2-33) 式中，场和甥分别是本振光和信号光的复振幅场，4妒为信号光和本振光的相位差， A表示探测器光敏面面积，积分域为光敏面区域。将式(2-31)与(2-32)代入到式(2—33) 中，得到高斯光束的外差效率为： 4∥口2彳口2[exp(一∥口2一彳口2)-2eXp(-i1岛2口2一i1彳口2)cos斗1仃2口；尼-p]a；flt)+11 ”．==—--------—--·——-·--——-———-—-------————————--------------——————-—-———==------——-----==—————————·————---==-—------——-————-—-—————-—————————--一吖6 【(∥口2+彳口2)+(房口2尼一彳n2届)2】【l—exp(耐口2)】 第二章激光外差探测 17 (2—34) 可见，光程差对外差效率的影响是很大的。光程差是造成等相位面失配的主要原 因。光程差越大，外差效率越低。而且合束镜与探测器的距离越近，外差效率随 光程差的增大下降的越快【3l】。 2．4．3光斑匹配对光外差的影响 激光的光强服从高斯分布，因此光强集中在光斑的最中心部分，光束在传播 的过程中会发散，而且通常为了更好地调节光路，我们采用圆形光阑来接收信号 光，这样可以获得更好的光斑，也可以遮挡掉一些杂散光，使得光能量更集中， 提高了信噪比。光束透过光阑遵循夫琅禾费衍射理论，经过光阑后的光束再经过 透镜汇聚形成艾里斑。假设信号光与本振光的艾里斑的尺寸相差一个比例系数丫， 即归一化场分布函数为： E。(x)：—2Jl—(x)，目。(x)：—2J,O—'x)(2-35) 这里的J,(x)Y9--阶贝塞尔函数，由夫琅禾费小孔衍射理论可知，x=kdr／f,七为波数， d为光阑的半径，伪透镜的焦距。此时外筹效率为 Ⅲ型型凼】z酽筘 Q-36) 图2．3本．信光斑比例系数不同时的外差效率随探测器尺寸的变化‘3’1 由图2．3的曲线可见，当fl时，即信号光的艾里斑的尺寸与本振光的艾里斑尺 寸相等时，外差效率是探测器尺寸的增函数，最大值在无穷远处：而当停l时，探 测器的尺寸对外差效率的影响较大【321。 坚 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 2．5实验光路的搭建和调节 在2．4节中，我们介绍几个因素对外差探测的定性影响，可以看出，激光外差 的条件是非常苛刻的，只有每个因素都尽可能地实现优化，才能达到外差效率的 最大化。 实验系统光路构造如图2．4所示。本实验采用的激光器是Coherent公司的 Verdi．II型激光器，该激光器所输出的激光是波长为532nm的绿光，具有良好的相 干性，带宽为5MHz，发散角为0．5mrad。声光调制器对激光器发出的激光束进行 频率调制，可得到频率等于入射激光频率的0级非衍射光和频率与入射激光频率 相差100MHz的l一级衍射光。得到的l级衍射光经过扩束处理，作为信号光照 射到待探测的目标物体上，激光器输出的‘咕B分光作为本振信号光。声光调制器 采用的是中国电子科技集团公司第二十六研究所的TSGMN．3／Q型声光调制器，其 晶体材料为石英，调制频率为100MHz。前置放大器由中国电子科技集团第十三研 究所提供，第-‘级前置放大器小信号功率增益大于等于20dB，噪声系数小于等于 1．5dB。第二级放大器小信号功率增益为大于等于37dB，噪声系数小于等于2．0dB。 两极放大器总共可以将功率放大1000倍，是比较优良的放大器。 待测目标的回波信号光在到达光电探测器前与本振光进行合束，使其良好匹 配，然后在光电探测器上产生中频外差信号。实验中采用PIN光电二极管作为探 测器，并在其前方安装了适当的望远镜系统，以提高接收灵敏度和信噪比。光电 探测器输出的电信号经过两个级联的前置放大器组合使得微弱的外差信号得以有 效的放大，在示波器上可以观测到此信号，该信号进过信号处理可以得出有用的 信息。 第二章激光外差探测 目 分束境 19 ●_一 图2．4实验光路基本构造 为了实验能够获得良好的外差信号，光路的调节是至关重要的。在上一节我 们已经讨论过外差相干探测所需要的条件，在实验操作中就要将理论化为实践。 首先，要确保由目标面反射的回波激光经过汇聚透镜能够在光电探测器的光敏面 上成像，实验中我们采用的PIN管的光敏面直径为0．5mm，这就要求探测光斑经 汇聚透镜所成的像要小于0．5mm。这样既是为了调解光路方便，也是为了更充分 的利用光能量。凶为在实际探测中，回波光信号都是非常微弱的，光能量可能只 有nW级，因此充分利用光能量至关重要；其次，要保证在光敏面上本振光与信 号光的光斑是重合的；再者，保证本振光束经过合束镜的反射也能够进入光电探 测器的光敏区域。这样初步调节完才使得本振光和信号光的光轴达到重合。 在该实验系统中，由于我们采用的Verdi．II型激光器所发激光的光斑直径为 2．25mm，根据共焦参数与曲率半径的公式： ，：巫 。 丸 (2—37) R(z)=Wo，／1+z乃2 (2—38) Y ／．， 带入激光器参数wo=(2．25／2)mm，2=532nm，计算得到共焦参数户7m，当z=f=7m 时，曲率半径R=14m，相对于光电探测器的光敏面尺寸(0．2．0．5ram)来说是很大的， 因此在实验室条件下，该高斯光束可以看做平行光。此外，实验系统中本振光和 信号光均来自于同一个激光器，模式相同，都是良好的垂直线偏振光。因此，在 该实验中我们忽略了对本振光和信号光波前匹配及偏振态对外差的影响，在后一 章节中着重讨论本振光和信号光的轴线夹角、光斑尺寸、及目标物表面对外差的 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 影响。 2．6本章小结 本章从理论的角度分析了激光外差探测的一些影响因素，诸如本振光和信号 光的偏振态、等相位面匹配、光斑匹配。通过对上述影响因素的理论分析，我们 了解到，外差探测的实现是很困难的。我们在实现激光外差时要保证本振光和信 号光的偏振态相同，能流矢量方向一致，光斑尺寸尽可能一致并都垂直于光敏面 入射，等相位面的曲率相同，这样才可实现高效的外差探测。下一章用Matlab和 自己搭建的实验来进一步分析本振光和信号光的轴线夹角、探测光斑尺寸、粗糙 表面对光外差的影响。 第三章光外差探测的关键影响因素研究 第三章光外差探测的关键影响因素研究 上一章分析了外差探测的原理和多种影响因素对其的影响，本章将进一步引 对激光外差效率的关键影响园素进行研究．包括分析实验系统中奉振光平“信号光 的轴线最大夹角、光斑尺寸对外差的影响，以及粗糙目标物面对外差的影响。 3．1信号光与本振光轴线夹角的匹配 Isd3I本振光目和情号光丘在光电探测器上的匹配 如图31所示，照射到光电探测器光敏面上的本振光和信号光在实际探洲中nr 能存在一定的夹角。假定信号光B是垂直于光电探测器的光敏面入射，频率为啮； 本振光目与之有一个夹角，频率为∞，。 映葛÷ 目32两柬光不平哥亍的分析模型 为了分析方便，这里用渡矢来表示光波场。如图3．2所示的坐标关系，可以写 出探攫f器表面上的信号光和本振光波的电场分别为： E．(r，t)=Eocos(qt—K，r) (3—1) E，(r，t)=局ocos(co』t—K』r) (3-2) 假设光波在z方向均匀，且r=d+vi．并注意到．在探测罂上触，则有 丝 基于合成孔径激光雷达的光外差探测垂芝术巫窒 E，=EoCO$cod E，=历ocos(cod+K，sinO·Y) 在(O∽点上的中频电流 靠(0，Y，t)=啦。局ocOS(COtvt+墨，Y·sinO) =aE,o日oCOS(COtrt+Kf·Y·O) 这里因为0较小，所以有sinO'≈O。 总的中频电流为 靠=去暖1wIF棋r)ay =警最cosc％t+Kt．y．O坳 (3-3) (3-4) (3-5) =鬻[si慨f+iDgt·0)_sin(％f—iD即矽)j(3-6) 利用三角函数的和差化积公式，有 sin(鱼：旦：望) o川点’E,cos∽∥’1万蚤(3-7)(=L二) 2 这个结果说明中频电流的人小与两束光的角度偏差0关系很人。 当 鱼：旦：里：万 (3．8)—I——一=万 ～j。6J 2 时，fIF=O，满足该式的钽巩砒，称为最大允许的偏差角。从式(3—8)。口J‘以得到， ‰x。去(3-9) 式中，D是光电探测器的光敏面尺寸，A，为本振光波长，从图3．2看出，两列光波 到达光电探测器的光敏面的程差，近似为 ，=D·O (3-10) 当萨‰。时，1=2，，此时，两列波在光混频面上的位相差正好为7【，所以中频电流 为零。 这就说明，两列波的不平行度对光外差的效果影响很大，因为‰。由A，决定， 而光波的波长都是gm量级的，因此光外差对光波的角准直要求是很严的。不过也 正是由于这一高要求，才使得它具有良好的空间鉴别能力，有利于抑制有害的背 景杂散光。 从式(3．8)可以看到，中频电流是本振与信号光束光轴夹角0的Sa函数(图3．3)， 那我qJ(3．9)式所定义的‰是中频电流出现第一个零值所对应的二者的夹角。当 第三章 光外差探测的关键影响因素研究 本振光与信号光轴线之间的夹角继续增大时，中频电流又会出现，直到出现第二 个零值，但是幅度比零值之前要降低的，如此往复，直到光电流的幅度降为0。 图3．3 Sa函数 接下来我们通过实验来观测信号光束和本振光束的最大偏差角。我们采用的 是波长为532nm的激光束，1主t(3．9)式计算得到，巩懈=1．0mrad。可见，对于探测而 言，光外差对光波的角准直要求是很严的。A．E．Sigman在60年代就用理沦证明了 只有当本振光束和信号光束两者的波前及能流矢量方向完全一致时，才能达到最 大的探测效率㈣。 我们在实验中采用图2．4的光路结构来改变信号光与本振光轴线之间的夹角。 不同的本借光夹角对外差信号的影响 > 点 ^ 鹫 警V 越 馨 心 地 j|l|{ 彘 图3．4本振光和信号光轴线夹角与中频光电流幅度的实验曲线图 兰 些主宣堕il堡塑堂堕竺盟些21差堡型堑垄婴塞 通过多组数据的测量，得到图3．4的实验曲线。曲线的横坐标是本振光和信号光的 轴线夹角，纵坐标是二者相干后得到的外差光电流的峰峰值幅度。从图上可以看 出来，当本振光和信号光的夹角越大时，外差光电流幅度越小，即外差教果越差。 当两束光的轴线夹角达到5mrad时，外差光电流的峰峰值已低至50mV。我们再进 目3 5本振场和信号场在光被面上的叠加样式 一步增大二青的夹角时，则输出端的信号就被噪声完伞覆盖，无法再探铡到外羞 信号，。 实验数据的采集记录是有限次的．我们通过手动调节奉振光束的反射镜使得 本振光束的光斑在x轴向(即台束镜上平行丁地面的厅向)作微小的移动，湃用刻度 尺衡量二堵的中心距离偏差n，用i!{距离与龠粜镜到光电探测器光敏而之问的距离 f的比值柬衡量．者轴线的夹角。所以产生的人工误差是很大的。而且再仔细观察 我们实验中所州的光束，实验采用本振光束和信号光束都是有直径的．大约为 25mm左右，如图3．5所示。理论值的计算是在理想的条件下，认为信号光和本振 光都是光线而非有宽度的光束。综台起来的种种因素导致了实验值与理论值有着 定的差异。 3．2探测光斑大小对外差探测的影响 在上一节中．我们已经描述了光学外差实验的结构原理图。在雷达的实际探 测中，我们还有许多问题需要考虐，诸如对于确定功率的激光源和一定距离的反 射面．我们采用多大的光斑去照射它才能够产生较高的外差效率呢?当光斑的功 率密度一定时．虽然光斑大一些|旦【波能量会大一些，但在光斑的不同位置，回波 会有相差．这会导致外差信号相互抵消。所以，并不是随着被铡目标物体上照射 光斑的增大，中频电流也会随之增大。 一束激光经声光移频晶体产生100MHz的频移，这束光作为信号光照射到目 标物面上．目标物面(镜面或者是漫反射物面)反射出的回波信号经过一个收光凸透 镜，将能量汇聚到光电探测器的光敏面上。实际探测中，收光透镜尽可能选择太 第三章光外差探测的关键影响因素研究 孔径的镜头，这样可以收集更多的信号光。 3．2．1外差探测光路分析 首先，我们要讨论探测光斑上不同点的回波到达探测器产生的光电流。如图 3．7所示，我们设定该双凸镜的曲率半径都为Rl，前后面的曲率中心分别为Dl和 仍，透镜的焦距为，凸透镜的中心厚度为2T，即图中的MMI=2T．光轴为EEt 方向。EH所在的面为物面，EIHI所在的面为像面即探测器的面，探测器的大小为 0．5mm。 nl=l，／'12=1．5，f=150mm，将物体放置在100m远处，／=100m 根据Gauss公式， 手+鲁卅 p7， 计算得到It=150．22mm。 。 再通过几何光学的物象关系：探测器大小为yl=0．5mm， 拿：上 (3．8) ‘l Yl 计算得到y=332．83mm。接下来推导光程差的公式： 在实验室条件下，因为传播距离短，我们将激光束看做平面波，同偏振 态的信号光束和本地振荡光束的电场分别为【16】： Es=Esocos(m,t+9s、) Et=局ocos(tort+仍) (3-9) 由光电探测器的平方律特性，输出的光电流为： i=口[E(f)+日(f)】2 (3一lo) 口是光电探测器的响应度。 从数学运算和物理过程考虑，式(3．10)变为 I‘lF=Ol{譬+譬喁即0s【％地训】) =巨。蜀ocos【(q—coi)t+(织一仍)】+lo (3-11) 这个光电流经过光电探测器和有限带宽的中频@IF)放大器，直流项被滤除， 暴剩下中频交流分量： 靠=√e异cos[aox+△伊】 基于合成孔径激光雷达的光外差探测技术研究 =Acos(A纠+A咖 (3-12) 只与尸，分别为信号光和本振光的光功率。令√丽利。 从这个外差光电流的公式，我们可以看到，中频电流除了与时间有关，还与 本征光与信号光之间的相位差有着密切的关系。f，，是光电探测器上的中频电流山 是直流项，用一个隔直电容可以将其去除，并且对于我们这里要讨论的内容也没 有什么意义，因此只用讨论交流项就可以了。 本地振荡光在混频面上与信号光混合相干，从激光器发出的本振光到达混频 面的各点的相位延迟是一样的，所以在这里我们仅考虑由信号光引起的相位差△缈。 由公式(3．12)继续推出： 0=彳cos(△国f)cos(妒)一Asin(Acot)sin(矿) (3—13) 一束激光照射到物体上，在物体上会形成一