全光纤激光相干探测实现远距离目标测速

眭晓林，周寿桓，赵 鸿，刘 波，颜子恒，熊文龙

(固体激光技术重点实验室，北京100015)

1 引言

1964年，Yeh和Cummins首次采用双光束相干技术通过测量激光多普勒频移量来获得流体的运动速度［1］。利用激光相干测速方法在测量范围、精度、实时性等方面均优于传统方法［2］。但作用距离一般在数百米之内［3－4］。在对于诸如月球、火星之类的外星球进行探索时，飞船着陆器需要安全软着陆。软着陆过程中激光技术在着陆器速度感知方面发挥重要的作用［5］。

2 系统组成及原理

本研究采用全光纤相干探测方案，成功实现了对最小功率10－13W回波光的多普勒频移进行探测。实验方案如图1所示。

图1 全光纤相干探测系统原理Fig．1 scheme of all fiber coherent detection system

经过调制后的光纤单频激光分为本振光和照射光。本振光经过λ/2波片到达探测器。目标照射光经反射后进入接收支路在探测器上与本振光混频。收发隔离器前加λ/4波片是使反射光与本振光在偏振方向上一致。该系统所有光路连接均采用光纤。探测器输出的信号携带有相对运动速度信息，数据采集及处理系统对该信号处理后得到飞船速度。

对于着陆行星表面，在作用距离最远处接收回波功率 Prmin由下式计算［6］:

式中，Prmin为作用距离最远处接收功率;Pt为激光发射功率;Ac为接收有效口径面积;ρ为目标反射率;k为光学系统透过率;Rmax为最远距离。

系统中采用的参数如下:激光发射功率Pt=100 mW，光学透过率k=0．3，接收有效口径面积Ac=0．0035m2，目标反射率ρ=6%。系统达到的作用距离为Rmax=3 km。代入公式，得到最小接收功率:Prmin=2．2×10－13W 。普通激光探测系统的最小接收功率一般在10－8W数量级。该全光纤相干探测系统灵敏度较普通探测系统提高5个数量级。

3 实验结果

本系统实验采用直升飞机作为载体，将系统固定在直升机驾驶舱侧下方，如图2所示。

图2 相干探测系统安装于直升机上Fig．2 coherent detection system ismounted on the helicopter

在距地面3 km飞行进行速度测量，测试数据如图3所示，粗线为激光测速雷达测试数据，细线为GPS测试数据。在 GPS测量随机误差的 δ=0．25 m/s情况下，测量数据与GPS最大误差为δ=0．45 m/s。目前该系统的作用距离主要受限于发射功率，再采取更大的发射功率将达到更远的距离［7］。

图3 相干探测系统与GPS测试数据对比Fig．3 coherent detection system test data vs GPS data

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［3］ Cai Xiping，Zhao Yuan，DaiYongjiang，etal．CO2coherent laser doppler velocimetery［J］．Infrared Millim．Waves，1996，15(6):465 －468．(in Chinese)蔡喜平，赵远，戴永江，等．CO2相干激光多普勒测速的研究［J］．红外与毫米波学报，1996，15(6):465－468．

［4］ Zhang Yanyan，Huo Yujin，He Shufang，et al．A new dual frequency laser Doppler velocity measurement method［J］．Laser ＆ Infrared，2010，40(7):694 －696．(in Chinese)张艳艳，霍玉晶，何淑芳，等．一种新的双频激光多普勒测速方法的实验研究［J］．激光与红外，2010，40(7):694－696．

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