垂直腔面發(fā)射激光器自混合傳感與光學定位跟蹤技術(shù)研究.pdf

1、本論文是在中國科學技術(shù)大學與美國微軟公司西雅圖硬件部合作的《激光自混合多普勒跟蹤》、《光纖激光自混合多普勒跟蹤》和《二維光學定位跟蹤》三個研究項目背景下進行的。 半導體激光自混合效應(yīng)傳感技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高及非接觸性等顯著優(yōu)點，可實現(xiàn)速度、距離、振動等物理量的傳感測量，已成為當前光學傳感領(lǐng)域中的研究熱點。本文對新型單縱模垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)自混合效應(yīng)傳感技術(shù)進行了應(yīng)用基礎(chǔ)研究，研制了高精度的VCSEL自混合測

2、速系統(tǒng)、測距系統(tǒng)、測振系統(tǒng)以及雙眼法實時二維光學三角定位跟蹤系統(tǒng)，獲得了豐碩的高新技術(shù)創(chuàng)新性成果。 本文的主要成果如下： 1.用三鏡腔模型和激光器速率方程深入研究了激光自混合效應(yīng)傳感的基本原理，數(shù)值模擬得到對激光器電流進行調(diào)制時不同反饋程度下的自混合信號，由自混合信號模擬重構(gòu)出外界反饋物體的振動波形，理論和實驗結(jié)果符合良好。 2.研制成功出VCSEL自混合測速系統(tǒng)，采用VCSEL動態(tài)連續(xù)三角波電流調(diào)制方法在5.2

3、mm/s～479mm/s速度范圍內(nèi)實現(xiàn)了準確的方向判別和精度優(yōu)于3.1％的絕對速度測量。該系統(tǒng)也實現(xiàn)了液體流速測量。 3.研究了聚合物光纖作為光傳輸介質(zhì)對VCSEL自混合測速信號的影響，首次觀察到自混合信號的波形畸變和頻譜展寬現(xiàn)象。理論和實驗研究表明聚合物光纖端面較大的散射光接收角是引起自混合信號波形畸變和頻譜展寬的最主要原因。 4.研制成功VCSEL自混合測距系統(tǒng)，提出用差頻模擬鎖相技術(shù)在80～480mm距離范圍內(nèi)實現(xiàn)

4、了誤差小于2mm的絕對距離測量。同時深入分析了自混合測距系統(tǒng)中信號相位的突變、采樣時間、調(diào)制三角波頻率和幅度、VCSEL調(diào)制特性等因素對測距精度的影響，優(yōu)化了系統(tǒng)參數(shù)。 5.研制成功聚合物光纖傳光的VCSEL自混合測振系統(tǒng)，在光纖出射端面到散射表面最大工作距離為49mm的范圍內(nèi)實現(xiàn)了振動信號測量。研究表明光纖長度、光纖彎曲、環(huán)境溫度變化等因素對激光自混合效應(yīng)影響較小。6.研制成功實時二維光學三角定位跟蹤系統(tǒng)，在80mm×100m

5、m工作范圍內(nèi)，系統(tǒng)分辨率高于0.1mm、定位精度優(yōu)于2mm。同時深入分析了定位系統(tǒng)的基本特性如視角、工作范圍、定位精度等與各影響因素之間的關(guān)系，詳細分析了系統(tǒng)測量誤差來源，發(fā)現(xiàn)成像鏡頭大視角的高階畸變是引起定位誤差的最主要原因，并給出了準確的理論公式和誤差修正公式。 本論文的主要創(chuàng)新點包括： 1.提出用動態(tài)連續(xù)三角波電流調(diào)制方法研制成功VCSEL自混合測速系統(tǒng)，在5.2mm/s～479mm/s速度范圍內(nèi)同時實現(xiàn)準確的方向

6、判別和精度優(yōu)于3.1％的絕對速度測量。該結(jié)果優(yōu)于飛利浦公司2002年報道的在0～150mm/s速度范圍內(nèi)測量精度達到6％的實驗結(jié)果。 2.首次觀察到聚合物光纖作為VCSEL自混合測速系統(tǒng)的傳光介質(zhì)時自混合信號的波形分立和頻譜展寬現(xiàn)象，并作了合理的物理解釋。 3.提出用差頻模擬鎖相處理自混合信號的技術(shù)，研制成功了精度優(yōu)于2mm的VCSEL自混合測距系統(tǒng)。該成果已經(jīng)申請美國專利。 4.首次研制成功采用聚合物光纖傳光的