光子外差探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)精度提升方法研究

發(fā)布時(shí)間：2020-04-22 03:48

【摘要】：激光外差探測(cè)是一種可以獲得目標(biāo)方位、距離、強(qiáng)度和速度信息的多維探測(cè)手段,在目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的激光外差探測(cè)采用的線性APD探測(cè)器收到靈敏度的限制,在超遠(yuǎn)距離探測(cè)和極微弱信號(hào)探測(cè)領(lǐng)域無(wú)法正常工作。光子外差探測(cè)是將外差探測(cè)技術(shù)與光子計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)相結(jié)合的全新探測(cè)技術(shù),通過(guò)采用具有單光子探測(cè)能力的Gm-APD作為探測(cè)器,極大提升了光子外差探測(cè)的靈敏度,但是也帶來(lái)了諸如本振光過(guò)強(qiáng)將淹沒(méi)掉本振光與回波差頻的中頻信號(hào)等一些列問(wèn)題。因此,本論文圍繞光子外差的探測(cè)精度這一重要指標(biāo),研究影響光子外差探測(cè)精度的影響因素,并尋求提升光子外差探測(cè)精度的方法和手段。光子外差探測(cè)技術(shù)比直接探測(cè)方法的數(shù)量級(jí)高很多,分辨率更高,而且因?yàn)楣庾油獠钐綔y(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于弱至光子量級(jí)的回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),因此大大提高了探測(cè)系統(tǒng)的作用距離。本文首先研究了光子外差探測(cè)的物理機(jī)理,從激光外差探測(cè)理論和光子計(jì)數(shù)理論出發(fā),建立了光子外差探測(cè)的物理模型,進(jìn)而對(duì)光子外差探測(cè)過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真。分析了光子外差探測(cè)過(guò)程中信號(hào)光子的時(shí)間分布規(guī)律,光子外差探測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)外差中頻信號(hào)的映射規(guī)律,為光子外差信號(hào)的頻譜信號(hào)提取奠定了理論基礎(chǔ)。圍繞光子外差信號(hào)的頻譜解析開(kāi)展研究,以信噪比為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),對(duì)光子外差系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)開(kāi)展分析工作,重點(diǎn)研究了本振光對(duì)信噪比的影響規(guī)律。研究了傅里葉變換法、光子到達(dá)時(shí)間間隔法、窗口分割法等三種光子外差信號(hào)頻譜解析的方法,提出將光子計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)外差中頻信號(hào)的處理方法,使后續(xù)的信號(hào)處理能夠大大的提升探測(cè)精度。利用優(yōu)化后的頻譜解析方法可以獲得線寬較小的光子時(shí)間分布的功率譜密度,完成了光子外差探測(cè)系統(tǒng)光子計(jì)數(shù)率的分析,完成了光子外差探測(cè)系統(tǒng)功率譜密度分析,得到了最優(yōu)化探測(cè)實(shí)驗(yàn)的重要條件,提高系統(tǒng)的信噪比。通過(guò)優(yōu)化本振光強(qiáng)和信號(hào)處理的方法獲得高信噪比、窄線寬的功率譜密度進(jìn)而提升系統(tǒng)的探測(cè)精度,確定了本振光強(qiáng)為信號(hào)光強(qiáng)的4倍。最后針對(duì)光子外差探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)光路,從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了之前所提出的頻譜解析方法的有效性,驗(yàn)證了本振光強(qiáng)對(duì)光子外差探測(cè)精度的影響規(guī)律,根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果對(duì)光子外差探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。測(cè)量得到勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的速度為1.0622 m/s,測(cè)速誤差為0.005 m/s。變速目標(biāo)的速度由1.0622 m/s變到1.5940 m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于勻變速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的光子外差探測(cè)結(jié)果測(cè)速誤差與勻速目標(biāo)一致。
【圖文】：

成像方法,光子,光子計(jì)數(shù)器,到達(dá)時(shí)間