【摘 要】
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调频连续波激光雷达通过处理接收信号和发射信号之间的差拍频信号来得到目标的距离信息,且用于测量目标的距离和速度的性能与环境光条件无关,不需要额外的辅助光源提供照明。常用的调频连续波有正弦型、锯齿波、三角波等调制方式,其中三角波调制连续波可以在上升沿和下降沿阶段进行距离测量,并利用正负调频斜率来消除距离和速度信息的耦合,从而进行目标速度的测量。调频连续波激光雷达具有容易实现、结构相对简单、尺寸小、重量
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调频连续波激光雷达通过处理接收信号和发射信号之间的差拍频信号来得到目标的距离信息,且用于测量目标的距离和速度的性能与环境光条件无关,不需要额外的辅助光源提供照明。常用的调频连续波有正弦型、锯齿波、三角波等调制方式,其中三角波调制连续波可以在上升沿和下降沿阶段进行距离测量,并利用正负调频斜率来消除距离和速度信息的耦合,从而进行目标速度的测量。调频连续波激光雷达具有容易实现、结构相对简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点,在军事和民用领域均得到了广泛的应用。然而调频连续波激光雷达的测量精度容易受到大气干扰和物体表面的散斑噪声影响,而激光光源的线宽和调制线性度也影响目标距离和速度的测量精度。本论文分别采用窄线宽分布反馈式激光器和单片集成双频激光器作为激光雷达的光源,实现了对目标距离和速度的测量。本文的主要研究内容和结果如下:(1)实现了基于双边带调制的调频连续波激光雷达,搭建了双边带调制激光雷达的测距系统,并进行了实验室分析。双边带调制激光雷达可以利用激光器外部调制的方式产生,通过马赫曾德调制器外加线性频率变化的三角波调制连续波信号,当马赫曾德调制器工作在正交偏置点出就会实现双边带调制,而且产生的±1阶边带具有线性调频连续波特性,与本地载波拍频后将会得到具有线性变化的微波信号。通过将线性调频三角波信号加载到马赫曾德调制器上,马赫曾得调制器再对测量线宽为0.8 MHz的窄线宽激光器进行调制,实现了中心频率6 GHz、调制带宽2.4 GHz、调制周期50μs的线性调频拍频信号。基于双边带调制的调频连续波测距雷达实现了对不同距离的测量,实验中测量范围为50 m至2935 m,相对测量误差最大为100 m处的3.76%。在不同调制带宽下(0.8 GHz-2.4 GHz)进行距离测量,相对误差率整体保持在0.35%-0.52%之间。(2)实现了基于线性调频双频激光器的调频连续波激光雷达,搭建了双频线性调频激光雷达系统,并进行了实验分析。对于基于单片集成双频分布反馈式激光器的双频激光雷达系统,当双频DFB激光器的双频频率差(拍频频率)设定为15 GHz时,依据边带入锁定原理发现双频激光器的锁定范围为14.8 GHz-15.5GHz,得到调制带宽最大为700 MHz的线性调频连续波激光雷达。通过将三角波线性调频信号加载到激光器上,实现了中心频率15 GHz、调制带宽320 MHz、调制周期200μs的倍频线性调频信号。双频线性调频激光雷达实现了不同距离和速度的测量,实验中距离测量范围为55 m至2935 m,距离相对误差最大为1105 m处的1.6%;速度测量范围为1.47 m/s到5.05 mm/s,速度相对误差最大为1.47 m/s处的3.18%。通过改变延迟光纤的长度或者调节示波器的分辨率,得到双频DFB激光雷达的距离分辨率为0.5 m,速度分辨率为1.02 mm/s。
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