横向激励大气压(TEA)CO2激光测距机的脉冲编码调制
横向激励大气压(TEA)CO2激光测距机的脉冲编码调制
TEA CO2激光脉冲的特点是在增益开关脉冲后有慢速衰减的尾部。作为测距波形,慢速下降时间的尾部对器件的测距精度没有好处。现已发现使用最佳的气体比例, 在消除尾部的同时也增加了峰脉冲的能量。但是另一方, 利用包括尾部在内的整个脉冲就得出了测距及传递信息的多功能应用设想。
TEA CO2激光波形的尾部大约有2-4秒微秒宽。视调制器和接收系统可达到的带宽而异, 可使单个TEA CO2激光脉冲传输10-100比特信息。从而可以开拓许多应用, 例如, 两个车辆之间的通讯、数据传输、精密测距就是几个例子。本文中,TEA CO2激光脉冲的尾部是用重复频率为5兆赫、脉宽为100毫微秒的偏振开关进行电光调制的。在此条件下能实现以下三种工作方式:即(1)精密测距时用来将脉冲整形或浏尖增益开关脉冲。(2)调制尾部以传递信息。使同一个激光脉冲兼有、两项功能。第二种工作方式已经实际试验并将在本文中叙述。
实验
使在入射平面内偏振的线偏振光通过按布儒斯特角放置的未镀膜的ZnSe分束器。当入射平而内偏振的光束发射为零时,偏振方向与其垂直的光束就发生最大反射。
普克耳盒(由II-VI公司制造)为电致双折射材料, 其折射率随所施加电场成正比变化。在横向施加电场的结构中, 电光延滞使偏振光的偏振面绕光轴转动, 这样一来, 当光沿传输方向传播时, 其中一个正交分量(例如Z’)就逐渐增大。而另一正交分量(例如Y’)则逐渐减小。对于CdTe晶体,电场沿立方体的对角线方向垂直于传播轴施加。
在双程结构中, 面偏振光束通过已通电的普克耳盒时被转化为幅度相等、相对相位差为90°的两个互相正交的分量。此时的电矢就是圆偏振的当圆偏振光被反射回来通过通电的普克耳盒时, 它就经受了另一个巴的相移, 因而义变成线偏振光。但是现在却垂直于入射面。这种偏振的光束被反射离开分束器按其偏振角安置的而向接收机传播。
结果
用最佳混合气体,线偏振的TEA CO2激光器产生的每个脉冲平均能量为22毫焦耳,其束散为0.5-1.5毫弧度。增加一个数量级的激光能量也不会破坏这些电光调制器部件,因为厂商已报导过这些部件能可靠的工作在300毫焦耳的TEA CO2激光脉冲下。脉冲编码调制要求有逐渐下降的长脉冲尾部,因此采用富氮的混合气体。使用一台望远镜来缩小通过晶体的光束直径,而用Ge晶体起偏器来提高部分偏振激光束的线偏度。1号探测器是触发调制器电子装置的计时探测器。脉冲发生器产生一个2微秒宽的门脉冲,在此期间内产生脉冲频率为5兆赫的方波。这个信号驱动高压电源,该电源又用来驱动晶体盒以产生100豪微秒宽、5兆赫重复频率的光信号。高压电源由Cober电子公司制造,是特意为这一应用而设计的,它使用电子管。调制光信号由具有频率响应大于10兆赫的反向偏置HgCdTe光伏探测器探测。在2微秒选通脉冲内,建立了10个100毫微秒宽的脉冲。最终的脉冲上升时间受电源的频率响应限制,大约为30毫微秒。电源电路采用雪崩晶体管方案代替真空管方案将会改善上升时间从而这家调制器的重复频率。CdTe晶体的上升时间小于1毫微秒(500兆赫的容量),因而不会限制总的频率响应。
如果有脉冲出线用1表示,无脉冲出线用0表示,则发射一系列5兆赫的脉冲就可实现脉冲编码调制。为了演示脉冲编码调制,将重复频率改变到2.5兆赫,即从脉冲逻辑列中每隔一个去掉一个。必须注意,头一个脉冲是未调制的增益开关脉冲,它是经由起偏器漏出来的。
事实上,调制器的消光成都将取决于漏过的这种偏振光的多少。把由于漏过的偏振光的未调制信号与在零调制的电平的已调制信号相比较,就可间接测定调制器的零电平。对几条波形曲线取平均时,其零电平与表示100%消光的未调制信号的电平相符合。为要保持传输信号的置信度,确定信号消光度对编调制就是一个重要问题。在动态大合。为要保持传输信号的置信度,确定信号消光度对编调制就是一个重要问题。在动态大气环境,如雾、雨、灰尘等之中,需要将探测阀阈值置于最小可容许探测值上,以便获得最大的动态探测范围。为确保达到100%的信号消光度。可以将阈值置于尽可能低的数值上。
测量出光路中有晶体调制器及没有晶体调制时输出光束的水平强度分布,就能确定光束质量。我们在沿光束横截面方向上,对每隔0.9豪弧度间隔点的光强求出其对10次脉冲的平均值。光束主要的退化最初是由分束器的多次反射引起的,此后则由CdTe晶体引起。用一个楔形分束器代替平行平面分束器能使多次反射的衰减最小,这是由于反射产生了高度发散的波阵面。
在用普克尔盒装置的孔作为限束孔情况下,D=3毫米,束散(1/2)为2.75豪弧度,此种光束额外的展宽可以归因于多次反射。虽然燃烧图样表明对称光束与在分束器后所测得的不一样,但是并未测量在望远镜后面的光束质量
结论
总之,我们演示了用腔外双程普克尔盒调制器以100%的调制深度对5兆赫TEA CO2激光脉冲的尾部进行编码调制的实例。每个脉冲的上升及下降时间约为30豪微秒,脉宽100豪微秒左右。100%的调制深度防止了在动态传输条件下高的假报警率。
通过使用脉冲尾部传递信息并对增益开关脉冲峰整形来改进测距精度,这种装置就能够扩大TEA CO2激光测距机的应用能力。因此,对于既可作精密测距又可在发射机与接收机间传递信息的多功能装置已经在原理上得到论证。多功能器件的概念能够应用在所有光电装置中,他提供了一种改进和扩大工作能力的有效利用成本的方法。
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