使用外差探测和喟啾脉冲压缩的CO2 激光测距机
使用外差探测和喟啾脉冲压缩的CO2 激光测距机
力了阐明有关的设计原理, 对CO正 负尤 ,皮长的外差探测与直接探测系统的灵敏度作了比较。 结果表明, 当外差系统用在具有内部运动的目标上叶, 散射辐射的时间相干性的破坏是有重要影响的。 然后描述了整个系统和所得到的结果。 紧凑的 尤学头包括一 台庄导激光器, 一 台声光调制器和表面声波(SAW)喟啾装置; 它 有45毫米直径的发射和接收孔径。 当对许多反射回皮积分时, 可测得几公里外的自 然目标, 精度为10术。 利用上喟啾/下喟啾技术, 从活动目标的多普勒频移可在测 距的同时则出径向速度, 试验证实其精度高于1术秒-1。
一、前言
测埜5公里左右远处的自然目标, 精度为5米左右的一种成熟的方法, 是使用脉冲激光 器并测散出它的发射和接收脉冲之间的时间延迟。 多年来在这方面一宜应用红宝石和钦激光 器。 改用波长为10微米左右的CO2 激光器的优点是: (1)在实际采用的发射孔径下, 对眼睛危险性可能被消除; (2)穿透雾和霾的性能比较好, 因为波长与烟雾粒子的尺寸之比更有利于传播。 Taylor等人'] 已报导了一种采用TEA激光器和直接探测接收机的脉冲CO2激光测 距机。 接收孔径为150亳米, 发射脉冲能匮约20亳焦, 获得了5公里远处自然目标的可靠回 波。
CO2激光波长的外差探测是比较容易实现的(参看Teich的文献 2 I) , 而且在许多情况 下灵敏度比直接探测有显著的增加(见下述第二节)。 这导致了外差探测在CO2激光雷达系 统中的一些应用 3'4 I 。 Cruikshank 飞 最近对频率稳定的混合式TEA CO2 激光器用千测距 进行了描述。 他用100亳米直径的发射机和接收机孔径获得了32公里远处自然目标的反射回 波。 三米长的混合型TEA激光器给出约0.4焦耳的脉冲, 用一台独立的连续波锁频激光器提供本机振荡光束。 Hughes等人 飞 描述了一种使用单调制的连续波激光器的外差测距机, 这 种测距机是根据微波雷达 中众所周知的调频-连续波原理制成的。 准线性频率调制通过改变 激光腔长而产生} 目标的反射回波光束与作为本机振荡器的扫频发射光束的一部分在探测器 上混频;由此将探测器的输出信号频率与目标距离联系了起来。 由千不可能准确地产生频率 随时间的线性变化, 故距离测定的百分数精度典型地限制在10%左右。 用功率为几瓦的激光 器和100亳米直径的发射/接收孔径, 获得了10公里远处目标的反射回波。
下而, 我们叙述外差CO2激光测距机的理论基础、 结构和性能。 该测距机中一个声光调 制器将一个衍确的、 用电子学方法产生的调制叠加在连续波激光器输出上以提供发射波形, 而该连续激光器的非调制输出用来作为本机振荡(见图1) ; 因此, 调制脉冲波形可重新从 探测器输出的回波脉冲中获得, 并在 “译码器” 盒中作最佳滤波(见图1)。 在我们的试验 中, 谓制波形由一串脉宽为4微秒的恒幅脉冲组成。 每个脉冲从53到67兆赫精确线性调频, 每33微秒重复一次。 这种单个的脉冲就是大家在微波信号发生和处理技术中熟知的 “嘱啾" 脉冲 。测距梒度由脉冲的带宽决定而不山脉宽 决定。 对接收到的光信号进行最佳外差探测的 “微波模拟“ 理论(参看第二节)指出, 当使 用理想的接收机或匹配滤波器时, 从噪声中识别信号的能力是与调制细节无关的, 而是由信 号能批单独决定的,最大能址的信号最容易被探测到。 根据这些理由, 用恒压源, 我们可选择尽可能宽的脉冲, 以便每个脉冲可获得最大的能釐。 正如我们在第三节中要叙述的, 由千 内部运动目标引起的回波信号相千性的破坏限制了可容许的脉冲宽度。 我们选择4微秒的脉 冲, 因为断定了这一脉宽己短得足以保证相千性不受典型的目标内部运动的明显影响;而且也因为这样便千应用具有规定参数的表面声波装置。 要注意的是,要对很多的脉冲积分,因此 为了使占空比达到最大, 希望脉冲蜇复率尽可能地高。 选择33微秒作为脉冲重复周期是我们 在使占空比最大, 和具有不能接受的低的最大模糊距离之间的折衷。 (参看Skolnik 19 关千 重复脉冲系统中距离模糊度的论述。)在一串连续脉冲内, 脉冲问的相千性可能由千多种类 型的目标反射而受到破坏; 因此所用的积分方法勿需假设在一串脉冲的各个脉冲之间有任何确定的位相或振幅关系。 用微波雷达术语来说 9'' 必须采用让相千积分, 而H从匪凭池波 器出来的单个脉冲必须在积分前进行包络检波。
我们研制的这类测距机, 在测距指令发出之后, 经一秒左右的延迟即给出距离读数, 通常这是可接受的。 在这样一个时间间隔内, 从许多单个脉冲来的回波可以被积分(脉冲重复 频率约为30000秒-1)' 信噪比将因此而提高。 脉冲到脉冲的积分降低了我们对激光输出功 率的要求, 并减小了接收机孔径(发射机的孔径因而也就降低)。 现代集成电路已可使大釐 脉冲的数字积分成为一种完全实用的计划。 积分的优点在于使回波信号强度的起伏在许多情况下可以平均掉。
在第四节给出测距机的详细叙述之前,我们在后面第二节和第三节中先讨论其理论原理; 在第五节中我们引证一些实验结果并将其与理论预期值作一比较。
二、外差探测与直接探测能量灵敏度的比较
我们的意图是在这里对探测CO2激光辐 射的两种方法作一般的比较。我们采用常规 的噪声分析方法;它给出足够的精度并提供出一般的结果,它比最近报导『IO'I I的严格的基础分析方法要容易得多。我们假定外 差探测器是一个反偏置光二极管,而且来自 二极管的本机振荡器引起的散粒噪声与在探 测器前置放大器输出端的所有其他噪声源相 比,拥有压倒的优势。
对测距说来,我们关心的是接收到的脉冲形式的辐射;我们将假定接收到的脉冲是由发 射时叠加的相同的任意调制所调制的(即我们假定由目标引起的传播和散射没有改变其调 制)。如果我们假设对一个单脉冲引起的可靠的探测(SNR)H值必须达到50, 并且令11 = 0. 5 ' 则我们就可得到10.6微米的最小可探测能屉为2 xl0-18焦耳。我们现在回到直接探测情况中来。探测器输出端的信号电压V'/ 和均方根噪声电压v", 通 过探测响应度R'与人射的红外信号功率p'在1赫兹带宽条件下噪声等效功率p,'联系起来。
直接探测情况来说,探测脉冲的能力是以[p口 dt来标志的。因此, 如果我们对具有相同的能最和相似的功率非r问曲线的两个脉冲«和6进行比较(形状相 同但时间尺度不同,脉冲B与a相比,时间尺度缩小了k倍),我们可看到对B的积分比对 a的积分大了k倍。因而从相等能量的相似脉冲中,选择最窄的脉宽即可使信噪比达最大。 这里包含有这样的意思: P,,'与带宽无关,因此同样的P..'值对所有的脉冲都适用,不管是 快脉冲还是慢脉冲。
为了定显地将直接探测和外差探测作一比较, 我们必须作出在直接探测悄况下功率汕时问变化的假定。 适用千一个易得到的快速脉冲源(即TEA激光器)的一种合适的假设是把 TEA激光脉冲近似千具有恒定功率, 脉宽为50x10-9 秒的脉冲。我们取pn /为10-1 3瓦赫兹。
这对具有所需要的带宽,工作在77 °k条件下的优质探测器是合适的。我们再一次要求(SNR压超过 50, 由此可求出最小可探测能簸为1.6 X 10-16焦耳。
因此, 在我们所选择的参量条件下, 单脉冲体制外差探测的优点是能屉灵敏度比直接探 测高80 倍。 实际上这种优点可能从两个方面受到削弱。 第一, 产生一个拥有充足能阰的单和 频脉冲并不是方便的, 因而正如我们所做的那样, 人们转向千采取对大最脉冲回波进行了乃分 的方法。 假如我们将单脉冲情况与M个脉冲积分的情况进行比较, 一个作常粗略的经验估算是r 9 : 如果M个脉冲中的每一个都具有M 的单脉冲能最,则可获得类似千单脉冲的探测/虚警特性。因此必须对约6400个脉冲求积时才能抵上单脉冲能扯高80倍的优点, 更为精确 的估算 「 9 ;' 把这个门限数从6400个脉冲提高到约100,000个脉冲。
第二, 在直接探测接收机中使用较大孔径是可能的,这比用外差系统有利。 当接收平面 中的光场由振幅和相位随机变化的班纹图样组成时, 情况就是如此。 直接探测接收机能把许多斑点贡献的能批相加起来而放大, 但在外差情况下, 由千相位的变化, 利用比斑点大得多 的接收面积是不利的。 为了使探测灵敏度提高80倍,直接探测接收机的孔径须增大9倍左右。
总之, 在要求的发射能量下, 当接收机孔径尺寸必须减到最小, 甚至必须对相当大般的 脉冲进行非相千积分时, 外差探测显然是具有现实优越性的。 外差探测系统胜过直接探洌系 统的另一个优点是, 它能从任一多普勒频移中测定出目标的径向速度。
相干考虑我们的测距机 连续激光器输出的主要部分用声光调制器调制, 以形成发射光束, 图1中的编码器是以产生喟啾脉冲的表面声波扩束器为基础的。 激光器输出 脉冲的一小部分用分束器取出形成本机振荡光束。 在本节中我们打算研究对喟啾外差系统保持良好工作条件所必需的相千性要求。 这对目前用来说明喟啾波形中恒幅脉冲的频率随时问 线性变化的调制来说是足够的。首先, 必须考虑激光器的频率稳定性。我们只关心在发射和接收时间间隔中的频率变化。如果目标在距离为R的地方, 则回波脉冲的时间延迟为2R/C, 并且如假定激光的扣描速率(df/dt) L恒定,则引起的频率变化为(2R/C)•(df/dt) L, 这个会表现为非真实的多 普勒频移;在喟啾模糊图中存在一个距离-多普勒耦合。
下面我们叙述一种上啸啾/下嘶啾器件, 用这种器件可测定径向活动目标的准确距离并 获得它的径向速度。 如果使用这种系统, 则本机振荡器的稳频摆动将不影响其视距, 但会铲 出一个目标速度的误差。
为了将数值归纳到对我们自己系统可容许的(df/dt)