專利名稱：相干激光測高頻率解調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光電信號，特別是一種相干激光測高頻率解調(diào)裝置。
背景技術(shù)：
隨著相干激光測高技術(shù)的飛速發(fā)展，它已具有通常方法無法達(dá)到的 精度和靈敏度，其高信噪比、高分辨靈敏度等特點(diǎn)使其越來越受到關(guān)注， 從而在對地觀測和深空探測中得到了廣泛的應(yīng)用。相干激光測高技術(shù)的發(fā)展，不僅取決于激光技術(shù)本身的長期發(fā)展， 同時還取決于各種新方法的產(chǎn)生和器件的快速發(fā)展。多普勒頻率的準(zhǔn)確、 穩(wěn)定且簡單的相干檢測方法對實(shí)現(xiàn)有效測距起到至關(guān)重要的作用。同時， 可以根據(jù)得到的相應(yīng)數(shù)據(jù)對地表面情況進(jìn)行描述，進(jìn)而重現(xiàn)地形特征。相干激光測高的工作原理，即系統(tǒng)發(fā)射單縱模連續(xù)激光作為載波信 號后，再將其斬波為脈沖信號，并將啁啾信號調(diào)制到該激光束上，發(fā)射 該激光脈沖到地面上，最后由系統(tǒng)接收回波，進(jìn)行時間一頻率轉(zhuǎn)換，從 而得到所需的距離信息。距離高度的測量方式分為脈沖間隔測量法、直接探測法和相干探測 法三種。脈沖間隔測量方法是利用測量脈沖的飛行時間間隔來獲取距離 信息。直接探測方法是通過調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率，直接探測回波信號， 利用發(fā)射信號和接收信號之間的頻率差推算出時間延遲，從而獲得距離 信息。相干探測方法則是在直接探測的基礎(chǔ)上引入一束參考光束相干而 進(jìn)行測量的方法。相對脈沖間隔測量會因激光的高峰值功率、短脈沖、高功率引起的 激光器壽命縮短的缺點(diǎn)而言，相干探測采用低峰值功率、長脈沖進(jìn)行探測，降低了對激光器工作壽命的影響；相對直接探測時所引發(fā)的低信噪 比問題而言，相干探測顯著提高了接收信號的信噪比，從而提高了距離 的測量精度。鑒于以上所述的原因，相干探測比其他兩種探測方式更具 有優(yōu)勢，因而采用相干探測進(jìn)行距離高精度測量。美國是最早開展相干激光測高研究的國家，在相干激光測高方面的研制和應(yīng)用上處于世界領(lǐng)先地位。在1971年一1972年的阿波羅探月工 程中最早使用激光高度計(jì)。1994年發(fā)射了星載探月激光高度計(jì)克萊芒 蒂娜。1996年又發(fā)射了星載火星觀測激光高度計(jì)。2003年發(fā)射了星載 地球科學(xué)激光高度計(jì)。我國在"十五"期間，上海光機(jī)所和安徽光機(jī)所也開展了相干激光 測高的研究。在2002年啟動的"嫦娥"探月工程中搭載了激光高度計(jì)， 用于月球表面的三維測量，是我國自主研發(fā)的首個主動激光探測儀器。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是要提供一種相干激光測高頻率解調(diào)裝置，以 減少系統(tǒng)的體積。該裝置應(yīng)具有實(shí)時頻率解調(diào)、產(chǎn)生啁啾信號、聲光調(diào) 制驅(qū)動的功能和連續(xù)測量、結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、成本低的優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下 一種相干激光測高頻率解調(diào)裝置，其構(gòu)成包括一光電探測器，該光電探測器的輸出端接高通濾波器，該高通濾波 器的輸出端接第一混頻器的一個輸入端；一信號發(fā)生器的輸出端接啁啾信號發(fā)生器的輸入端，該啁啾信號發(fā) 生器的輸出端接第一混頻器的另一個輸入端；所述的第一混頻器的輸出端接第一低通濾波器，該第一低通濾波器 的輸出分為兩路 一路接第二混頻器的一個輸入端，另一路接第三混頻 器的一個輸入端；本地振蕩器的輸出端經(jīng)90°移相器接第二混頻器的另一輸入端， 該第二混頻器的輸出端經(jīng)第二低通濾波器接數(shù)據(jù)采集卡；本地振蕩器的輸出端接第三混頻器的另一輸入端，該第三混頻器的 輸出端經(jīng)第三低通濾波器接所述的數(shù)據(jù)采集卡； 本地振蕩器的晶體振蕩器輸出信號經(jīng)本地振蕩器中的低通濾波器后 得到的輸出作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動源。本實(shí)用新型相干激光測高頻率解調(diào)裝置的工作過程 光電探測器接收含有距離信息的光信號，其輸出的電信號經(jīng)高通濾 波器作用后，與啁啾信號發(fā)生器輸出信號共同通過第一混頻器作用，再 經(jīng)第一低通濾波器作用得到輸出信號。該輸出信號又分為兩路， 一路與 本地振蕩器輸出信號通過第一混頻器作用后再通過第二低通濾波器輸出 到數(shù)據(jù)采集卡，另一路與經(jīng)過90°移相的本地振蕩器輸出信號通過第二 混頻器作用后再通過第三低通濾波器輸出到數(shù)據(jù)采集卡。其中，啁啾信 號發(fā)生器的輸入信號由信號發(fā)生器提供。同時，將本地振蕩器中的晶體 振蕩器輸出信號經(jīng)本地振蕩器中的低通濾波器后得到的輸出信號作為AOM的驅(qū)動源。所述的光電探測器為PIN光電二極管(P-type intrinsic N-type Photo Diode，以F簡稱為PIN光電二極管)。所述的本地振蕩器由55MHz的晶體振蕩器和通帶頻率為55MHz的 帶通濾波器組成。所述的90°移相由芯片及同軸電纜構(gòu)成。所述的電路的外接電源為士15V，其余電壓由內(nèi)部電路變化得到。 所述的聲光調(diào)制器(AOM)由晶體振蕩器和一級低通濾波器組成。 所述的啁啾信號發(fā)生器由模擬多路開關(guān)構(gòu)成。 工作過程如下光電探測器接收含有距離信息的啁啾信號，其輸出的電信號經(jīng)第一 高通濾波器作用后，與啁啾信號發(fā)生器輸出信號共同通過第一混頻器作 用，再經(jīng)第一低通濾波器作用得到輸出信號。該輸出信號又分為兩路， 一路與本地振蕩器輸出信號通過第一混頻器作用后再通過第二低通濾波 器輸出到數(shù)據(jù)采集卡，另一路與經(jīng)過90°移相的本地振蕩器輸出信號通 過第二混頻器作用后再通過第三低通濾波器輸出到數(shù)據(jù)采集卡。其中， 啁啾信號發(fā)生器的輸入信號由信號發(fā)生器提供。
同時，將本地振蕩器中的晶體振蕩器輸出信號經(jīng)本地振蕩器中的低通濾波器后得到的輸出信號作為AOM的驅(qū)動源。本實(shí)用新型相干激光測高頻率解調(diào)裝置，即實(shí)現(xiàn)距離信息提取的電路，其工作原理說明如下相干激光測高系統(tǒng)的工作原理主要為啁啾信號處理。 啁啾信號可以表示為cos(os"r )。其中，/fl， ^分別為初始頻率和初始相位，T為信號脈沖持續(xù)時間， k-B/T為啁啾信號頻率變化率，B為啁啾信號帶寬。系統(tǒng)向地面發(fā)射啁啾信號，該信號經(jīng)地面反射作用后回到系統(tǒng)接收 端，延遲時間為T，則返回的啁啾信號可表示為5/。(H) + ^:(卜rf+(^其中，p,為返回信號的隨機(jī)相位。將發(fā)射啁啾信號和返回啁啾信號 進(jìn)行混頻，并經(jīng)低通濾波器作用濾掉高頻分量后，得到1 1 2^■cos[2;r(/0r + - "r"]?？梢钥闯觯c時間/相關(guān)的只有第二項(xiàng)2油r，由此就可以得到信號 頻率/r與測量距離L間的關(guān)系為,^-f"《丄。其中，c為光速。因此，只要測量出信號頻率/"就可以直接得到測量距離L。由于系統(tǒng)工作環(huán)境、極化作用和激光器自身的頻率漂移等原因的存 在，使系統(tǒng)所探測到的光信號的相位發(fā)生變化，在相干探測中將會影響 測量的精度。因此，在相干激光測高頻率解調(diào)裝置中通過90°移相以解 決上述問題。其原理如下，即未經(jīng)90。移相和經(jīng)過90。移相的兩通道信號先后經(jīng)過混頻和低通濾波后輸出信號分別為/(f")=丄沖 ) cos[氛)]和 抓)=^>[氛)]，其中處)為探測信號的包絡(luò)值，氛)為探測信號的任意相位值。因此，P(U-[l2(t。) + Q2(tJP，除掉了含有任意相位值的 分量成分，達(dá)到了去除任意相位變化對探測信號信噪比的影響。本裝置的90。移相器是選取增益為1的運(yùn)算放大器和一定長度的同 軸電纜通過電子學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)90°移相，信號在特性阻抗為50Q的同軸 電纜線上的傳輸延遲為5ns / m，由此可根據(jù)傳輸信號周期算得對應(yīng)于 90°移相的延遲時間，從而達(dá)到消除外界因素對探測信號相位的影響。通過設(shè)計(jì)本地振蕩器使其與經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換后所得的電信號進(jìn) 行混頻、低通濾波從而使對輸出數(shù)據(jù)的處理難度大大降低，帶寬控制在 2MHz范圍以內(nèi)。本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下1、 本實(shí)用新型通過電子學(xué)方法通過采用增益為1的運(yùn)算放大器和 一定長度的同軸電纜線，很容易實(shí)現(xiàn)90。移相，具有調(diào)試方便、性能穩(wěn) 定和成本低的優(yōu)點(diǎn)。2、 同時本地振蕩器與低通濾波使輸出信號帶寬降低，帶寬為2MHz 以內(nèi)，降低了對后面數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率、帶寬的要求和數(shù)據(jù)處理的 難度。3、 將AOM驅(qū)動、啁啾信號發(fā)生器與頻率解調(diào)電路集成在一塊電 路板上，板子的尺寸為85x63mm2，從而減少了系統(tǒng)體積，降低了系統(tǒng) 成本。


圖1是本實(shí)用新型相千激光測高頻率解調(diào)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中1—光電探測器，2—第一高通濾波器，3—信號發(fā)生器，4~ 啁啾信號發(fā)生器，5—第一混頻器，6—第一低通濾波器，7—本地振蕩 器，8—90。移相，9一第二混頻器，IO—第三混頻器，ll一第二低通濾 波器，12—第三低通濾波器，13—數(shù)據(jù)采集卡。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。 先請參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型相干激光測高頻率解調(diào)裝置實(shí)施 例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實(shí)用新型相干激光測高頻率解調(diào)裝置的構(gòu)成包括光電探測器l、高通濾波器2、信號發(fā)生器3、啁啾信號發(fā)生器 4、第一混頻器5、第一低通濾波器6、第二混頻器9、第三混頻器IO、 本地振蕩器7、 90。移相器8、第二低通濾波器ll、第三低通濾波器12、 數(shù)據(jù)采集卡13，其位置關(guān)系是光電探測器1接收含有距離信息的光信 號，其輸出的電信號經(jīng)高通濾波器2作用后，與啁啾信號發(fā)生器4的輸 出信號共同通過第一混頻器5作用，再經(jīng)第一低通濾波器6作用得到輸 出信號。該輸出信號又分為兩路， 一路與本地振蕩器7輸出信號通過第 三混頻器10作用后再通過第三低通濾波器12輸出到數(shù)據(jù)采集卡13，另 一路與經(jīng)過90°移相器8的本地振蕩器7輸出信號通過第二混頻器9作用 后再通過第二低通濾波器11輸出到數(shù)據(jù)采集卡13。其中，啁啾信號發(fā) 生器4的輸入信號由信號發(fā)生器3提供。本實(shí)施例，將本地振蕩器7中的晶體振蕩器輸出信號經(jīng)本地振蕩器 中的低通濾波器后得到的輸出信號作為聲光調(diào)制器(Acousto-optical Modulators,以下簡稱為AOM)的驅(qū)動源。本實(shí)施例中具體選擇如下所述的光電探測器1為PIN光電二極管，所述的PIN光電二極管為 具有前置放大功能的InGaAs G9806系列。同時，在PIN光電二極管后 放置一級截止頻率為55MHz的高通濾波器2以消除噪聲的影響。所述的第一低通濾波器5，其截止頻率為120MHz。所述的本地振蕩器7由55MHz的晶體振蕩器和通帶頻率為55MHz 的帶通濾波器組成，所述的晶體振蕩器為KDS-6D型號，所述的帶通濾 波器由低通濾波器和高通濾波器組合而成，其截止頻率的確定由下式得<formula>formula see original document page 8</formula>所述的％°移相器8由集成運(yùn)算放大器芯片AD811及一定長度的同 軸電纜構(gòu)成，根據(jù)電路設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，同軸電纜線長度選擇為120cm。 所述的電路的外接電源為士15V，其余電壓由內(nèi)部電路變化得到，電 路內(nèi)部需使用+3.3V、 +5V,采用MC7805和LM317得到所需的電壓。所述的AOM驅(qū)動由晶體振蕩器和一級低通濾波器組成，根據(jù)AOM 驅(qū)動要求，通過低通濾波器濾波得到頻率為55MHz、電壓為4.8V的正 弦信號驅(qū)動AOM。所述的啁啾信號發(fā)生器4由模擬多路開關(guān)MAX4644構(gòu)成。 考慮到電路處理信號的中心頻率為55MHz，屬于高頻電路設(shè)計(jì)范 圍。因此，其印刷電路板的制作情況直接決定著電路輸出信號的有效程 度。在畫制電路的印刷電路板時，運(yùn)算放大器AD811的反饋電阻和增益 電阻間的連線長度必須小于6.35mm，以減少串?dāng)_，在本電路設(shè)計(jì)中連 線線長取為2.286mm。各元器件之間的距離要盡可能最短，同時，為了 減少電磁輻射還要減小印刷電路板自身的面積。本實(shí)用新型采用電子學(xué)元器件實(shí)現(xiàn)了相干激光測高頻率解調(diào)裝置， 從而消除了實(shí)現(xiàn)距離信息提取時對光路校準(zhǔn)要求高和后期數(shù)據(jù)處理難度 大的影響，同時又實(shí)現(xiàn)了啁啾信號輸出和AOM驅(qū)動的功能，使結(jié)構(gòu)簡 單易于操作，而且由于采用電子學(xué)方法不需要反復(fù)校準(zhǔn)直接實(shí)現(xiàn)了 90° 移相的要求，可以一次完成系統(tǒng)的調(diào)試，因此具有結(jié)構(gòu)簡單易于調(diào)節(jié)、 成本低、體積小的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1、一種相干激光測高頻率解調(diào)裝置，特征在于其構(gòu)成包括光電探測器(1)的輸出端接高通濾波器(2)，該高通濾波器(2)的輸出端接第一混頻器(5)的一個輸入端；信號發(fā)生器(3)的輸出端接啁啾信號發(fā)生器(4)的輸入端，該啁啾信號發(fā)生器(4)的輸出端接第一混頻器(5)的另一個輸入端；所述的第一混頻器(5)的輸出端接第一低通濾波器(6)，該第一低通濾波器(6)的輸出分為兩路一路接第二混頻器(9)的一個輸入端，另一路接第三混頻器(10)的一個輸入端；本地振蕩器(7)的輸出端經(jīng)90°移相器(8)接第二混頻器(9)的另一輸入端，該第二混頻器(9)的輸出端經(jīng)第二低通濾波器(11)接數(shù)據(jù)采集卡(13)；本地振蕩器(7)的輸出端接第三混頻器(10)的另一輸入端，該第三混頻器(10)的輸出端經(jīng)第三低通濾波器(12)接所述的數(shù)據(jù)采集卡(13)；本地振蕩器(7)中晶體振蕩器的輸出信號經(jīng)本地振蕩器的帶通濾波器后得到的輸出作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動源。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干激光測高頻率解調(diào)裝置，其特征在于 所述的光電探測器(l)為PIN光電二極管
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干激光測高頻率解調(diào)裝置，其特征在于 所述的本地振蕩器(7)由55MHz的晶體振蕩器和通帶頻率為55MHz 的帶通濾波器組成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干激光測高頻率解調(diào)裝置，其特征在于 所述的90°移相器(8)由集成運(yùn)算放大器芯片及同軸電纜構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的相干激光測高頻率解調(diào)裝置， 其特征在于所述的啁啾信號發(fā)生器(5)由模擬多路開關(guān)構(gòu)成。
專利摘要一種相干激光測高頻率解調(diào)裝置，由光電探測器、高通濾波器、本地振蕩器、啁啾信號發(fā)生器、混頻器、90°移相、低通濾波器、數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，本實(shí)用新型可實(shí)時精確的對相干距離信息進(jìn)行檢測和提取，并將聲光調(diào)制器驅(qū)動、啁啾信號發(fā)生器集成在同一裝置中，具有實(shí)時測量、調(diào)節(jié)容易、操作簡便、成本低、體積小、便于系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H03C3/36GK201044432SQ20072006940
公開日2008年4月2日 申請日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者尚建華, 崔雪梅, 馥 楊, 巖 賀, 陳衛(wèi)標(biāo) 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所