相位激光测距电光调制高频同步驱动与偏压补偿技术研究

作     者：李婧 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨宏兴

授予年度：2020年

学科分类：080901[工学-物理电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0803[工学-光学工程] 

主      题：相位激光测距 高频信号源 MZ电光调制器 偏压反馈控制 

摘      要：随着大型精密机械装置领域、船舶工业领域和航空航天等领域的发展,对工业测量仪器提出了更高的要求。例如在探索太空的过程中,相位式激光测距方法被广泛地应用于编队卫星队形的测量与控制,作为一种精测量的手段,常与GPS相对测距技术、射频测距技术等相结合,实现毫米乃至亚毫米级的测距精度。在相位式激光测距技术中,测距精度与测尺信号的频率和频率稳定度有关,而光电探测的带宽限制其频率的提高,在此情况下,测尺信号频率的稳定度决定了测距的精度。因此设计频率稳定度较高的测尺生成单元是提升测距精度的关键技术之一。相位式激光测距系统中使用的马赫-曾德尔(MZ)电光强度调制方法可实现的调制带宽大,适用于产生测距需要的高频精测尺信号。但马赫-曾德尔电光强度调制的传输函数会随着温度等因素的变化产生漂移,导致输出的光信号强度幅值的不稳定,在长期测量中会产生调制失真的问题,造成测距系统测量结果的漂移。在相位激光测距系统现阶段存在的上述问题,本论文的主要研究内容如下:(1)针对相位式激光测距系统的测距精度对测尺信号频率及其稳定性的要求,设计测尺生成单元中的信号源,其输出双路正弦波信号,一路为用于调制生成测尺的调制信号,另一路为测相中的混频本振信号,两路频差较小,并具有较好的频率稳定性。信号源模块采用锁相环(PLL)与直接数字频率合成技术(DDS)相结合的方案,保证输出信号的频率稳定度。其频率稳定性可达到0.4ppm。其次,测尺信号的相位值相对于混频本振信号相位值的漂移会带来额外的测距误差,因此要保证信号源输出的两路信号相位差稳定。设计多个DDS模块之间的同步电路,抑制双路信号相位差的漂移,实现其相位差稳定度在0.025以内。(2)针对马赫-曾德尔点光调制器传输函数漂移对测距精度和稳定性的影响,设计偏置电压反馈控制模块,通过采集调制器输出的光信号得到其信号强度幅值的变化,反馈控制提供的偏置电压。模块实现了随着传输函数的漂移自动设置合适的偏置电压,使调制器输出信号强度稳定度为±2%,避免对测距精度和稳定度的影响。模块采用低频小信号代替高频信号进行探测分析,探测调制后的低频小信号会降低电路设计难度,提高了控制精度。本论文中设计的高频信号源和偏压反馈控制模块应用于基于MZ光强调制的相位式激光测距系统中,可以使其精度进一步提高,并改善其测距稳定度。