粗糙目标外差探测的相位补偿技术研究

作     者：李静 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾晓东;申景诗

授予年度：2021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：外差探测 退相干效应 互相关算法 阵列探测器 相位补偿 

摘      要：激光外差探测技术由于具备转换增益高、光谱滤波性能好、空间和偏振鉴别能力强等优势,被广泛应用在相干多普勒激光雷达测量、激光光谱学、光纤通信等多项领域。在激光主动探测的场合,粗糙目标会导致探测器表面本振光与信号光波前失配,从而显著降低外差效率。这是激光外差主动探测技术的突出难题。本论文主要针对光外差探测中粗糙目标的退相干效应现象,开展研究工作:1.介绍了光外差探测基本原理,在此基础上,详细推导了由于目标表面不光滑引起的退相干效应公式。利用粗糙面的统计参数,采用蒙特卡洛方法模拟实际外差探测的粗糙平面。仿真结果表明,均方根高度、相关长度是导致退相干效应的主要参数。2.针对本振光与信号光的相位畸变这一技术难题,利用阵列探测器方法,提出了一种基于序列移位和互相关的信号随机相位补偿的计算新方法。该方法利用阵列信号进行互相关运算,将总输出信号频谱中10Hz的外部差分分量作为目标函数,快速准确地估计最佳序列偏移量和计算补偿相位。仿真结果表明,与智能优化算法相比,所提出算法的信号处理时间可以达到毫秒量级,速度提高了10倍。为评估互相关算法的补偿性能,与改进后的智能优化算法作对比,并利用统计结果对适应度值进行客观评价。验证了即使在低信噪比的情况下,互相关算法的收敛精度更高,处理之后的信噪比得到显著提高。3.为验证互相关算法解决外差探测中退相干问题的有效性,本文基于阵列探测器方法,搭建了外差探测实验系统。针对外差信号在模数转换器的相邻两个样本之间存在一定的相位差这一事实,利用时域相位差来修正空间相位差。通过移动阵列中探测器元件获得的输出序列来实现相位校正,移动的步骤取决于空间相位失配的数量。结果表明,本方法能较好地补偿相位畸变引起的退相干效应。