眭曉林，周壽桓，趙 鴻，劉 波，顏?zhàn)雍?，熊文?/p>

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100015)

1 引言

1964年，Yeh和Cummins首次采用雙光束相干技術(shù)通過測(cè)量激光多普勒頻移量來獲得流體的運(yùn)動(dòng)速度［1］。利用激光相干測(cè)速方法在測(cè)量范圍、精度、實(shí)時(shí)性等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方法［2］。但作用距離一般在數(shù)百米之內(nèi)［3－4］。在對(duì)于諸如月球、火星之類的外星球進(jìn)行探索時(shí)，飛船著陸器需要安全軟著陸。軟著陸過程中激光技術(shù)在著陸器速度感知方面發(fā)揮重要的作用［5］。

2 系統(tǒng)組成及原理

本研究采用全光纖相干探測(cè)方案，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)最小功率10－13W回波光的多普勒頻移進(jìn)行探測(cè)。實(shí)驗(yàn)方案如圖1所示。

圖1 全光纖相干探測(cè)系統(tǒng)原理Fig．1 scheme of all fiber coherent detection system

經(jīng)過調(diào)制后的光纖單頻激光分為本振光和照射光。本振光經(jīng)過λ/2波片到達(dá)探測(cè)器。目標(biāo)照射光經(jīng)反射后進(jìn)入接收支路在探測(cè)器上與本振光混頻。收發(fā)隔離器前加λ/4波片是使反射光與本振光在偏振方向上一致。該系統(tǒng)所有光路連接均采用光纖。探測(cè)器輸出的信號(hào)攜帶有相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信息，數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)對(duì)該信號(hào)處理后得到飛船速度。

對(duì)于著陸行星表面，在作用距離最遠(yuǎn)處接收回波功率 Prmin由下式計(jì)算［6］:

式中，Prmin為作用距離最遠(yuǎn)處接收功率;Pt為激光發(fā)射功率;Ac為接收有效口徑面積;ρ為目標(biāo)反射率;k為光學(xué)系統(tǒng)透過率;Rmax為最遠(yuǎn)距離。

系統(tǒng)中采用的參數(shù)如下:激光發(fā)射功率Pt=100 mW，光學(xué)透過率k=0．3，接收有效口徑面積Ac=0．0035m2，目標(biāo)反射率ρ=6%。系統(tǒng)達(dá)到的作用距離為Rmax=3 km。代入公式，得到最小接收功率:Prmin=2．2×10－13W 。普通激光探測(cè)系統(tǒng)的最小接收功率一般在10－8W數(shù)量級(jí)。該全光纖相干探測(cè)系統(tǒng)靈敏度較普通探測(cè)系統(tǒng)提高5個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用直升飛機(jī)作為載體，將系統(tǒng)固定在直升機(jī)駕駛艙側(cè)下方，如圖2所示。

圖2 相干探測(cè)系統(tǒng)安裝于直升機(jī)上Fig．2 coherent detection system ismounted on the helicopter

在距地面3 km飛行進(jìn)行速度測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3所示，粗線為激光測(cè)速雷達(dá)測(cè)試數(shù)據(jù)，細(xì)線為GPS測(cè)試數(shù)據(jù)。在 GPS測(cè)量隨機(jī)誤差的 δ=0．25 m/s情況下，測(cè)量數(shù)據(jù)與GPS最大誤差為δ=0．45 m/s。目前該系統(tǒng)的作用距離主要受限于發(fā)射功率，再采取更大的發(fā)射功率將達(dá)到更遠(yuǎn)的距離［7］。

圖3 相干探測(cè)系統(tǒng)與GPS測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比Fig．3 coherent detection system test data vs GPS data

［1］ Yeh Y，Cummins H Z．Localized fluid flow measurements with an He － Ne laser spectrometer［J］．Applied Physics Letters，1964，4(10):173 －178．

［2］ Zhang Yanyan，Gong Ke，He Shufang，et al．Pragres in laser Doppler velocitymeasurement techniques［J］．Laser ＆Infrared，2010，40(11):1157 －1162．(in Chinese)張艷艷，鞏軻，何淑芳，等．激光多普勒測(cè)速技術(shù)進(jìn)展［J］．激光與紅外，2010，40(11):1157 －1162．

［3］ Cai Xiping，Zhao Yuan，DaiYongjiang，etal．CO2coherent laser doppler velocimetery［J］．Infrared Millim．Waves，1996，15(6):465 －468．(in Chinese)蔡喜平，趙遠(yuǎn)，戴永江，等．CO2相干激光多普勒測(cè)速的研究［J］．紅外與毫米波學(xué)報(bào)，1996，15(6):465－468．

［4］ Zhang Yanyan，Huo Yujin，He Shufang，et al．A new dual frequency laser Doppler velocity measurement method［J］．Laser ＆ Infrared，2010，40(7):694 －696．(in Chinese)張艷艷，霍玉晶，何淑芳，等．一種新的雙頻激光多普勒測(cè)速方法的實(shí)驗(yàn)研究［J］．激光與紅外，2010，40(7):694－696．

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［7］ R M Huffaker，R M Hardesty．Remote sensing of atmospheric wind velocities using solid-state and CO2coherent laser systems［J］．Proc．IEEE，1996，84:181 －204．