基于相位式激光测距的光纤传感器研究doc文档格式.docx

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其他机理的激光器过于复杂，重量特别大，功耗高等原因，使其体积，极大限制了激光的应用。

半导体激光器应运而生，解决上述大部分问题。

随着半导体激光器的价格逐步降低，技术进一步成熟，其应用领域和应用批量不断扩大，就目前发展情况而讲，其具备不可比拟的巨大应用前景。

半导体激光器使用安全、体积小、价格低廉、重量轻、结构简单、可靠性高、能直接调制、转换效率高、驱动电源简单、功耗低，所以应用领域非常的广泛。

如激激光照排、光打印、条码扫描、激光测距、测试测量仪器、工业探测、光存储、激光显示、舞台灯光及激光水平尺及各种标线定位、激光表演等。

半导体激光器的很多独特优点使之非常合适于军事上的应用，例如对潜通信制导、引信、射击模拟系统、致盲、野外测距、枪炮等的瞄准、安防等。

因为可以用普通电源驱动，使一些便携式武器装备激光技术设备成为可能。

其中1310nm、1550nm大部分应用于光纤通讯的领域。

405nm-670nm,是可见光波波段，780nm-1550nm是红外光波波段，390nm-370nm是紫外光波波段。

在重复测距时，扫描空间用细激光束，获得目标的角度、距离和速度等信息，这就是激光雷达的原理。

激光雷达能够实现很多传统雷达所达不到的性能和要求。

激光能量集中，发散角小。

能够实现极高的探测分辨率和灵敏度；

它极短的波长让系统和天线尺寸集成的很小，这是传统雷达不可比拟的优点。

与微波雷达比较，激光测距仪重量轻、体积小、方向性好。

2.2激光原理概述

2.2.1激光器的结构

激光器一般包括三个部分：

（1）激光工作介质

激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。

在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。

显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数反转世非常有利的。

现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括从紫外到远红外，非常广泛。

（2）激励源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。

一般可以用气体放电的办法来利用具有动能的电子去激发介质原子，称为电激励；

也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；

还有热激励、化学激励等。

各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运。

为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

（3）谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。

于是人们就想到了用光学谐振腔进行放大。

所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜。

一块几乎全反射，一块光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。

被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。

因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，部分从反射镜子一端输出。

图2.1红宝石激光器输出原理图

2.2.2激光特性

激光是一种自然界原本不存在的，因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单色性好和相干性好等特性的光，激光的特点有：

（1）方向性好——一般光源包括荧光灯、白炽灯、太阳光等的发光方向是四面八方的，而激光的发光就可以束缚在几个毫弧度立体角以内，几乎平行，其照度是相应与普通光源数千万倍。

激光的这一个特性可以应用于激光测距、导向、准直当中。

人类的第一次用激光照射相对于地球38万公里的月球其表面留下的光斑不足2公里，相比于可以覆盖整个月球表面的普通光源来说，其聚光，准直的效果非常好[2]。

（2）亮度高——在当代，最亮的光莫属激光了，甚至只有氢弹爆炸的瞬间发光才能与其相比。

太阳光亮度是103cd／cm2而一个功率很大的激光器输出的亮度是太阳的107～1014倍。

虽然激光的总功率不是最大的，可是其能量较为集中，极易在很小的聚焦点上产生很大的高压和温度。

激光焊接、切割、打孔和外科手术就是利用的这个特性。

（3）单色性好——光的本质也是电磁波。

所以光的颜色取决于光频率。

能够发射单种颜色光的光源称为单色光源，这种光源发射的光波波长较为单一，而可见光光波长在380nm-780nm之间，对应着各种颜色，所以我们所见的太阳光并非单色光。

而激光波长的光谱波段十分窄。

例如如氦氖激光器发出的激光光波长是632.8纳米，它的变化只在万分之一纳米以内。

所以，激光的单色性远远超过其他光源。

激光的单色性是科学家们所青睐的特性之一，所以在激励某些化学反应等科学实验和精密仪器测量等方面提供了非常有利的手段。

（4）相干性好——由于激光属于电磁波，所以它有着波的一些属性。

以上陈述了激光具有很高的方向性和良好的单色性，所以注定了激光的相干性必然极好。

（5）能量密度极大——光子的能量公式是E=h*f，h为普朗克常量，f为频率。

通过公式可以知道，频率越高，能量越大。

由于激光频率范围3.846*1014Hz到7.895*1014Hz，所以，其能量密度很大

2.2.3激光产生

激光（LASER）是20世纪60年代被发明出的一种特殊光源。

LASER的意思是英文单词“受激放射光放大”的首字母组合。

激光器分为很多种，尺寸从大到足球场小到米粒。

无论是气体激光器还是半导体激光器抑或固体激光器，它们都有自己独特的产生激光的方式。

（1）自发辐射

为方便解决问题，我们只考虑原子上的两个能级E2和E1，并且有E2-E1=hv；

单位体积内处于两能级的电子数分别用N2和N1表示。

处于高能级E2的一个原子自发的向E1跃进，并发射一个能量为hv的光子，这种过程被称为自发跃迁，由电子自发跃迁并发出光子称为自发辐射。

自发跃迁，只与原子本身性质有关，而与辐射场无关，自发跃迁的几率只决定于原子自身的特性。

（2）受激吸收

处于低能态E1的一个电子，在频率为v的辐射场作用下，激发到E2能级并吸收一个能量为hv的光子，这个过程为受激吸收跃迁。

自发跃迁与受激跃迁是本质不同的两个物理过程：

受激跃迁不仅与原子性质有关，还与辐射场ρv成正比，而自发跃迁只与原子本身性质相关。

（3）受激辐射

受激吸收的反过程就是受激辐射跃迁。

图2.2自发吸收、自发辐射、受激辐射示意图

以上三种不同过程的具体模型可用以下图分别分析说明：

●

E2

E1

O

入射光hv=E2-E1

受激辐射hv=E2-E1

自发辐射hv=E2-E1

2.3自发辐射原理图

2.4受激吸收原理图

图2.5受激辐射原理图

如上所述，原子中具有E2和E1两个能量不同的能级，其上的电子分布为N2和N1两个能级之间发生着自发辐射，受激辐射，受激吸收等过程。

当受激辐射产生激光时，与入射光具有同样的频率，相位，偏振方向和传播方向。

因此，很多的粒子在同一个相干辐射场的激发下，所产生的受激发射光同样是相干的。

受激辐射和受激吸收的几率正比于辐射场单色能量密度。

两个能级N2和N1相同时，两个过程几率相等。

如果N2＜N1，自发吸收占主要地位。

同样外界因素可以导致热平衡被破坏N2＞N1，我们称之为粒子数反转。

这时受激辐射占主要位置。

我们在两个平行的反射镜中间放置一段激活物质，要求其中一个反射镜是可以部分透射出光线的，这就是光学谐振腔。

高能级粒子发生自发辐射，非轴向的光射出谐振腔。

轴向光可以在腔内反复折返，当在工作物质中传播时，光强就会增大。

如果单程小信号增益大于单程损耗，就会产生自激振荡。

同样，光子入射到谐振腔内，并且被吸收的话，电子从低能级向高能级跃迁，发生受激吸收；

受到入射光子影响的另一个过程是高能级粒子跃迁到低能级释放光子，称之为受激辐射。

这些过程在谐振腔内是同时进行的。

当满足一定的条件下，受激辐射大于受激吸收，那么在谐振腔内必将积累大量的高能量的同相位的光子，在其中一个反射镜面透射出去后，就形成了激光[3]。

2.2.4激光应用

目前激光应用范围广泛，其应用范围如下表格所示：

激光焊接

激光切割

激光打孔

激光淬火

激光铅直仪

激光热处理

玻璃内雕

激光微调

激光光刻

激光制膜

激光手术刀

激光薄膜加工

激光裁剪

激光唱片

激光清洗

激光针灸

激光测距仪

激光布线技术

激光打标

激光封装

激光武器

激光雷达

激光陀螺仪

激光修复电路

表2.1激光应用范围

历经三十多年的发展，激光应用的领域无处不在，通过上表可以看出激光的主要用途，在将来的科学发展领域，激光还会继续发挥它的巨大作用和功效[4]。

2.3激光测距分类

激光的分类如下表所示：

绝对距离测量法

脉冲式

由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光（主波），经过待测距离L后射到被测目标，有一部分能量会被反射回来，被反射回来的脉冲激光称为回波。

回波返回测距仪。

由光电探测器接收。

根据主波信号和回波信号之间的间隔。

即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可以算出待测目标的距离。

D=1/2ct。

c为光速。

脉冲法精度一般在米量级。

相位式

对发射的激光进行光强调制，利用激光空间传播时调制信号的相位变化量。

根据调制波的波长，计算出该相位延迟所代表的距离。

即用相位延迟测量的间接方法代替直接测量激光往返所需的时间，实现距离的测量。

这种方法精度可达到毫米级。

微位移测量法

三角法

　三角法激光测距是由激光器发出的光线，经过会聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器敏感面上。

当物体移动时，通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离。

三角法激光测距的分辨率很高，可以达到微米数量级。

干涉法

干涉法激光测距是通过移动被测目标并对相干光进行测量，经计数完成距离增量的测量，因此干涉法测量的灵敏度非常高，可以达到纳米级[5]。

表2.2激光的分类方法和介绍

2.4激光器的种类

激光器的分类如下表所示：

种类

特点

固体激光器

固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。

这种激光器的工作介质是在作为基质材料的晶体或玻璃中均匀掺入少量激活离子，固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W[6]。

气体激光器

气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、工作介质均匀、光束质量好、以及能长时间较稳定地连续工作的特点。

这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。

其中，氦－氖激光器是最常用的一种[7]。

液体激光器

常用的是染料激光器，采用有机染料最为工作介质。

大多数情况是把有机染料溶于溶剂中（乙醇、丙酮、水等）中使用，也有以蒸气状态工作的。

利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围）。

染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。

液体激光器工作原理比较复杂。

输出波长连续可调，且覆盖面宽是它的优点，使它也得到广泛应用[8]。

半导体激光器

半导体激光器是以半导体材料作为工作介质的。

目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。

激励方式有光泵浦、电激励等。

这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。

在70年代末期，由于光纤通讯和光盘技术的发展大大推动了半导体激光器的发展[9]。

表2.3激光器的分类和介绍

2.5相位式激光测距原理

激光测距的不同机理可以分成为两种方式：

脉冲式、连续波相位式。

脉冲式测距有其鲜明的特点，它测量距离很远，信号的处理较为简单，被测目标是非合作的。

可是它的测量精度不是很高，目前使用的大多数手持式和便携式仪器大多是运用了这一技术，可测量范围数百米到数十千米，精度大概在5米。

连续波相位式激光测距原理是运用无线波段频率，给激光进行幅度调制，测量光在折返一次所产生的相位延迟，然后根据波长，进行计算出距离。

它的优点是精度高，误差可在10-6以内，但是目标是合作的。

图2.6相位式激光测距的原理图

基本原理:

若调制光角频率为ω，在待测量距离LAB上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t可表示为：

t=（φ+Δφ）/ω（2.1）

其中

φ+Δφ=2π（m+Δm）（2.2）

m：

表示激光往返LAB所经历的整数个波长

Δm：

表示不足一个波长的分量

则待测距离LAB可表示为

LAB=1/2ct=1/2c·

（φ+Δφ）/ω=1/2λ（m+Δm）

=Ls（m+Δm）（2.3）

其中Ls称作“光尺”[10]。

3光纤技术

3.1光纤光学原理概述

3.1.1光纤概念

光学纤维简称光纤，它是由折射率不同的透明介质制成的利用了光的全反射原理进行光能量的传输的器件。

理论上讲，它可以达到没有光的衰减。

而且具备如下优点：

电绝缘性能好、灵敏度高、可弯曲、重量轻、体积小、不受电磁干扰，可以在强电磁场、高压、易爆、易燃、强腐蚀等恶劣条件下工作。

3.1.2光纤结构

光纤最里面被称作纤芯，外面同心圆状的叫包层。

它们都是由石英玻璃做成的。

纤芯的折射率比包层的高，所以纤芯内部的光会发生全反射而不至于射到外面去，所以就实现了在光纤中传递。

当然超过临界角的入射光还是可以透射到光纤外部去的。

会产生能量的损失和光信号的损耗。

光纤结构和光纤中传输方式如下图[11]。

图3.1光纤结构图

图3.2（a）沿光纤长度方向的斜光线路径（b）光纤的截面视图

3.1.3光纤的分类

分类方式

类别

折射率分布及传光特性

阶跃型折射率光纤

阶跃型折射率光纤的内芯和外包皮分别为折射率不同的均匀透明介质，光线在其中的传输是以全反射和直线传播的方式进行的。

梯度折射率光纤

梯度折射率光纤从中心到边缘的折射率呈梯度变化，光线在其中的传播轨迹为曲线形式。

模式

多模光纤

中心玻璃芯较粗（50或62.5μm），可传多种模式的光。

但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。

单模光纤

中心玻璃芯很细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。

因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。

表3.1光纤的分类方法和介绍

图3.3（a）多模阶跃光纤（b）多模梯度折射率光纤（c）单模阶跃光纤

3.2光纤技术应用

光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等多方面的领域被广泛而大量应用，并已成为当今世界的新兴支柱产业，需求非常旺盛。

近50年来光纤技术在光纤传感、光纤传像、传光照明、能量传输与信号控制、特别是在光纤通信等民用与军工的广泛领域获得了重要而大量的应用，尤其在信息技术领域正表现出越来越强大的生命力以及广阔的应用前景，因而也必然是21世纪最有发展前景的技术与产业。

3.2.1光纤传光照明与能量信号传输

利用光纤的传光功能，将光纤与可见光光源或激光光源相结合，可以实现照明、装饰以及光信号与高功率能量的传输，这是光纤应用的一个重要分支领域，而且随着建筑业新型照明装饰等潜在的巨大需求被开发，光纤在照明装饰、能量与信号传输这一领域将呈快速增长趋势。

能实现上述全部或部分功能的材料有：

玻璃光纤、石英光纤、液芯光纤和塑料光纤。

不同的材料由于其性能的差异，各有其适合的应用领域和场合[12]。

3.2.2光纤传像器件、系统与应用

利用光纤传输图像的三种技术途径：

（1）进行图像传输（即光纤视频通信技术）；

（2）无源光纤传像技术，作为其核心传像器件的机理，是基于传像器件两端的各光纤像元做相关排列。

无源光纤传像技术经历五十多年的发展，技术已经比较成熟，应用领域也在逐渐拓宽，如光纤望远系统、光纤内窥镜；

（3）利用光纤编码服用技术，通过单根光纤或线阵光纤束实现图像传输，如高速扫描系统[13]。

3.2.3光纤通信技术应用

光纤通信技术是光纤应用技术的一个重要应用方向，它是以光纤技术、激光技术和光电集成技术为基础发展起来的。

光纤通信是以光纤作为传输媒介、光波为载频的一种先进的通信手段。

光纤通信具有许多独特的优点，所以光纤一经问世，就以科技史上罕见的速度迅速发展而成为有效的通信手段[14]。

3.2.4光纤传感技术应用

光纤传感技术是伴随光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体、光纤为介质、感知和传输外界信号的新型传感技术。

光纤传感器始于1977年，经过30多年的研究，光纤传感器取得了积极的进展，目前正处在研究和应用并存的阶段。

它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着重要作用。

伴随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景[15]。

3.3光纤的特性

3.3.1传输特性

1）损耗

设

为连接处传输效率（单位：

dB／km）。

耦和效率：

输出端光线的功率与入光纤的光总功率之比。

（3.1）

则光纤的损耗为分贝数为：

（3.2）

为耦合入光纤的功率，

为输出端光纤的功率，耦合效率取决于和光纤连接的光纤类型和耦合的实现过程。

光纤损耗可归结为吸收损耗和散射损耗两类。

物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。

光纤对不同波长光的吸收率不同。

散射损耗是由于光纤的材料及其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。

光纤的弯曲也会造成散射损耗。

这是由于光纤边界条件的变化，使光在光纤中无法进行全反射传输所致。

光纤的弯曲半径越小，造成的散射损耗越大[16]。

图3.4光纤损耗示意图

2）色散

由于传输时间的延迟导致脉冲展宽带来的信号失真，被展宽的脉冲与其他相邻脉冲发生重叠，使得信号无法分辨。

色散种类：

波导色散、模间色散、偏振色散、材料色散。

模间色散：

信号中不同模式成分传输速度不同。

材料色散：

光纤材料折射率是光频（波长）的函数，信号中不同频率成分传输速度不同。

波导色散：

模式的传播常数β是光频（波长）的函数，信号中相同模式不同传播常数β的成分传输速度不同[17]。

图3.5硅光纤材料色散参数D与波长λ的函数关系

图3.6由内部色散引起的（a）MM-SI（b）MM-GI（c）SM-SI光纤中的脉冲展宽原理图

3.3.2机械特性

抗拉强度：

可以弯曲是光纤的突出优点。

光纤的弯曲性与光纤的抗拉强度有关。

纤不仅强度高，可挠性也好，同时，其环境适应性能也强。

光纤的抗拉强度取决与材料的纯度、分子的状态结构光纤的粗细和一些缺陷等原因[18]。

3.3.3功能特性

集光本领：

光纤的集光本领与数值孔径有密切的关系。

光纤的数值孔径定义为当光从空气中入射到光纤端面时的光锥半角之正弦：

NA=sinθ（3.3）

光锥的大小是使此角锥内所有方位的光线一旦进入光纤，就被截留在纤芯中，沿着光纤传播。

数值孔径只决定了光纤的折射率，与光纤的尺寸无关。

这样，光纤就可以做得很细，使之柔软可以弯曲。

这是一般光学系统无法做到的,当光纤的数值孔径最大时，光纤的集光本领也最大[19]。

4相位式激光测距的光纤系统

4.1相位式激光测距的光纤系统的总体设计

图4.1相位式激光测距的光纤传感器的总体设计原理图

相位式激光测距的光纤传感器的总体设计分为五个部分：

（1）激光首先从激光器中发射出来，经过第一个透镜（准直透镜）将非准直光束，调整为准直光束；

（2）然后照射在被测量物体上，被测量物体反射回光束，经过第二个透镜（即聚焦透镜）将聚合光束耦合进入光纤当中；

（3）光纤穿过不可测量环境，或者不利测量环境，到达相对安全和可靠的测量环境；

（4）鉴相器接收光纤传来的光信号，测量在传输过程中相位的偏移情况，并将数据传达给计算显示器；

（5）计算显示器接收鉴相器的数据，进行分析，然后得出距离结论，显示在显示器上。

4.2激光准直原理

4.2.1光路计算

高斯光束在均匀介质中传播和经历透镜传播时，会发生光路的转换。

正是通过光路的转换，我们可以将高斯光束转换成为准直光束，或者将光束转换到聚焦点处传播。

在此课题中，我们要将激光器发射的高斯光束，通过透镜准直，发射出准直光束；

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