机载远程单光子测距激光器设计及仿真分析 下载: 546次
1 引 言
近年来,随着空中远程作战能力的提升,对于机载光电探测系统提出了超视距对空、对地探测的作战需求[1],其中远程小目标激光测距技术是亟待解决的关键技术之一。远程测距技术中,单光子激光测距是一种建立在统计理论基础上,探测灵敏度达单光子量级的光电探测技术,测距光源采用高重复频率、低脉冲能量的激光器。单光子测距技术在航空航天领域具有广阔的发展前景,国内外科研机构均进行了大量的研究工作,美国航空航天局(NASA)于2011年研制的A-LISTS机载雷达系统采用0.1 mJ@10 kHz,脉宽为0.96 ns的激光器作为光源,达到了10 km的测程[2];并且在2018年发射了ICESat-2卫星,其搭载的ATLAS激光高度计采用波长为532 nm,0.9 mJ@10 kHz,脉宽为1.5 ns激光器作为光源[3]。国内也有一些科研院所进行了研究[4-7],2019年,中国科学院上海天文台研制了重复频率为4 kHz的卫星激光测距(SLR)系统采用0.75 mJ@4 kHz激光光源,用于卫星测距[4]。目前,国内外单光子测距的主要研究成果集中于人卫测距、星载测距等航天领域,也有中近程机载测距雷达采用此技术,但远程机载单光子测距研究较少,且高重复频率激光器用作机载测距光源存在热稳定性差、收发光轴不稳定、受背景光噪声影响大、体积受限、功耗高等亟待解决的问题。
本文设计了一种适用于机载环境的小型化、高重复频率、窄线宽的激光器,可用作机载远程单光子测距机光源。激光器采用主振荡功率放大(MOPA)构型,在满足机载环境对体积、功耗要求的同时,抑制了背景光噪声和激光器热效应。并使用蒙特卡罗方法建立了单光子测距回波信号模型,对测距系统精度进行了仿真,为提高机载百km测距系统的测距精度提供了理论依据。
2 基本原理
2.1 测距原理
受大气衰减、目标形状等影响,探测器接收的小信号回波光子数[8]为
式中:
由(1)式可知,在其他参量不变的条件下,测距测程提高到百km以上,回波光子数减少,为达到探测器可探测的最小光子数,应提高激光发射能量,减小激光发散角。
将目标看作朗伯散射面,目标完全在接收视场内,到达探测器的背景噪声光子数[9]为
式中:
由(2)式可知,接收系统的光谱带宽越窄,噪声光子数越小,因此通过设计窄线宽激光器,使其光谱中心与接收系统窄带滤光片相匹配,就可以抑制背景光噪声。
2.2 激光器设计依据
通过上述分析可知,远程单光子测距系统的光源需满足大能量、小发散角、窄线宽等要求。为了保证所需能量,激光器采用MOPA构型设计,即激光器由种子源和激光放大器组成,其组成框图如
种子源激光器可以获得高重复频率、低脉冲能量、高光束质量的激光。反射式布拉格光栅(RBG)具有优异的波长选择性,可对衍射中心波长进行高效反射,将其作为种子源激光器的耦合输出镜可以压窄线宽。种子源激光器采用半导体激光器(LD)光纤耦合端面泵浦的设计可以获得高光束质量种子光。设计耦合系统需要考虑泵浦光与基模高斯光束的耦合效率。基模高斯光束的主要特征参量为[10]
式中:
激光放大器用于提升激光输出能量,考虑到机载环境下体积条件受限,采用单级多程放大结构。相对于棒状或微片等其他放大器结构,部分端面泵浦板条(innoslab)放大器通过大面冷却方式,使温度梯度呈一维分布,来抑制热退偏效应,改善光束质量,且种子光多次在增益介质内往返,可以有效提高激光器能效,获得高脉冲能量输出。
3 研究内容
3.1 种子源激光器的设计
种子源激光器采用LD光纤耦合端面泵浦方案,谐振腔采用平平直腔结构,腔长为60 mm,装置如
图 3. LD端面泵浦Nd∶YVO4种子源激光器装置图
Fig. 3. Experimental setup of LD end-pumped Nd∶YVO4 seed source laser
其中激光二极管阵列(LDA)中心波长为808 nm,最高连续输出功率为15 W,采用光纤耦合输出,光纤芯径为200 μm,数值孔径NA=0.22。光束耦合系统首先通过一个短焦距透镜M1准直泵浦光束,再经由一个球面透镜M2和一个非球面镜M3进行耦合聚焦,放大倍率为1∶3,晶体端面泵浦光斑半径约为300 μm,可实现基模光束与泵浦光模式匹配[11]。激光工作物质为3 mm×3 mm×(2+10)mm Nd∶YVO4键合晶体,Nd3+掺杂原子数分数为0.5%,未掺杂晶体可作为热沉,从而减缓热致退偏和热透镜效应,改善Nd∶YVO4晶体低热导率的影响,同时提高晶体抗损伤性能。激光晶体包裹铟箔装夹在热沉中,通过风冷和半导体制冷(TEC)进行温控。采用微型声光Q开关,调制频率为10 kHz。腔镜M4镀膜为高反(HR)1064 nm+高透(HT)808 nm,耦合输出镜(OC)用RBG代替,中心波长为1064 nm,光谱带宽为0.035 nm,衍射效率为75%。
3.2 放大器的设计
放大器采用innoslab构型,其构型设计图如
3.3 实验结果及分析
使用Gentec-EO功率计测量种子源激光器输出特性,结果如
图 5. 激光输出特性。(a)输出能量及效率;(b)脉宽
Fig. 5. Laser output characteristics. (a) Output power and efficiency; (b) pulse width
使用New Focus 1623型纳秒探测器以及TELEDYNE LECROY的64MXs-B型示波器测量激光脉冲波形,示波器带宽为600 MHz。如
采用YOKOGAWA光谱分析仪对激光输出线宽进行测量,如
图 6. 激光输出线宽。(a)RBG;(b)70%输出镜
Fig. 6. Laser output line width. (a) RBG; (b) 70% output mirror
采用Spiricon公司激光光束质量分析仪对激光输出光斑进行测量,测量结果如
4 远程激光测距系统仿真分析
在机载单光子测距中激光器性能是一项重要指标,但影响测距效果的因素很多,测距精度也不仅仅取决于激光器。在其他条件不变的情况下,采用蒙特卡罗方法建立回波信号模型[12],分析激光器对测距系统性能的影响。
不考虑目标形状对回波信号波形的影响,对百km处目标的探测回波光子数进行仿真,得到结果如
由于窄带滤光片线宽为半峰值处宽度,为使激光器线宽为0.035 nm的激光输出处于窄带的最大透过率处,测距接收系统采用线宽为0.2 nm的窄带滤光片,相比于现阶段机载激光测距系统使用的线宽为5 nm的窄带滤光片,预计可将背景噪声对接收系统的影响降低25倍。
由上述仿真可知,在其他测距条件不变的情况下,提高激光器性能可以减少激光抖动对精度的影响,同时,较窄的线宽输出可以采用相匹配的窄带滤光片来减少背景噪声干扰,从而提高测距精度。
5 结 论
本文提出一种适用于机载环境的小型化、高重复频率、窄线宽、高光束质量的激光器。在重复频率为10 kHz的条件下,种子源激光器采用微型声光Q开关和体布拉格光栅,获得的激光脉宽为6.32 ns、线宽为0.035 nm,光束质量良好,
本文所设计的激光器结构紧凑、热稳定性强、受背景光噪声影响小,可适配于百km机载单光子激光测距仪光源。
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