论文摘要：基于实时色散傅立叶变换的超快飞秒测距激光雷达

本文的基本研究对象是被动锁模飞秒光纤激光器发出的超短脉冲。本文的基本理论是实时色散傅立叶变换。本文的最终研究目的是论证新概念的、色散飞秒测距激光雷达。它具有全光纤结构、高分辨率、超快数据更新率、超短曝光时间、全静态工作模式的特点。本文主要开展了以下工作：1．回顾了飞秒脉冲产生技术、飞秒脉冲完全重建、飞秒脉冲在激光测距中的应用以及实时色散傅立叶理论的发展和应用。2．通过单色光在空间的狭缝衍射和超短脉冲在色散介质中的时域展宽的相似性，介绍了实时色散傅立叶变换。理论研究了高阶色散对实时色散傅立叶变换的影响。解释了时域干涉条纹周期和能见度的变化。通过Optiwave软件建模分析和实时光谱分析实验，验证了理论分析的正确性。3．偏振模式色散是一个随机线性过程，表现为与频率有关的超短脉冲的偏振态变化和超短脉冲的时域展宽。本文验证了一种对偏振态不敏感的正交Sagnac干涉仪，并保证干涉条纹的能见度最大。使用变换极限飞秒脉冲作为基准，对整个系统的高阶色散进行校准，获得“时-频”转换方程。采用实时色散傅立叶变换的时域干涉技术，实现了237fs的超短脉冲光谱和相位重建，在190.65 到193.85 THz光谱范围内的相位测量误差为0.18rad。4．提出基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达系统。目标距离被嵌入到Mach-Zehnder的干涉臂中。参考脉冲和探测脉冲经过色散光纤后，在时域重叠并在探测器上发生干涉。干涉条纹（微波脉冲）的频率与目标距离成线性关系。实验中，对16cm外的静止目标进行测量，当探测速率48.6MHz时，距离分辨率为334nm。接着，论证了飞秒激光测距雷达具有探测超快振动目标的能力。同时指出：基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达对目标速度不敏感；并且，当目标振幅较小时，可在Mach-Zehnder干涉仪中引入非平衡色散消去三阶色散的影响。由于飞秒脉冲偏振态和强度的不稳定等因素，时域干涉条纹的外包络偏离高斯函数，从而引入误差。为了解决这个问题，提出一种新的数据处理方法。在48.6MHz数据更新率，394fs曝光速度时，目标振幅探测误差为1.59μm。5．基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达在实际应用时，还有很多“瓶颈”需要克服。首先Mach-Zehnder干涉仪的长期稳定性是个挑战。其次，接收系统中实时采样的模数转换速度限制了测量动态范围。最后，大量数据的实时处理和存储也是一个难题。幸运的是：距离信息与单像素光电探测器输出的微波脉冲的频率成线性关系。提出一种基于边缘鉴频技术的微波光子学实时信号处理方法，在光学上直接进行微波频率测量。这样，不需要再对微波脉冲进行高速采样和后继数字信号处理，可以解决飞秒测距激光雷达中数据处理速度和动态范围的限制。

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