锁模激光的相干多普勒激光雷达研究

这是一篇哈尔滨工业大学2012年 物理电子学工学博士的毕业论文。

相干多普勒激光雷达是测量遥感风场和运动目标速度的有力工具。相干多

普勒激光雷达的发射源普遍使用单纵模激光器，而锁模激光所具有的宽频谱、

窄脉宽、高峰值功率等特性使其在作为相干激光雷达发射源方面具有潜在的应

用价值。本文从理论上和实验上对基于锁模激光的相干多普勒激光雷达进行了

研究。 

理论上，在单频外差探测原理的基础上，考虑了具有 m+1 个模式、纵模间

隔为 ω 的本振光，与发生了 Δω 频移的信号光相干拍频后的理论模型，证明了

相位差恒定的锁模激光可以实现相干混频，并可以通过低通滤波或 FFT 频谱分

析的方式检测出差频信号。利用这一理论模型进行了数值模拟计算，分析了信

号光在不同的频移值时的拍频波形，讨论了实现相干探测本振光与信号光应满

足的条件。 

基于相干多普勒激光雷达系统对发射光源的要求，进行了锁模激光器的实

验研究。通过使用不同的锁模器件得到锁模激光输出，其中主动锁模和调 Q 主

动锁模都获得了单脉冲宽度在百皮秒量级、锁模深度 100%、锁模几率 95%以

上的稳定的锁模脉冲序列输出。对被动锁模、主动锁模、调 Q 主动锁模的激光

输出特性进行了对比研究，主动锁模脉冲序列包络时间较长但峰值功率较低，

而调 Q 主动锁模峰值功率高但包络时间较短，不同类型的激光输出为后续的相

干测速实验提供了多种选择。 

利用声光移频器模拟外差探测中信号光发生的多普勒频移，进行了锁模激

光拍频实验研究，并与单纵模激光拍频实验结果进行了比较。使用锁模激光在

频移为 30 ~ 80 MHz 的范围内进行了拍频实验研究，拍频波形及信号处理的结

果均与理论分析相符， 测量结果的相对误差在 0.5%以下。 分别使用脉宽为 10 ns

和 16 ns 的调 Q 单纵模脉冲进行拍频，在信号光频移为 150 MHz 时测量结果的

相对误差分别为 3.7%和 1.6%。对比实验结果发现，调 Q 单纵模脉冲由于有限

的脉宽限制了拍频后包络的数量，导致误差相对较大，而锁模脉冲序列由于具

有较长包络时间，在测量较低频移值时仍具有较高的精度，即测量低速目标时

更具有优势。在具有较长包络时间的同时，锁模激光还具有高峰值功率和窄脉

宽的特点。使用光纤耦合的方式进行了相干拍频实验，得到了稳定的相干拍频

波形，FFT 频谱分析的结果与设定值和理论分析相符。

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