激光多普勒测速仪信噪比及多普勒电流的研究

　　0 引 言

　　载体运动的角速度和线速度是惯性导航系统中的两种重要参数，传统的导航系统中常采用陀螺和加速度计来测量。目前国内及国外市场上的加速度计测量 精度不高，所以激光多普勒测速仪在导航系统中将是一种很好的速度传感器。针对双光束激光多普勒测速仪不能进行离焦测量和陆用导航系统行驶路面上下起伏的特 点，参考光束多普勒技术在这一方面有巨大的优势。而信噪比是激光多普勒测速系统的重要参量之一，文章分析了激光多普勒测速系统中信噪比的影响因素和两束光 的空间位置关系对多普勒电流大小的影响，给出了相应的计算公式，并进行了数值模拟。

　　1 激光多普勒测速系统基本原理[1-4]

　　He-Ne 激光器发出的一束光经半透半反镜分成强度相等的两束光，一束经全反镜和衰减片沿原方向返回，再经过半透半反镜、滤光片和小孔光阑入射到雪崩二极管上，为参 考光;另一束入射到运动粒子 P 上，各个方向都有散射光，其中沿原方向返回的散射光同样经过半透半反镜、滤光片和小孔光阑被雪崩二极管接收，为信号光。其中全反镜的位置可以移动，用来调 节参考光和信号光的光程差，使两束光的光程差小于激光的相干长度。旋转片的转速为ω，运动粒子 P 的线速度(切向速度)矢量为υ，与入射光方向的夹角为θ，则多普勒频率[5]为

　　因此，可以通过探测系统中的多普勒频率求得粒子的运动速度。

　　2 信噪比的影响因素和多普勒电流大小的理论分析及数值模拟

　　2.1 参考光光强对信噪比的影响

　　2.1.1 理论分析

　　假定信号光束和参考光束的光场为轴对称分布，同方向到达且偏振方向相同，则时刻 t 两束光光场的电场分布分别为

　　2.1.2 数值模拟

　　令量子效率η =10%，噪声带宽 Δf =20MHz，信号光光强Is=1，则信噪比 RSN随参考光光强 IR的变化曲线如图2 所示。由图 2 可知，信噪比 RSN随参考光光强 IR迅速上升，但当参考光光强 IR达到一定的值时，RSN增加的非常缓慢，趋近一个极限值为

　　实验过程中，一般通过衰减片组来控制参考光光强，使信号光光强 Is与参考光光强 IR的比约为 1:10。

　　2.2 光场的分布和探测器的尺寸对信噪比的影响

　　2.2.1 理论分析[7]

　　由电磁场和电磁波传输的理论的可知，探测器上光场的总功率及信号光束的平均功率分别为[8]

　　由于式(16)中被积函数比较复杂，没有解析解，只能通过数值计算的方法研究外差效率随雪崩二极管光敏面尺寸及光斑尺寸的变化关系。图 3(a)给出了光斑尺寸不同时外差效率随光敏面尺寸的变化，可以看出当γ =1.0 时，外差效率是光敏面尺寸的增函数，最大值在无穷远处。当 γ ≠1.0时，光敏面尺寸增加到一定值，外差效率逐渐减小。图3(b)给出了不同光敏面尺寸时，外差效率随光斑尺寸的变化。可以看出当γ 在 1.0 附近取值时，可以得到大于 0.7ηPs/(hνΔf )的信噪比，并且信噪比取最大值时对应的γ 不同。