CN106405528B - 一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器。本发明由三个相同的单元组成，分别对应激光测速敏感器的三个速度矢量通道，三个单元由上位计算机进行控制和交互。电子频移模拟器单元通过发射及接收耦合器接收激光测速敏感器发出的激光，将其耦合到环形器的光纤中，环形器输出的激光经可调衰减器到两级声光移频器，移频后的光信号经1×2耦合器分为两部分，一部分用于进行功率监测，另一部分经延时光纤、环形器后发射出去，被激光测速敏感器接收进行速度测量。本发明的优点是模拟频移范围大、精度高，为激光测速敏感器的室内试验带来了很大的方便。

Description

一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器
技术领域
本发明涉及一种激光测速敏感器的速度模拟器，具体是指一种利用电子学模拟速度频移的测速模拟器，它用于检测激光测速敏感器的测速范围与测速精度。
背景技术
利用无人探测器着陆到月球、火星或者小行星等目标天体表面进行实地勘探甚至采样返回是人类探索宇宙的一条重要途径，也是未来深空探测活动发展的热点之一。发射卫星或探测器在其他星球表面进行软着陆是进行空间探测的一个重要的方向。精确的速度测量是航天器选择精确着陆点实现安全软着陆的关键因素。
同微波相比，激光的波长更短，测速精度和测速分辨率更高，但多普勒频移更大，频率范围更宽；同时速度属于矢量信息，需要测量三个方向，然后合成，在试验室内模拟速度造成的多普勒频移非常困难。探测器在着陆过程中运动速度变化范围非常大，且着陆导航对速度的测量精度要求又高，难以找到合适的运动目标和测试设备进行实际测量，这就使得测速模拟器的设计更加困难。
在对测速范围从-20m/s到100m/s的星载激光测速敏感器进行室内模拟测试时，并且使模拟测速精度优于0.1％v，目前在已经公开的文献中，还没有相应的技术方案。
发明内容
本发明的电子频移速度模拟器将为激光测速敏感器提供进行标定和测试的手段，能够进行大范围、高精度的速度模拟，解决在室内近景环境下对激光测速敏感器的功能和性能进行充分测试的问题。
电子频移速度模拟器的系统构成如附图1所示：它由三个相同的单元组成，分别对应激光测速敏感器的三个速度矢量通道，三个单元由上位计算机11进行控制和交互。
电子频移模拟器单元包括发射及接收耦合器1、单模保偏光纤2、环形器3、可调衰减器4、可调频率声光移频器5、固定频率声光移频器6、声光移频器驱动器7、延时光纤8、1×2耦合器9和功率计10。
所述的发射及接收耦合器1用于汇聚并返回激光测速模拟器1550nm激光，采用美国Thorlabs公司的F810FC-1550光纤耦合器焦距为37.13mm，数值孔径0.24，入瞳8.91mm，汇聚光斑直径10.3μm。光纤耦合器安装在光学调整架上，可进行二维调节。
所述的单模保偏光纤2采用光库的Corning PM Fibers PI936，芯径为9μm，接受功率大于3W。
所述的环形器3主要用来保证输入和输出光的隔离，采用光库公司的SR1489DFCIR。
所述的可调衰减器4采用光库的MVOA，利用光功率计10检测光功率，通过调节可调衰减器4进行反馈控制，避免发出的激光造成测速敏感器探测器饱和。
所述的声光移频器是模拟器中的核心器件。采用声光移频器改变输入激光的频率，为了使调整频率在要求的范围之内(-25.8MHz～129MHz，对应速度范围-20m/s～100m/s)，采用二级移频方案，第一级可调频率声光移频器5，频率300～500MHz，带宽200MHz，第二级固定移频-350MHz。可调频率声光移频器5型号为IPF-400-200-1550-2FP，固定频率声光移频器6为美国Brimrose公司制造的IPF-350-1550-2FP固定频率声光移频器6。
所述的声光移频器驱动器7工作过程如下：控制计算机通过计算将速度量转化为需要配置的频率值，对声光移频驱动及控制模块进行配置；配置完成后，驱动及控制模块通过DDS芯片将输入的频率值转换为对应的输出信号；信号接入功放，放大后的信号进入功分器输出两路完全一样的信号，再分别接入两级声光移频器，从而实现对光信号的移频操作。
所述的延时光纤8用于模拟不同的工作距离，长度从4m至3km不等。
所述的1×2耦合器9将移频后的光信号经分为两部分，一部分用于进行功率监测，另一部分经环形器3后经发射系统发射出去，被测速敏感器接收进行速度测量，采用光库公司的SBC。
所述的功率计10用于监控移频后的激光功率，配合可调衰减器4，避免发出的激光造成测速敏感器探测器饱和。
所述的上位计算机11主要提供人机界面，可以输入所需要的速度值，并将数值通过串口发至声光移频器驱动器7。
电子频移速度模拟器的基本工作流程如下：发射及接收耦合器1接收来至于激光测速敏感器发出的激光，通过单模保偏光纤2将其耦合到光纤环形器3的光纤中；环形器3输出的激光经可调衰减器4到可调频率声光移频器5及固定频率声光移频器6，移频频率根据所需要模拟的速度通过上位计算机11计算获得；上位计算机11将速度值转换成移频频率值后通过串口发至声光移频器驱动器7，声光移频器驱动器7驱动两级声光移频器，将激光频率移频；移频后的光信号经延时光纤8延时、再通过1×2耦合器9分为两部分，一部分用于利用功率计10进行功率监测，另一部分经环形器3后经发射及接收耦合器1发射出去，被激光测速敏感器接收进行速度测量。若功率计10监测的功率过大，则调节可调衰减器4，减小光功率，直到激光测速敏感器探测器接收到的信号不饱和为止。
本发明有如下有益效果：
1.本发明利用声光移频器改变输入光的频率，没有进行光电转换与电光转换，结构简单，误差小，精度高。
2.本发明实现了宽范围的激光测速信息模拟。
3.本发明不需要运动目标配合即可模拟不同的速度的多普勒频移，为激光测速敏感器的室内试验带来了很大的方便。
附图说明
图1为电子频移速度模拟器的系统构成，其中：1-发射及接收耦合器；2-单模保偏光纤；3-环形器；4-可调衰减器；5-可调频率声光移频器；6-固定频率声光移频器；7-声光移频器驱动器；8-延时光纤；9-1×2耦合器；10-功率计；11-上位计算机。
图2为声光移频器驱动器结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
本发明由三个模拟通道组成，分别对应激光测速敏感器的三个速度矢量通道，三个通道硬件构成一致，以下只针对一个通道进行说明：
发射和接收模块由发射及接收耦合器1和单模保偏光纤2构成。发射及接收耦合器1采用美国Thorlabs公司的F810FC-1550，焦距37.13mm，数值孔径0.24，入瞳8.91mm，汇聚光斑直径10.3μm。单模保偏光纤2采用光库的Corning PM Fibers PI936，芯径为9μm，接受功率大于3W。
电控箱包括电子频移功能模块和光路。电子频移功能模块由环形器3、可调衰减器4、可调频率声光移频器5、固定频率声光移频器6及其驱动组成；光路主要由1×2耦合器9和延时光纤8构成。器件的型号和制造单位如下表。
Figure BDA0001129999180000051
可调频率声光移频器5型号为IPF-400-200-1550-2FP，为可调移频，频率300～500MHz，固定频率声光移频器6型号为IPF-350-1550-2FP，固定频率-350MHz，均为美国Brimrose公司制造。
声光移频器驱动器7设计框图如附图2所示。声光移频驱动和控制模块由32位单片器STM32F103控制。其与控制计算机通过串口进行通讯。DDS(直接数字合成)芯片采用Analog Device公司A9910，其内部时钟频率高达1GHz，模拟输出频率高达400MHz，14-bit的DAC，最小频率分辨率为0.23Hz。低噪放采用HEM338，频率范围为20～400MHz，有良好的50Ω阻抗匹配，易级联使用，电性能稳定可靠。信号经过低噪放后采用功分器分成两路，每一路单独进入功率放大器，功放型号为TPA-010500M02。
本发明模拟测速的范围为-20m/s～100m/s，精度优于0.1％v。
模拟测速的范围为-20m/s～100m/s的实现：根据多普勒频移公式
Figure BDA0001129999180000052
激光波长1550nm，测速范围-20m/s～100m/s，可求得对应频率范围为：-25.8MHz～+129MHz，带宽为154.8MHz。只用一级声光移频器无法实现，需要两级串联使用。可调频率声光移频器5使用BRIMROSE公司的IPF-400-200-1550-2FP，移频范围300MHz～500HMz，固定频率声光移频器6同样使用BRIMROSE公司的IPF-350-1550，移频-350MHz。两级串联后移频范围为-50MHz～+150MHz，满足使用要求。三通道的实际测试结果如下表。
Figure BDA0001129999180000061
结果表明电子频移模拟器实现了-20m/s～100m/s速度频移模拟。
模拟测速精度优于0.1％v的实现：电子频移速度模拟器的速度模拟误差主要为自身晶振引入的误差。由晶振引入的晶振引入频率变化导致的速度变化为0.005m/s时，对应晶振的频率变化为
Figure BDA0001129999180000062
当晶振频率选择为25MHz时，对应的晶振的频率稳定度为128ppm。实际测试结果如下表。
结果表明电子频移模拟器实现了测速精度优于0.1％v的要求。
Figure BDA0001129999180000071

Claims (9)

1.一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，由三个相同的单元组成，分别对应激光测速敏感器的三个速度矢量通道，每个单元包括发射及接收耦合器(1)、单模保偏光纤(2)、环形器(3)、可调衰减器(4)、可调频率声光移频器(5)、固定频率声光移频器(6)、声光移频器驱动器(7)、延时光纤(8)、1×2耦合器(9)和功率计(10)；三个单元由上位计算机(11)进行控制和交互，其特征在于：
电子频移速度模拟器每个单元中的发射及接收耦合器(1)接收来至于激光测速敏感器发出的激光，通过单模保偏光纤(2)将其耦合到光纤环形器(3)的光纤中；环形器(3)输出的激光经可调衰减器(4)到可调频率声光移频器(5)及固定频率声光移频器(6)，移频频率根据所需要模拟的速度通过上位计算机(11)计算获得；上位计算机(11)将速度值转换成移频频率值后通过串口发至声光移频器驱动器(7)，声光移频器驱动器(7)驱动两级声光移频器，将激光频率移频；移频后的光信号经延时光纤(8)延时、再通过1×2耦合器(9)分为两部分，一部分用于利用功率计(10)进行功率监测，另一部分经环形器(3)后经发射及接收耦合器(1)发射出去，被激光测速敏感器接收进行速度测量；若功率计(10)监测的功率过大，则调节可调衰减器(4)，减小光功率，直到激光测速敏感器探测器接收到的信号不饱和为止。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，其特征在于：所述的发射及接收耦合器(1)采用美国Thorlabs公司的F810FC-1550光纤耦合器，焦距为37.13mm，数值孔径0.24，入瞳8.91mm，汇聚光斑直径10.3μm；光纤耦合器安装在光学调整架上，可进行二维调节。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，其特征在于：所述的单模保偏光纤(2)采用光库的Corning PM Fibers PI936，芯径为9μm，接受功率大于3W。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，其特征在于：所述的环形器(3)采用光库公司的SR1489D FCIR。
5.根据权利要求1所述的一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，其特征在于：所述的可调衰减器(4)采用光库的MVOA。
6.根据权利要求1所述的一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，其特征在于：所述的可调频率声光移频器(5)的频率为300～500MHz，带宽为200MHz。
7.根据权利要求1所述的一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，其特征在于：所述的固定频率声光移频器(6)的固定移频为-350MHz。
8.根据权利要求1所述的一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，其特征在于：所述的延时光纤(8)的长度4m至3km，模拟4m至3km不同的工作距离。
9.根据权利要求1所述的一种用于激光测速敏感器的电子频移模拟器，其特征在于：所述的1×2耦合器(9)采用光库公司的SBC。
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