ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ФАЗОВУЮ ЗАДЕРЖКУ СИГНАЛА МОДУЛЯЦИИ В ОПТИЧЕСКОМ ЛОКАТОРЕ

В. И. Григорьевский, А. А. Личманов, Ю. О. Яковлев    
Институт радиотехники и электроники РАН

Получена 17 ноября 2000 г. 

В работе приводятся результаты экспериментального исследования влияния температуры на точность лазерного измерителя дальности. Показано, что зависимость измеренной дальности от температуры полупроводникового лазера на порядок сильнее, чем от температуры лавинного фотодиода. Существует область температур, где зависимость  дальности от температуры небольшая. Приводятся возможные причины температурной нестабильности и способы ее уменьшения.

Для построения точных лазерных измерительных систем таких, например, как лазерные измерители скорости или перемещения используют высокочастотную модуляцию света лазерных источников. По результатам замера фазовой задержки сигнала модуляции до цели и обратно судят об измеряемой величине. Для высокоточных лазерных измерительных систем необходима точность измерения перемещения  лучше 1 мм при дальностях до цели 1- 1000 м.[1]. Однако для достижения таких точностей помимо высокой чувствительности прибора необходимо обеспечить и хорошую повторяемость результатов, то есть хорошую временную стабильность, которая, в первую очередь, зависит от температурных дрейфов.

В данной статье приводятся результаты измерения влияния температурных дрейфов полупроводникового лазера и фотоприемника (на основе лавинного фотодиода ) на погрешность измерения расстояния  лазерным локатором. Схема экспериментальной установки показана на рис.1.

Полупроводниковый лазер модулировался сигналом 900 МГц и его излучение направлялось на мишень, расположенную на расстоянии 1 м от излучателя .Сигналы с фотоприемника и смесителя после гетеродинирования сравнивались по фазе в фазометре и обрабатывались в компьютере после аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.),где фаза пересчитывалась в расстояние.

Из графика видно, что изменение дальности на 15 мм достигается уже при прогреве лазера на 15 град. Однако существует  область в районе 30 град,где изменения дальности незначительны и составляют единицы миллиметров на 2-3 град. В этой области существенно снижаются требования  к термостабилизации лазерного источника. Такое поведение температурной зависимости фазовой задержки модуляции можно объяснить, по-видимому, тем, что увеличение температуры от 20 до 30 град ведет к росту порогового тока накачки лазера , существенному снижению инжектированных носителей

заряда в активную область лазера и снижению вследствие этого высвечиваемых фотонов. Уменьшение фотонов приводит к необходимости увеличения проходимого ими пути в резонаторе, чтобы обеспечить индуцируемое излучение и тем самым увеличивается фазовая задержка света от начала процесса модуляции до момента прихода на фотоприемник. Измеряемое расстояние при этом растет. Дальнейшее увеличение температуры приводит к уменьшению измеряемого расстояния. К причинам такого уменьшения может приводить ряд факторов: например, увеличение подвижности носителей и убыстрение процессов рекомбинации, замедление роста порогового тока, уменьшение  показателя преломления активной области лазера и, вероятно, некоторые другие факторы.        

Для исследования зависимости дальности до мишени от температуры фотоприемника использовалась та же установка, рис.1,но нагревался лишь фотоприемник.  Зависимость расстояния от температуры при этом представлена на рис.3. 

Видно, что с ростом температуры  измеряемая дальность монотонно растет, однако этот рост незначителен. Такое поведение может объясняться тем фактом, что с ростом температуры заметно падает коэффициент лавинного умножения фотоприемника. Поэтому при данной мощности падающего на фотоприемник излучения количество образующихся носителей уменьшается [2] и, следовательно, увеличивается время  образования лавинного отклика фотоприемника на падающее световое излучение.

Таким образом, проведенные измерения показали существенную зависимость измеряемой дальности лазерным локатором от температуры окружающей среды. Причем зависимость дальности от температуры лазера  на  порядок  больше , чем зависимость дальности от температуры фотоприемника. В области температур от 19-30 град измеренная дальность увеличивается, а в области 30-35 град уменьшается. Существует область в районе 30 град, где зависимость от температуры невелика. Именно в этой области целесообразно термостатировать приемо-передающий блок для достижения точности измерений  1 мм. Для достижения точностей лучше 1 мм наряду с термостабилизацией необходима к тому же тщательная стабилизация мощности лазера по встроенному в лазер фотодиоду обратной связи. 

ЛИТЕРАТУРА 

1.      Применение лазеров. Под ред. В. П. Тычинского. Издательство Мир, M.,1978 г.

2.      Волоконно-оптические системы передачи и кабели. Под ред. И. И. Гроднева и др. Справочник., Радио и связь,1993 г.

Авторы:

Григорьевский Владимир Иванович,  vig248@ire216.msk.su

Личманов Александр Анатольевич, aal249@ire216.msk.su

Яковлев Юрий Олегович, yoy225@ire216.msk.su

Институт радиотехники и электроники РАН, Фрязино

оглавление

дискуссия