用于激光測速敏感器的電子頻移模擬器的制作方法

本專利涉及一種激光測速敏感器的速度模擬器，具體是指一種利用電子學模擬速度頻移的測速模擬器，它用于檢測激光測速敏感器的測速范圍與測速精度。

背景技術：

利用無人探測器著陸到月球、火星或者小行星等目標天體表面進行實地勘探甚至采樣返回是人類探索宇宙的一條重要途徑，也是未來深空探測活動發展的熱點之一。發射衛星或探測器在其他星球表面進行軟著陸是進行空間探測的一個重要的方向。精確的速度測量是航天器選擇精確著陸點實現安全軟著陸的關鍵因素。

同微波相比，激光的波長更短，測速精度和測速分辨率更高，但多普勒頻移更大，頻率范圍更寬；同時速度屬于矢量信息，需要測量三個方向，然后合成，在試驗室內模擬速度造成的多普勒頻移非常困難。探測器在著陸過程中運動速度變化范圍非常大，且著陸導航對速度的測量精度要求又高，難以找到合適的運動目標和測試設備進行實際測量，這就使得測速模擬器的設計更加困難。

在對測速范圍從-20m/s到100m/s的星載激光測速敏感器進行室內模擬測試時，并且使模擬測速精度優于0.1％v，目前在已經公開的文獻中，還沒有相應的技術方案。

技術實現要素：

本專利的電子頻移速度模擬器將為激光測速敏感器提供進行標定和測試的手段，能夠進行大范圍、高精度的速度模擬，解決在室內近景環境下對激光測速敏感器的功能和性能進行充分測試的問題。

電子頻移速度模擬器的系統構成如附圖1所示：它由三個相同的單元組成，分別對應激光測速敏感器的三個速度矢量通道，三個單元由上位計算機11進行控制和交互。

電子頻移模擬器單元包括發射及接收耦合器1、單模保偏光纖2、環形器3、可調衰減器4、可調頻率聲光移頻器5、固定頻率聲光移頻器6、聲光移頻器驅動器7、延時光纖8、1×2耦合器9和功率計10。

所述的發射及接收耦合器1用于匯聚并返回激光測速模擬器1550nm激光，采用美國Thorlabs公司的F810FC-1550光纖耦合器焦距為37.13mm，數值孔徑0.24，入瞳8.91mm，匯聚光斑直徑10.3μm。光纖耦合器安裝在光學調整架上，可進行二維調節。

所述的單模保偏光纖2采用光庫的Corning PM Fibers PI936，芯徑為9μm，接受功率大于3W。

所述的環形器3主要用來保證輸入和輸出光的隔離，采用光庫公司的SR1489D FCIR。

所述的可調衰減器4采用光庫的MVOA，利用光功率計10檢測光功率，通過調節可調衰減器4進行反饋控制，避免發出的激光造成測速敏感器探測器飽和。

所述的聲光移頻器是模擬器中的核心器件。采用聲光移頻器改變輸入激光的頻率，為了使調整頻率在要求的范圍之內(-25.8MHz～129MHz，對應速度范圍-20m/s～100m/s)，采用二級移頻方案，第一級可調頻率聲光移頻器5，頻率300～500MHz，帶寬200MHz，第二級固定移頻-350MHz。可調頻率聲光移頻器5型號為IPF-400-200-1550-2FP，固定頻率聲光移頻器6為美國Brimrose公司制造的IPF-350-1550-2FP固定頻率聲光移頻器6。

所述的聲光移頻器驅動器7工作過程如下：控制計算機通過計算將速度量轉化為需要配置的頻率值，對聲光移頻驅動及控制模塊進行配置；配置完成后，驅動及控制模塊通過DDS芯片將輸入的頻率值轉換為對應的輸出信號；信號接入功放，放大后的信號進入功分器輸出兩路完全一樣的信號，再分別接入兩級聲光移頻器，從而實現對光信號的移頻操作。

所述的延時光纖8用于模擬不同的工作距離，長度從4m至3km不等。

所述的1×2耦合器9將移頻后的光信號經分為兩部分，一部分用于進行功率監測，另一部分經環形器3后經發射系統發射出去，被測速敏感器接收進行速度測量，采用光庫公司的SBC。

所述的功率計10用于監控移頻后的激光功率，配合可調衰減器4，避免發出的激光造成測速敏感器探測器飽和。

所述的上位計算機11主要提供人機界面，可以輸入所需要的速度值，并將數值通過串口發至聲光移頻器驅動器7。

電子頻移速度模擬器的基本工作流程如下：發射及接收耦合器1接收來自于激光測速敏感器發出的激光，通過單模保偏光纖2將其耦合到光纖環形器3的光纖中；環形器3輸出的激光經可調衰減器4到可調頻率聲光移頻器5及固定頻率聲光移頻器6，移頻頻率根據所需要模擬的速度通過上位計算機11計算獲得；上位計算機11將速度值轉換成移頻頻率值后通過串口發至聲光移頻器驅動器7，聲光移頻器驅動器7驅動兩級聲光移頻器，將激光頻率移頻；移頻后的光信號經延時光纖8延時、再通過1×2耦合器9分為兩部分，一部分用于利用功率計10進行功率監測，另一部分經環形器3后經發射及接收耦合器1 發射出去，被激光測速敏感器接收進行速度測量。若功率計10監測的功率過大，則調節可調衰減器4，減小光功率，直到激光測速敏感器探測器接收到的信號不飽和為止。

本專利有如下有益效果：

1.本專利利用聲光移頻器改變輸入光的頻率，沒有進行光電轉換與電光轉換，結構簡單，誤差小，精度高。

2.本專利實現了寬范圍的激光測速信息模擬。

3.本專利不需要運動目標配合即可模擬不同的速度的多普勒頻移，為激光測速敏感器的室內試驗帶來了很大的方便。

附圖說明

圖1為電子頻移速度模擬器的系統構成，其中：1-發射及接收耦合器；2-單模保偏光纖；3-環形器；4-可調衰減器；5-可調頻率聲光移頻器；6-固定頻率聲光移頻器；7-聲光移頻器驅動器；8-延時光纖；9-1×2耦合器；10-功率計；11-上位計算機。

圖2為聲光移頻器驅動器結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本專利的具體實施方式作進一步的詳細說明：

本專利由三個模擬通道組成，分別對應激光測速敏感器的三個速度矢量通道，三個通道硬件構成一致，以下只針對一個通道進行說明：

發射和接收模塊由發射及接收耦合器1和單模保偏光纖2構成。發射及接收耦合器1采用美國Thorlabs公司的F810FC-1550，焦距37.13mm，數值孔徑0.24，入瞳8.91mm，匯聚光斑直徑10.3μm。單模保偏光纖2采用光庫的Corning PM Fibers PI936，芯徑為9μm，接受功率大于3W。

電控箱包括電子頻移功能模塊和光路。電子頻移功能模塊由環形器3、可調衰減器4、可調頻率聲光移頻器5、固定頻率聲光移頻器6及其驅動組成；光路主要由1×2耦合器9和延時光纖8構成。器件的型號和制造單位如下表。

可調頻率聲光移頻器5型號為IPF-400-200-1550-2FP，為可調移頻，頻率300～500MHz，固定頻率聲光移頻器6型號為IPF-350-1550-2FP，固定頻率-350MHz，均為美國Brimrose公司制造。

聲光移頻器驅動器7設計框圖如附圖2所示。聲光移頻驅動和控制模塊由32位單片器STM32F103控制。其與控制計算機通過串口進行通訊。DDS(直接數字合成)芯片采用Analog Device公司A9910，其內部時鐘頻率高達1GHz，模擬輸出頻率高達400MHz，14-bit的DAC，最小頻率分辨率為0.23Hz。低噪放采用HEM338，頻率范圍為20～400MHz，有良好的50Ω阻抗匹配，易級聯使用，電性能穩定可靠。信號經過低噪放后采用功分器分成兩路，每一路單獨進入功率放大器，功放型號為TPA-010500M02。

本專利模擬測速的范圍為-20m/s～100m/s，精度優于0.1％v。

模擬測速的范圍為-20m/s～100m/s的實現：根據多普勒頻移公式激光波長1550nm，測速范圍-20m/s～100m/s，可求得對應頻率范圍為：-25.8MHz～+129MHz，帶寬為154.8MHz。只用一級聲光移頻器無法實現，需要兩級串聯使用。可調頻率聲光移頻器5使用BRIMROSE公司的IPF-400-200-1550-2FP，移頻范圍300MHz～500HMz，固定頻率聲光移頻器6同樣使用BRIMROSE公司的IPF-350-1550，移頻-350MHz。兩級串聯后移頻范圍為-50MHz～+150MHz，滿足使用要求。三通道的實際測試結果如下表。

結果表明電子頻移模擬器實現了-20m/s～100m/s速度頻移模擬。

模擬測速精度優于0.1％v的實現：電子頻移速度模擬器的速度模擬誤差主要為自身晶振引入的誤差。由晶振引入的晶振引入頻率變化導致的速度變化為0.005m/s時，對應晶振的頻率變化為當晶振頻率選擇為25MHz時，對應的晶振的頻率穩定度為128ppm。實際測試結果如下表。

結果表明電子頻移模擬器實現了測速精度優于0.1％v的要求。

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