本發(fā)明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(xué)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(shù)：

利用無人探測器著陸到月球、火星或者小行星等目標(biāo)天體表面進(jìn)行實(shí)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(fā)展的熱點(diǎn)之一。發(fā)射衛(wèi)星或探測器在其他星球表面進(jìn)行軟著陸是進(jìn)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)安全軟著陸的關(guān)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(yàn)室內(nèi)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(yùn)動速度變化范圍非常大，且著陸導(dǎo)航對速度的測量精度要求又高，難以找到合適的運(yùn)動目標(biāo)和測試設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測量，這就使得測速模擬器的設(shè)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(jìn)行室內(nèi)模擬測試時，并且使模擬測速精度優(yōu)于0.1％v，目前在已經(jīng)公開的文獻(xiàn)中，還沒有相應(yīng)的技術(shù)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的電子頻移速度模擬器將為激光測速敏感器提供進(jìn)行標(biāo)定和測試的手段，能夠進(jìn)行大范圍、高精度的速度模擬，解決在室內(nèi)近景環(huán)境下對激光測速敏感器的功能和性能進(jìn)行充分測試的問題。

電子頻移速度模擬器的系統(tǒng)構(gòu)成如附圖1所示：它由三個相同的單元組成，分別對應(yīng)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(jī)11進(jìn)行控制和交互。

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

所述的發(fā)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(shù)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(xué)調(diào)整架上，可進(jìn)行二維調(diào)節(jié)。

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(huán)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(diào)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(diào)節(jié)可調(diào)衰減器4進(jìn)行反饋控制，避免發(fā)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(diào)整頻率在要求的范圍之內(nèi)(-25.8MHz～129MHz，對應(yīng)速度范圍-20m/s～100m/s)，采用二級移頻方案，第一級可調(diào)頻率聲光移頻器5，頻率300～500MHz，帶寬200MHz，第二級固定移頻-350MHz?？烧{(diào)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(qū)動器7工作過程如下：控制計算機(jī)通過計算將速度量轉(zhuǎn)化為需要配置的頻率值，對聲光移頻驅(qū)動及控制模塊進(jìn)行配置；配置完成后，驅(qū)動及控制模塊通過DDS芯片將輸入的頻率值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的輸出信號；信號接入功放，放大后的信號進(jìn)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(shí)現(xiàn)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(jīng)分為兩部分，一部分用于進(jìn)行功率監(jiān)測，另一部分經(jīng)環(huán)形器3后經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出去，被測速敏感器接收進(jìn)行速度測量，采用光庫公司的SBC。

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

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

電子頻移速度模擬器的基本工作流程如下：發(fā)射及接收耦合器1接收來至于激光測速敏感器發(fā)出的激光，通過單模保偏光纖2將其耦合到光纖環(huán)形器3的光纖中；環(huán)形器3輸出的激光經(jīng)可調(diào)衰減器4到可調(diào)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(jù)所需要模擬的速度通過上位計算機(jī)11計算獲得；上位計算機(jī)11將速度值轉(zhuǎn)換成移頻頻率值后通過串口發(fā)至聲光移頻器驅(qū)動器7，聲光移頻器驅(qū)動器7驅(qū)動兩級聲光移頻器，將激光頻率移頻；移頻后的光信號經(jīng)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(jìn)行功率監(jiān)測，另一部分經(jīng)環(huán)形器3后經(jīng)發(fā)射及接收耦合器1發(fā)射出去，被激光測速敏感器接收進(jìn)行速度測量。若功率計10監(jiān)測的功率過大，則調(diào)節(jié)可調(diào)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。

本發(fā)明有如下有益效果：

1.本發(fā)明利用聲光移頻器改變輸入光的頻率，沒有進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換與電光轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)簡單，誤差小，精度高。

2.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了寬范圍的激光測速信息模擬。

3.本發(fā)明不需要運(yùn)動目標(biāo)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(nèi)試驗(yàn)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(tǒng)構(gòu)成，其中：1-發(fā)射及接收耦合器；2-單模保偏光纖；3-環(huán)形器；4-可調(diào)衰減器；5-可調(diào)頻率聲光移頻器；6-固定頻率聲光移頻器；7-聲光移頻器驅(qū)動器；8-延時光纖；9-1×2耦合器；10-功率計；11-上位計算機(jī)。

圖2為聲光移頻器驅(qū)動器結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明由三個模擬通道組成，分別對應(yīng)激光測速敏感器的三個速度矢量通道，三個通道硬件構(gòu)成一致，以下只針對一個通道進(jìn)行說明：

發(fā)射和接收模塊由發(fā)射及接收耦合器1和單模保偏光纖2構(gòu)成。發(fā)射及接收耦合器1采用美國Thorlabs公司的F810FC-1550，焦距37.13mm，數(shù)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(huán)形器3、可調(diào)衰減器4、可調(diào)頻率聲光移頻器5、固定頻率聲光移頻器6及其驅(qū)動組成；光路主要由1×2耦合器9和延時光纖8構(gòu)成。器件的型號和制造單位如下表。

可調(diào)頻率聲光移頻器5型號為IPF-400-200-1550-2FP，為可調(diào)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(qū)動器7設(shè)計框圖如附圖2所示。聲光移頻驅(qū)動和控制模塊由32位單片器STM32F103控制。其與控制計算機(jī)通過串口進(jìn)行通訊。DDS(直接數(shù)字合成)芯片采用Analog Device公司A9910，其內(nèi)部時鐘頻率高達(dá)1GHz，模擬輸出頻率高達(dá)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(lián)使用，電性能穩(wěn)定可靠。信號經(jīng)過低噪放后采用功分器分成兩路，每一路單獨(dú)進(jìn)入功率放大器，功放型號為TPA-010500M02。

本發(fā)明模擬測速的范圍為-20m/s～100m/s，精度優(yōu)于0.1％v。

模擬測速的范圍為-20m/s～100m/s的實(shí)現(xiàn)：根據(jù)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(yīng)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(shí)現(xiàn)，需要兩級串聯(lián)使用?？烧{(diào)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(lián)后移頻范圍為-50MHz～+150MHz，滿足使用要求。三通道的實(shí)際測試結(jié)果如下表。

結(jié)果表明電子頻移模擬器實(shí)現(xiàn)了-20m/s～100m/s速度頻移模擬。

模擬測速精度優(yōu)于0.1％v的實(shí)現(xiàn)：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(dǎo)致的速度變化為0.005m/s時，對應(yīng)晶振的頻率變化為當(dāng)晶振頻率選擇為25MHz時，對應(yīng)的晶振的頻率穩(wěn)定度為128ppm。實(shí)際測試結(jié)果如下表。

結(jié)果表明電子頻移模擬器實(shí)現(xiàn)了測速精度優(yōu)于0.1％v的要求。