基于钽铌酸钾晶体光电混频的无扫描调频连续波激光三维成像的研究

Scannerless frequency modulated continuous wave (FMCW) laser 3D imaging is typically suited to space target 3D imaging under complex light conditions and interference environment for its outstanding environmental adaptability, space target adaptability and interference immunity. High resolution sensitive ultra-wide band heterodyne reception is the biggest choke point of scannerless FMCW laser 3D imaging. Optoelectronic mixing is the best way to break though the choke point but suffers from high modulation signal consumption, insufficient mixing bandwidth, loud noises and difficulties in forming high resolution imaging arrays. Accordingly, this project puts forward the applications of KTN crystals with splendid electro-optical properties to solve the mentioned difficulties with bulk KTN optoelectronic mixing for the first time. The models of KTN optoelectronic mixing efficiency and mixing noises will be established to reveal the influences of optical parameters, electrical parameters and devices’ intrinsic parameters on optoelectronic mixing performances. The performances of scannerless FMCW laser 3D imaging based on KTN optoelectronic mixing will be verified and the space target/environmental adaptability analysis will be carried out to reveal the performance degradation mechanism relevant to space target characters and space light conditions. Accordingly, Some suppression methods will be proposed. It is very hopeful that the research achievements will provide the space missions an imaging detection method with excellent environmental adaptability, space target adaptability and strong interference immunity.

无扫描调频连续波（FMCW）激光三维成像凭借杰出的环境适应性、目标适应性和抗干扰能力，特别适用于复杂光照和干扰条件下的空间目标三维成像。高分辨率高灵敏度超宽带外差接收是无扫描FMCW激光三维成像的最大技术瓶颈，光电混频是突破该瓶颈的最有效途径，却一直面临调制信号开销过大、混频带宽不足、接收噪声水平较高和难以构成高分辨率成像阵列等困难。项目首次提出采用具有优异电光特性的钽铌酸钾晶体（KTN），通过体型结构KTN光电混频解决上述难题。构建体型结构KTN晶体光电混频效率和混频噪声模型，揭示光学、电学和器件固有参数对光电混频性能的影响规律。开展基于KTN晶体光电混频的无扫描FMCW激光三维成像技术性能验证和目标/环境适应性分析，揭示空间目标特性和光照环境特性对关键性能的退化机制，提出性能退化抑制方法。本项目有望为空间非合作目标交会对接与操控提供一种环境和目标适应性好、抗干扰能力强的成像探测技术。

项目以块状结构钽铌酸钾晶体光电混频技术为研究重点，探索利用其实现无扫描激光三维成像技术的可行性。主要研究内容包括调制对比度模型构建与优化、光电混频效率模型及影响规律研究、光电混频噪声模型及影响规律研究、基于KTN光电混频的激光三维成像技术验证四个部分。取得的主要结果包括：（1）提出了大幅提高KTN光电混频效率的新方法。首先，根据二次电光效应透过率函数特点，通过增大偏置电压，同时提高了透过率及光电混频效率，实现在0.4透过率时混频效率由21.2%提高到42.1%；其次，利用Kovacs效应，在提升二次电光性能的同时降低极化纳米区域（PNR）尺度，减小光散射损失并抑制因增大偏置电压而引入的线性电光效应，利用0.2℃/s快速降温的温度预处理技术，将混频效率进一步提升12%，达到47.2%，调制信号功耗降低78%；（2）发现了KTN超级调制现象及其产生机制。首次发现了KTN超级调制现象，即KTN电光系数随偏置电压改变而急剧增大的现象。利用KTN超级调制现象，使用远小于半波电压的调制电压（约1V），利用块状结构KTN实现了超过180°的超高效相位调制。初步研究了偏置电压、调制信号和温度对超级调制现象的影响，提出机电耦合共振和PNR-电场共振是KTN超级调制现象的产生机制，解释了超级调制在空间和频率上不连续分布的原因。（3）利用KTN光电混频/电光调制实现了激光三维成像技术。基于KTN光电混频/电光调制，搭建了调频连续波（FMCW）、四相式鉴相式和偏振式激光三维成像技术验证系统。其中，FMCW三维成像10次累积探测相对误差约为1%，测距偏差约为4.4cm；四项式鉴相式三维成像10次累积探测相对测距误差约为0.3%，测距偏差约为1.5cm；偏振式三维成像5脉冲累积探测相对测距误差约为0.3%，测距偏差约为5.1cm。在鉴相和偏振式激光三维成像中利用了KTN超级调制现象，利用约1V的调制信号实现了高效电光调制，极大地降低了调制信号功耗和噪声，避免了对高压放大器的依赖；利用立方相KTN无自然双折射的特点，实现了约20°的视场角，相比同类方法扩大了约一个数量级。