CN101236253A - 高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法，基本原理是将激光经过线性啁啾调制和伪随机码调制，调制后的激光绝大部分作为出射激光，由望远镜发射出去；一小部分作为本振光用于相干探测；将激光回波信号分为两部分：一部分通过和原始伪随机码做相关运算，得到距离信息；另一部分通过和本振光做相干探测，进行脉冲压缩，得到本振光和回波信号光的频率差，这个频率差同时包括距离信息和多普勒频移；通过数学运算得到多普勒频移，从而得到速度信息，本发明的特点是可以高精度地获取目标的速度和距离信息。

Description

高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法

技术领域

本发明专利涉及激光雷达，特别是一种高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法，它是一种联合利用伪随机码调制技术、光子计数技术、相干探测技术和脉冲压缩技术的系统，可以高精度获取目标的速度和距离信息。

背景技术

飞行器在着陆时需要准确得知道自己的速度及位置信息。这样对安全着陆具有关键作用。尤其是存在显著不连续性的着陆面，例如月球。而常用的通过测量距离再将距离微分得到速度的方法，因为距离的不连续性不能得到正确的速度信息。而将回波信号截成多个小的时间段，通过测量每个时间段的多普勒频移得到速度信息，再根据时间段对应的时刻来计算距离信息的的方法，也不能得到高分辨率的距离信息。

发明内容

本发明专利要解决的问题在于克服以上现有方法的不足，提供一种高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法，该套系统能同时实现对目标高精度的速度信息和距离信息测量。

本发明的基本原理是将激光经过线性啁啾调制和伪随机码调制，调制后的激光绝大部分作为出射激光，由望远镜发射出去；一小部分作为本振光用于相干探测；将激光回波信号分为两部分：一部分通过和原始伪随机码做相关运算，得到距离信息；另一部分通过和本振光做相干探测，进行脉冲压缩，得到本振光和回波信号光的频率差，这个频率差同时包括距离信息和多普勒频移；通过数学运算得到多普勒频移，从而可以高精度获取目标的速度和距离信息。

本发明的技术解决方案如下：

一种高精度测速测距激光雷达系统，包括激光器和望远镜，其特点是在所述的激光器的输出光束的光轴上依次设有线性啁啾调制器、伪随机码调制器和第一耦合器，该第一耦合器的第一输出端与环形器的第一端口相连，该环形器的第二端口的输出方向是望远镜，第一耦合器的第二输出端经声光调制器与相干探测和脉冲压缩装置的第一输入端相连，所述的环形器的第三端口接第二耦合器的输入端，该第二耦合器第一输出端与所述的相干探测和脉冲压缩装置的第二输入端相连，该第二耦合器的第二输出端经单光子探测器和单光子计数器后接具有信号采集、处理、控制、计算和显示功能的计算机，所述的相干探测和脉冲压缩装置的输出端接所述的计算机，一任意波形发生器的三个输出端分别连接所述的线性啁啾调制器、伪随机码调制器和计算机，为所述的线性啁啾调制器提供驱动信号，为所述的伪随机码调制器和计算机提供伪随机码，一声光调制器驱动器为声光调制器和所述的相干探测和脉冲压缩装置提供声光调制器驱动信号。

所述的相干探测和脉冲压缩装置由第三耦合器、平衡探测器、90°移相器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器组成，所述的第三耦合器为3dB光耦合器，具有两输入端，两输出端，两输入端分别为本相干探测和脉冲压缩装置的第一输入端和第二输入端，所述的两输出端接所述平衡探测器的两输入端，该平衡探测器输出的电信号和所述的声光调制器驱动器的驱动信号在所述第一乘法器中混合，所述第一乘法器的输出信号经过所述第一低通滤波器后得到信号I；所述的声光调制器驱动器的驱动信号经所述90°移相器移相90°后，与所述平衡探测器输出的电信号在第二乘法器中混合，所述第二乘法器的输出信号经过所述第二低通滤波器后得到信号Q，信号I和信号Q的频谱峰值表达式为f₀＝kt-f_d，其中：k为线性啁啾调制速率，单位为赫兹每秒，f_d为多普勒频率。

所述的激光器为单纵模光纤激光器。

所述的线性啁啾调制器为铌酸锂强度调制器。

所述的所述伪随机码调制器为高速电光调制器。

所述的第一耦合器为1∶99的光耦合器，其中1％的光用作本振光；99％的光通过望远镜发射。

所述的第二耦合器为20∶80光耦合器，其中20％的光用于相干探测和脉冲压缩；80％的光用于相关运算。

所述的所述望远镜是发射和接收共光轴的望远镜系统。

利用所述的高精度测速测距激光雷达系统进行测速测距的方法，包括下列步骤：

①激光器输出激光依次经过线性啁啾调制器和伪随机码调制器调制后被第一光耦合器分为两部分：大部分激光由第一光耦合器的第一输出端经所述的环形器第一端口进入所述的环形器并经该环形器的第二端口输出由所述的望远镜发射，小部分激光经过所述的声光调制器移频后作为本振光；

②所述的望远镜接收目标回波信号光，由所述的环形器第三端口进入所述的环形器并经该环形器的第三端口进入第二耦合器，第二耦合器将回波信号光一分为二：第二耦合器的第二输出端输出大部分信号经单光子探测器和单光子计数器后进入计算机，在计算机中与任意波形发生器提供的原始伪随机码做相关运算，相关运算峰值对应的时刻t与目标所处距离L的对应关系为 $L=\frac{\mathrm{ct}}{2},$ 其中c为光速；

③第二耦合器的第一输出端输出小部分信号用于和本振光在相干探测和脉冲压缩装置中做相干探测和脉冲压缩，形成信号I和信号Q；

④所述计算机对信号I和信号Q分别进行采集并做傅立叶变换后合为一路信号，该信号的峰值频率为f＝2(kt-f_d)，其中k为线性啁啾调制速率，单位为赫兹每秒，f_d为多普勒频率，多普勒频率和平行于飞行器和目标连线的目标速度v之间的对应关系为 $f_d=\frac{2v}{\mathrm{\λ}},$ λ为激光器的输出波长；

⑤所述的计算机综合上述第②和第④步的结果，得到目标速度 $v=\frac{\mathrm{\λ}(2\mathrm{kt}-f)}{4}.$

本发明的优点在于

1、采用光纤激光器、成熟的光纤器件、以及全光纤光路连接，电光效率高、功耗小、质量轻、易于连接、系统稳定可靠

2、采用了高速伪随机码调制和光子计数技术，即使在低峰值功率回波信号下也能确保每次测量有足够的信噪比。调制速率可达到1GHz，即伪随机码码元长度为1ns，这样距离分辨率可达到15cm。

3、采用了相干探测和脉冲压缩机制。采用相干探测，有效地放大了回波信号的功率，使得系统相干探测这一部分可以工作在量子噪声限，比直接探测获得更高信噪比；脉冲压缩机制又将宽带信号的能量集中到了一个单频信号上，即在频域上实现了脉冲压缩。相干探测机制和脉冲压缩机制同时使用可使速度分辨率达到1cm/s量级。

4、本振信号和望远镜出射信号均经过了线性啁啾调制和伪随机码调制，这样在相干探测解调时，省去了啁啾解调这一步骤，简化了系统。

5、距离探测和速度探测并非分立的两路，这两部分是有关联的，本发明可以同时高精度地获取目标的速度和距离信息。。

附图说明

图1为本发明高精度测速测距激光雷达系统整体结构框图

图2为本发明相干检测、脉冲压缩部分结构框图

图中：1—激光器、2—线性啁啾调制器、3—伪随机码调制器、4—第一耦合器、5—环形器、6—望远镜、7—声光调制器、8—第二耦合器、9—相干探测和脉冲压缩装置、10—单光子探测器、11—单光子计数器、12—计算机、13—声光调制器驱动、乘法器、95—乘法器、96—低通滤波器、97—低通滤波器、

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

首先请参照图1，图1为本发明高精度测速测距激光雷达系统整体结构框图。由图1可见，本发明高精度测速测距激光雷达系统由激光器1，线性啁啾调制器2，伪随机码调制器3，声光调制器7，任意波形发生器14，声光调制器驱动器13，第一耦合器4，第二耦合器8，环形器5，望远镜6，第三耦合器91，平衡探测器92，单光子探测器10，单光子计数器11，以及一台具有信号处理、控制、计算、采集、显示功能的计算机12组成。其位置关系是：在所述的激光器1的输出光束光轴上依次设有线性啁啾调制器2、伪随机码调制器3、第一耦合器4。所述第一耦合器4将激光一分为二：其中大部分光经过环形器5和望远镜6将激光发射出去；另一小部分光经过声光调制器7作为本振光用于相干探测。所述望远镜6收集回波信号，回波信号经过环形器5进入第二耦合器8。该第二耦合器8将回波信号一份为二：其中一小部分经过相干探测和脉冲压缩装置9得到包含距离和速度的混合信息；另一大部分经过单光子探测器10、单光子计数器11后进入计算机12，在计算机12中与任意波形发生器14提供的原始伪随机码做相关运算。相关运算峰值对应的时刻代表了距离信息。综合这两部分信息，即可分别得到距离信息和速度信息。

本实施例采用的具体器件为：所述激光器1为单纵模光纤激光器；所述线性啁啾调制器2为铌酸锂强度调制器；所述伪随机码调制器3为高速电光调制器；所述任意波形发生器14含两个输出通道，分别线性啁啾调制器2和伪随机码调制器3提供驱动信号。为所述的计算机12提供伪随机码；所述第一耦合器4为1∶99的光耦合器。其中1％的光用作本振光；99％的光通过望远镜6将激光出射；所述第二耦合器8为20∶80光耦合器。输出分为两路，其中20％用作相干探测和脉冲压缩，80％用作相关运算；所述望远镜6是发射和接收共光轴的望远镜系统。

所述的相干探测和脉冲压缩装置9由第三耦合器91、平衡探测器92、90°移相器93、第一乘法器94、第二乘法器95、第一低通滤波器96、第二低通滤波器97组成，所述的第三耦合器91为3dB光耦合器，具有两输入端，两输出端，两输入端分别为本相干探测和脉冲压缩装置9的第一输入端和第二输入端，两输出信号的相位相差90°，所述的两输出端接所述平衡探测器92的两输入端，该平衡探测器92输出的电信号和所述的声光调制器驱动器13的驱动信号在所述第一乘法器94中混合，所述第一乘法器94的输出信号经过所述第一低通滤波器96后得到信号I；所述的声光调制器驱动器13的驱动信号经所述90°移相器93移相90°后，与所述平衡探测器92输出的电信号在第二乘法器95中混合，所述第二乘法器95的输出信号经过所述第二低通滤波器97后得到信号Q，信号I和信号Q的频谱峰值表达式为f₀＝kt-f_d，其中：k为线性啁啾调制速率，单位为赫兹每秒，f_d为多普勒频率。

本发明实施例高精度测速测距激光雷达系统测速测距的具体过程是：

①激光器1输出激光依次经过线性啁啾调制器2和伪随机码调制器3调制后被第一光耦合器4分为两部分：99％的激光由第一光耦合器4的第一输出端经所述的环形器5第一端口进入所述的环形器5并经该环形器5的第二端口输出由所述的望远镜6发射，1％的激光经过所述的声光调制器7移频后作为本振光；

②所述的望远镜6接收目标回波信号光，由所述的环形器5第三端口进入所述的环形器5并经该环形器5的第三端口进入第二耦合器8，第二耦合器8将回波信号光一分为二：第二耦合器(8)的第二输端输出80％的信号经单光子探测器10和单光子计数器11后进入计算机12，在计算机12中与任意波形发生器14提供的原始伪随机码做相关运算，相关运算峰值对应的时刻t与目标所处距离L的对应关系为 $L=\frac{\mathrm{ct}}{2},$ 其中c为光速；

③第二耦合器8的第一输出端输出20％的信号用于和本振光在相干探测和脉冲压缩装置9中做相干探测和脉冲压缩，形成信号I和信号Q；

④所述计算机12对信号I和信号Q分别进行采集并做傅立叶变换，得到FFTI、FFTQ，再将这两个傅立叶变换后的信号合为一路数字信号FFTI²+FFTQ²。此数字信号峰值对应的频率包含了距离信息和速度信息。该数字信号FFTI²+FFTQ²的峰值频率f＝2(kt-f_d)，其中k为线性啁啾调制速率，单位为赫兹每秒，f_d为多普勒频率，多普勒频率和平行于飞行器和目标连线的目标速度v之间的对应关系为 $f_d=\frac{2v}{\mathrm{\λ}},$ λ为激光器的输出波长；

⑤所述的计算机12综合上述第②和第④步的结果，得到目标速度：

$v=\frac{\mathrm{\λ}(2\mathrm{kt}-f)}{4}.$

Claims (9)

1、一种高精度测速测距激光雷达系统，包括激光器(1)和望远镜(6)，其特征是在所述的激光器(1)的输出光束的光轴上依次设有线性啁啾调制器(2)、伪随机码调制器(3)和第一耦合器(4)，该第一耦合器(4)的第一输出端与环形器(5)的第一端口相连，该环形器(5)的第二端口的输出方向是望远镜(6)，第一耦合器(4)的第二输出端经声光调制器(7)与相干探测和脉冲压缩装置(9)的第一输入端相连，所述的环形器(5)的第三端口接第二耦合器(8)的输入端，该第二耦合器(8)第一输出端与所述的相干探测和脉冲压缩装置(9)的第二输入端相连，该第二耦合器(8)的第二输出端经单光子探测器(10)和单光子计数器(11)后接具有信号采集、处理、控制、计算和显示功能的计算机(12)，所述的相干探测和脉冲压缩装置(9)的输出端接所述的计算机(12)，一任意波形发生器(14)的三个输出端分别连接所述的线性啁啾调制器(2)、伪随机码调制器(3)和计算机(12)，为所述的线性啁啾调制器(2)提供驱动信号，为所述的伪随机码调制器(3)和计算机(12)提供伪随机码，一声光调制器驱动器(13)为声光调制器(7)和所述的相干探测和脉冲压缩装置(9)提供声光调制器驱动信号。

2、根据权利要求1所述的高精度测速测距激光雷达系统，其特征在于所述的相干探测和脉冲压缩装置(9)由第三耦合器(91)、平衡探测器(92)、90°移相器(93)、第一乘法器(94)、第二乘法器(95)、第一低通滤波器(96)、第二低通滤波器(97)组成，所述的第三耦合器(91)为3dB光耦合器，具有两输入端，两输出端，两输入端分别为本相干探测和脉冲压缩装置(9)的第一输入端和第二输入端，所述的两输出端接所述平衡探测器(92)的两输入端，该平衡探测器(92)输出的电信号和所述的声光调制器驱动器(13)的驱动信号在所述第一乘法器(94)中混合，所述第一乘法器(94)的输出信号经过所述第一低通滤波器(96)后得到信号I；所述的声光调制器驱动器(13)的驱动信号经所述90°移相器(93)移相90°后，与所述平衡探测器(92)输出的电信号在第二乘法器(95)中混合，所述第二乘法器(95)的输出信号经过所述第二低通滤波器(97)后得到信号Q，信号I和信号Q的频谱峰值表达式为f₀＝kt-f_d，其中：k为线性啁啾调制速率，单位为赫兹每秒，f_d为多普勒频率。

3、根据权利要求1所述的高精度测速测距激光雷达系统，其特征在于所述的激光器(1)为单纵模光纤激光器。

4、根据权利要求1所述的高精度测速测距激光雷达系统，其特征在于所述的线性啁啾调制器(2)为铌酸锂强度调制器。

5、根据权利要求1所述的高精度测速测距激光雷达系统，其特征在于所述的所述伪随机码调制器(3)为高速电光调制器。

6、根据权利要求1所述的高精度测速测距激光雷达系统，其特征在于所述的第一耦合器(4)为1∶99的光耦合器，其中1％的光用作本振光；99％的光通过望远镜(6)发射。

7、根据权利要求1所述的高精度测速测距激光雷达系统，其特征在于所述的第二耦合器(8)为20∶80光耦合器，其中20％的光用于相干探测和脉冲压缩；80％的光用于相关运算。

8、根据权利要求1所述的高精度测速测距激光雷达系统，其特征在于所述的所述望远镜(6)是发射和接收共光轴的望远镜系统。

9、一种利用权利要求1或2所述的高精度测速测距激光雷达系统进行测速测距的方法，其特征在于包括下列步骤：

①激光器(1)输出激光依次经过线性啁啾调制器(2)和伪随机码调制器(3)调制后被第一光耦合器(4)分为两部分：大部分激光由第一光耦合器(4)的第一输出端经所述的环形器(5)第一端口进入所述的环形器(5)并经该环形器(5)的第二端口输出由所述的望远镜(6)发射，小部分激光经过所述的声光调制器(7)移频后作为本振光；

②所述的望远镜(6)接收目标回波信号光，由所述的环形器(5)第三端口进入所述的环形器(5)并经该环形器(5)的第三端口进入第二耦合器(8)，第二耦合器(8)将回波信号光一分为二：第二耦合器(8)的第二输出端输出大部分信号经单光子探测器(10)和单光子计数器(11)后进入计算机(12)，在计算机(12)中与任意波形发生器(14)提供的原始伪随机码做相关运算，相关运算峰值对应的时刻t与目标所处距离L的对应关系为 $L=\frac{\mathrm{ct}}{2},$ 其中c为光速；

③第二耦合器(8)的第一输出端输出小部分信号用于和本振光在相干探测和脉冲压缩装置(9)中做相干探测和脉冲压缩，形成信号I和信号Q；

④所述计算机(12)对信号I和信号Q分别进行采集并做傅立叶变换后合为一路信号，该信号的峰值频率为f＝2(kt-f_d)，其中k为线性啁啾调制速率，单位为赫兹每秒。f_d为多普勒频率，多普勒频率和平行于飞行器和目标连线的目标速度v之间的对应关系为 $f_d=\frac{2v}{\mathrm{\λ}},$ λ为激光器的输出波长；

⑤所述的计算机(12)综合上述第②和第④步的结果，得到目标速度：

$v=\frac{\mathrm{\λ}(2\mathrm{kt}-f)}{4}.$