CN102495411A - 亚毫米级线性调谐激光测距系统及信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚毫米级线性调谐激光测距系统以及信号处理方法，它应用于激光测距。本发明的系统由线性调谐半导体激光器、90:10光纤耦合器、发射准直镜、极化偏振分束镜、λ/4波片、接收准直镜、4个50:50光纤耦合器、2个平衡探测器、参考延时光纤、数据采集模块和信号处理程序模块构成。本发明的亚毫米级线性调谐激光测距系统是基于大范围线性调谐激光脉冲信号，采用零差相干探测及平衡探测技术，最后利用特殊的信号处理程序，计算得出目标的距离信息，优点是系统大部分基于光纤器件，稳定性高，结构简单，探测灵敏度高，作用距离远，测距分辨率可以达到亚毫米级。

Description

亚毫米级线性调谐激光测距系统及信号处理方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，具体指一种用于测距的亚毫米级线性调谐激光测距系统及其信号处理方法。

背景技术

当前激光雷达系统按回波的探测方式可分为直接探测激光雷达与相干探测激光雷达。直接探测结构简单，应用最为广泛，但只能得出激光能量的变化，这种系统是通过测量发射和接收光信号的时间延迟(Δt)来计算距离

c是光速，但是分辨率在厘米级左右，而且必须使用超窄发射脉冲、高速采样以及灵敏度非常高的雪崩光电二极管作为探测器，对器件要求比较高。相干探测利用连续的本振光信号与回波在探测器上混频，探测灵敏度高，且可得出回波频率与相位变化，在大型相干激光雷达以及激光多普勒雷达中得到应用。

由激光雷达理论可知，功率受限时，所探测的距离越远，要求脉冲时宽越大；而要实现的距离分辨率越高，则需要的带宽越大，简单脉冲的时宽带宽乘积接近于l，时宽与带宽相互制约，不能同时增大。故对这种恒定波长的简单激光脉冲，最大作用距离与距离分辨率不可能同时兼顾。最好的解决办法就是，采用具有大时宽与大带宽的复杂信号形式来作为发射信号。

信号理论早就指出，大时宽与带宽的发射信号，必须使用复杂的调制波形。常用的有三种形式：线性调频、非线性调频和相位编码调制。由于线性调频信号(LFM信号，即啁啾信号)易于产生、便于处理、对多普勒频移不敏感，所以其应用最广。微波雷达已经有了成功的应用，同理，借鉴微波雷达，激光雷达也出现了一些新体制，包括线性调频连续波(LFMCW)激光雷达、伪随机码调相激光雷达以及啁啾信号调幅激光雷达等。

伪随机码调相激光雷达由于受到多普勒敏感以及距离压缩旁瓣太高等限制，这种体制的激光雷达应用少有研究；非线性调频激光的信号源调制较为复杂，也很少有研究。

啁啾信号调幅激光雷达虽然进展比较大，但是由于其是在幅度上实现啁啾信号调制，而且一般采用声光调制的方式，调制带宽在一般在200MHz左右，由于距离分辨率等于

c为光速，B是调制带宽，其对应距离分辨率为0.75m，难以实现大带宽的调制就限制了其距离分辨率的提高。

线性调频连续波激光雷达可以采用多种调制方式，声光调制、电光调制和线性调谐等方式。声光调制如上述，其调制带宽比较小；电光调制的调制带宽直接与电压的大小有关，由于受到核心器件(非线性晶体)的最大耐压限制，调制的带宽比声光调制还小；而采用线性调谐可以轻易地实现几十nm范围的调制，对应的带宽就是THz量级，理论分辨率可以达到亚毫米级甚至更小。因为激光器输出谐振波长为λ的激光，必须满足腔长L＝n·λ(n为激光器纵模的序号)的驻波条件，所以半导体可调谐激光器的工作原理是通过控制压电陶瓷的伸缩来调节激光谐振腔的腔长，从而实现调整波长的功能。虽然波长是线性变化，频率c是光速，则频率必然不是线性变化，但是由于光波段的频率比较高，所以频率可以近似看作线性变化，仍然可以按照普通线性调频(啁啾)信号的雷达进行分析处理，但必须要加上合适的非线性调频误差补偿，这也是本专利要解决的问题。

无论系统采用何种形式的载波，无论采用何种调制方式，获得大带宽的信号是最终的目标，纵观所有的系统，采用半导体线性调谐激光器可以取得的带宽最大，一般的波长调谐可以很轻松的实现1550～1630nm之间调谐，例如本专利只选择了1550～1560nm之间进行线性调谐，目的是使系统的采样率不至于太高。目前NewFocus公司已经有多种型号的波长可调谐激光器，调谐速度有20nm/s，也有100nm/s的，本专利采用的就是20nm/s。因此在增大采样率以满足测距要求的情况下，这种系统的带宽还可以继续增大，对应距离分辨率也可以继续增大。本专利在于解决了这种线性调谐方式的回波通道相位误差补偿方法，而且是自适应地补偿办法，凭借数字信号处理的方法，使得这种THz以上的大带宽方式得以应用。

发明内容

本发明的目的是为相干探测激光雷达技术中的线性调频连续波雷达，特指可以实现超大带宽(THz级)信号的线性调谐雷达，提出一种能够使其回波通道相位误差得以自适应补偿，实现信号的频谱压缩，也即脉冲压缩的系统及信号处理算法，从而实现对应带宽的真正意义上的高分辨率，采用半导体激光器直接发射的线性调谐脉冲，无需进行其他的调制，基于解线频调的脉冲压缩技术，利用相位误差自适应补偿程序，结合参考通道数据的信息对回波通道数据进行相位误差补偿，在回波通道数据的频域压缩出超窄脉冲，脉冲的位置与距离一一对应，实现高分率的距离测量，也就使得这种形式的雷达可以真正应用。而且该系统也继承了激光雷达的优点，距离分辨率不随距离增加而降低。

波长随时间线性调谐的脉冲信号经发射后，回波信号与同微小延迟的回波本振信号之间存在一个与距离相对应的延时，由于波长调谐啁啾信号，也可以近似看成是线性调频信号，频率随时间线性变化，因此通过相干混频后，固定的延时转换为固定的频差，通过检测频差，也即是频谱中峰值对应的频率位置，就可以得到从而得到回波延时，进而得到目标距离。啁啾信号的“频率-时间”表达式为(锯齿波，即在单周期内频率只随时间线性下降)：

$f\left(t\right)=f_c-\frac{B}{T}t=f_c-K_r\·t,$ (0≤t≤T)                    (1)

f_c为啁啾信号的起始频率，B为啁啾信号的带宽，T为啁啾信号频率变化的周期，K_r为线性调频率。则原始的啁啾信号为：

$p\left(t\right)=E_s\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)\exp \{-j2\mathrm{\π}[\∫f\left(t\right)\mathrm{dt}\left]\right\}=E_s\mathrm{rect}\left(\frac{t}{\mathrm{\τ}}\right)\exp [-j2\mathrm{\π}(f_{c}t-K_r\frac{t^2}{2})]---\left(2\right)$

经过一段距离，延时Δts后的回波信号为：

$s\left(t\right)=E_s\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{\Δts}}{\mathrm{\τ}}\right)\exp \{-j2\mathrm{\π}[f_c(t-\mathrm{\Δts})-K_r\frac{{(t-\mathrm{\Δts})}^2}{2}\left]\right\}---\left(3\right)$

经过较小特定延Δtl的回波本振信号为：

$L\left(t\right)=E_s\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{\Δtl}}{\mathrm{\τ}}\right)\exp \{-j2\mathrm{\π}[f_c(t-\mathrm{\Δtl})-K_r\frac{{(t-\mathrm{\Δtl})}^2}{2}\left]\right\}---\left(4\right)$

其中，延时均与距离对应，即信号延时

本振延时

由公式(3)和(4)得到，回波信号与回波本振信号混频后被平衡探测器外差接收，可得到两信号的差频：

S_IF(t)＝E_{IF_S} cos[2πK_r(Δts-Δtl)(t-Δtl)+2πf_c(Δts-Δtl)-πK_r(Δts-Δtl)²](5)

回波信号频率值为：

$f_s=K_r(\mathrm{\Δts}-\mathrm{\Δtl})=\frac{2K_r}{c}(R_s-R_l)---\left(6\right)$

故，理论上的距离分辨率：

${\mathrm{\ρ}}_r=\mathrm{\δ}\left(\mathrm{\ΔR}\right)=\frac{c}{2K_r}\·\mathrm{\δ}\left(f_s\right)=\frac{c}{2K_r}\·\frac{1}{T}=\frac{c}{2B}---\left(7\right)$

式(5)中后面两部分的相位常数项，不影响频率，因此也不影响距离的测量。

由式(5)可见，理论上可以得到对应式(6)的单个频率值的距离信息。但是由于采用的激光调谐脉冲是波长线性调谐，频率

与波长成反比，而上述的分析是假定频率是线性变化的，这必然存在非线性调频的误差；而且由于这种通过调节腔长来调整振荡光波长的半导体激光，实际上调节波长就会存在非线性，也会带来少许的非线性调频误差。这两个因素导致了最终的式(5)中包含了各种阶次(二次及二次以上)的相位误差。

由于这些相位误差的存在，使得式(5)中单频信号的相位变得非线性，因此在频率域就不是单一的窄脉冲，无法得到对应的频率窄脉冲峰值，而是以理论峰值为中心涵盖非常宽的频率范围，这样频谱上的理论窄脉冲就被展宽了很多很多，导致频率分辨率非常差，相应距离的分辨能力也恶化到了不能用的地步。

因此本发明提出了一种可以真正发挥波长调谐半导体激光器大带宽的优势的系统——亚毫米级线性调谐激光测距系统，并依托此系统，实现了一种行之有效的信号处理算法程序，它的核心思想是差分概念，采用具有固定延迟的参考通道，此通道包含的非线性调频相位误差与回波信号通道的非常相似，故用它来补偿回波信号通道所包含的相位误差，且参考通道的延迟长度不需要回波信号通道所测量的距离先验知识，属于一种自适应补偿方法，也能消去式(5)中后面两部分的相位常数项，补偿效果非常好，可以基本上消除回波信号通道的相位误差，实现基本接近理论值

的高分辨率，目前本发明系统可以实现亚毫米级分辨率。参考通道设计如公式(8)所述：

经过特定固定延迟Δtr的参考延迟信号为：

$R\left(t\right)=E_r\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{\Δtr}}{\mathrm{\τ}}\right)\exp \{-j2\mathrm{\π}[f_c(t-\mathrm{\Δtr})-K_r\frac{{(t-\mathrm{\Δtr})}^2}{2}\left]\right\}---\left(8\right)$

参考本振信号与回波本振一样，都是经过一个50:50耦合器而分开的信号(较小特定延迟Δtl)：

$L\left(t\right)=E_s\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{\Δtl}}{\mathrm{\τ}}\right)\exp \{-j2\mathrm{\π}[f_c(t-\mathrm{\Δtl})-K_r\frac{{(t-\mathrm{\Δtl})}^2}{2}\left]\right\}---\left(9\right)$

其中，延时均与距离对应，即参考延时

本振延时

由公式(8)和(9)得到，参考延迟信号与参考本振信号混频后被平衡探测器外差接收，可得到两信号的差频：

R_IF(t)＝E_{IF_R}·cos[2πK_r(Δtr-Δtl)(t-Δtl)+2πf_c(Δtr-Δtl)-πK_r(Δtr-Δtl)²](10)

参考延时信号频率值为：

$f_r=K_r(\mathrm{\Δtr}-\mathrm{\Δtl})=\frac{2K_r}{c}(R_r-R_l)---\left(11\right)$

自适应补偿方法的核心思想是基于差分理念，对公式(10)所述信号进行采集，得到参考通道信号数据(设为B)；对公式(5)所述信号进行采集，得到回波通道信号数据(设为A)，二者所包含着极为相似(大小为线性关系)的相位误差分布，就可以利用参考通道数据的相位误差来补偿掉回波通道数据所包含的相位误差。主要过程如下：

①先对回波通道信号数据A和参考通道信号数据B的数据进行加与数据长度等长的汉明窗w(t)，得到加窗后的回波通道数据A₁：

A₁＝A×w(t)                (12)

和参考通道数据B₁：

B₁＝B×w(t)                (13)

②利用时-频分析从加窗后的回波通道数据A₁中提取出相位随时间的分布

再从加窗后的参考通道数据B₁中提取出相位随时间的分布

③将数据B₁的相位

减去理想参考通道的相位分布而得到参考通道

其中：理想参考通道的相位分布

为：

式中：K_r是线性调频系数，对于特定系统是个常数，

T为调谐脉冲信号的时间宽度，B为信号带宽，B＝c/λ₁-c/λ₂，λ₁为激光调谐的起始波长，λ₂为激光调谐的终止波长，c为光速；R_r为参考延时光纤中的光程，等于参考延时光纤的长度与光纤折射率1.5的乘积。

④将相位误差分布

乘以一个尺度变换因子ξ，ξ为0～1之间的某个数，得到变换后的相位误差分布

拿数据A₁的相位分布减去变换后的相位误差分布即得到补偿后的回波通道数据A₁的相位分布：

⑤把补偿后的回波通道数据A₁的相位分布

与原始的回波通道数据A₁的幅度分布A_abs(t)，结合成为补偿后的回波通道数据C：

⑥对补偿后的回波通道数据C进行傅里叶变换，并计算锐化函数S(ξ)值：

其中

为对的傅里叶变换，||是取模值；

⑦改变尺度变换因子ξ，重新由步骤④-⑥计算锐化函数的值，循环找出使得锐化函数有最大值时所对应的ξ_max，并利用此ξ_max，求出最终补偿后的回波

⑧再对最终补偿后的回波通道数据D进行傅里叶变换，得到频谱图，此时的频谱图具有与目标距离对应的峰值，且每个峰值很窄，有非常高的频率分辨率，由频谱图中峰值处的频率位置f，计算出目标的距离R：

$R=\frac{f\·c}{2K_r}---\left(20\right)$

理论上，锐化函数峰值处的尺度变换因子应该等于

本发明中的信号处理程序计算得到的ξ值跟理论值是吻合的。

据此，本发明提出一种亚毫米级线性调谐激光测距系统，如图1，系统组成部分及功能如下：

1.发射及本振光路：由线性调谐半导体激光器1、90:10光纤耦合器2、发射准直镜3、极化偏振分束镜4、λ/4波片5、接收准直镜6组成。激光器1输出的激光束S₀经90:10光纤耦合器2分为两部分，一部分作为本底光记为S₁，另一部分作为发射光记为S₂，S₂经准直镜3发射，经过极化偏振分束镜4时，一部分反射，另一大部分透射，S₂透射部分激光通过λ/4波片5后，激光光偏振方向由线偏振转换为圆偏振，经自由空间路径照射到目标16上；本底光S₁经过50:50光纤耦合器I7被分成本振光S₃和参考光S₄两部分，本振光S₃经过50:50光纤耦合器II8被分成回波本振光S_3-1和参考本振光S_3-2。

2.回波接收光路：目标16对S₂透射部分激光信号反射，反射回来的信号光，记为回波信号R₀经过，它通过λ/4波片5后转变为线偏振光，偏振方向与发射时经过λ/4波片5前的偏振方向垂直，经过极化偏振分束镜4时，回波信号R₀大部分光被反射，反射部分经接收准直镜6耦合到光纤中，记为回波接收信号

3.相干探测和平衡探测光路：共包含两个通道。一是，回波接收信号R₁与回波本振光S_3-1进入50:50光纤耦合器III9后耦合在一起，发生混频，被回波通道平衡探测器11探测接收，光信号转换为电信号，记为回波通道信号数据A；二是，参考光S₄经过一段参考延时光纤13后与参考本振光S_3-2再进入50:50光纤耦合器IV10，耦合在一起，发生混频，被参考通道平衡探测器12探测接收，光信号转换为电信号，记为参考通道信号数据B。

4.数据采集模块14：采用PXI数据采集卡，对两路平衡探测器输出信号同步进行采集。

5.信号处理程序模块15：根据系统参数，利用参考通道数据B对回波通道数据A进行自适应地非线性调频相位误差补偿，再将补偿后的回波数据进行傅里叶变换，得到频谱，根据频谱计算出目标的距离。

亚毫米级线性调谐激光测距系统具体工作流程如下：

激光器1输出的激光束S₀经90:10光纤耦合器2分为两部分，一部分作为本底光记为S₁，另一部分作为发射光记为S₂，S₂经准直镜3发射，经过极化偏振分束镜4时，一部分反射，另一部分透射，S₂透射部分激光通过λ/4波片5后，激光光偏振方向由线偏振转换为圆偏振，经自由空间路径发射到目标16上；本底光S₁经过50:50光纤耦合器I7被分成本振光S₃和参考光S₄两部分，本振光S₃经过50:50光纤耦合器II8被分成回波本振光S_3-1和参考本振光S_3-2。

目标16对S₂透射部分激光信号反射，反射回来的信号光，记为回波信号R₀经过，它通过λ/4波片5后转变为线偏振光，偏振方向与发射时经过λ/4波片5前的偏振方向垂直，经过极化偏振分束镜4时，回波信号R₀大部分光被反射，反射部分经接收准直镜6耦合到光纤中，记为回波接收信号R₁；

回波接收信号R₁与回波本振光S_3-1进入50:50光纤耦合器III9后耦合在一起，发生混频，被回波通道平衡探测器11探测接收，光信号转换为电信号，记为回波通道数据A；参考光S₄经过一段参考延时光纤13后与参考本振光S_3-2再进入50:50光纤耦合器IV10，耦合在一起，发生混频，被参考通道平衡探测器12探测接收，光信号转换为电信号，记为参考通道数据B；

两个通道的数据被送入数据采集模块14，一齐采集两个平衡探测器输出的电信号；进入信号处理模块15，该模块对回波通道数据A和参考通道数据B进行处理，最终得到目标的距离数据，具体步骤如下：

①对回波通道数据A和参考通道数据B的数据进行加与数据长度等长的汉明窗w(t)，得到加窗后的回波通道数据：

A₁＝A×w(t)                (21)

和参考通道数据：

B₁＝B×w(t)                (22)

②利用时-频分析从加窗后的回波通道数据A₁中提取出相位随时间的分布

再从加窗后的参考通道数据B₁中提取出相位随时间的分布

③将数据B₁的相位

减去理想参考通道的相位分布而得到参考通道数据B₁的相位误差分布：

其中：理想参考通道的相位分布为：

式中：K_r是线性调频系数，对于特定系统是个常数，T为调谐脉冲信号的时间宽度，B为信号带宽，B＝c/λ₁-c/λ₂，λ₁为激光调谐的起始波长，λ₂为激光调谐的终止波长，c为光速；R_r为参考延时光纤中的光程，等于参考延时光纤的长度与光纤折射率1.5的乘积。

④将相位误差分布

乘以一个尺度变换因子ξ，ξ为0～1之间的某个数，得到变换后的相位误差分布

拿数据A₁的相位分布

减去变换后的相位误差分布

即得到补偿后的回波通道数据A₁的相位分布：

⑤把补偿后的回波通道数据A₁的相位分布与原始的回波通道数据A₁的幅度分布A_abs(t)，结合成为补偿后的回波通道数据C：

⑥对补偿后的回波通道数据C进行傅里叶变换，并计算锐化函数S(ξ)值：

其中

为对

的傅里叶变换，||是取模值；

⑦改变尺度变换因子ξ，重新由步骤④-⑥计算锐化函数的值，循环找出使得锐化函数有最大值时所对应的ξ_max，并利用此ξ_max，求出最终补偿后的回波通道数据，记为最终补偿后的回波通道数据D：

⑧再对最终补偿后的回波通道数据D进行傅里叶变换，得到频谱图，此时的频谱图具有与目标距离对应的峰值，由频谱图中峰值处的频率位置f，计算出目标的距离：

$R=\frac{f\·c}{2K_r}---\left(29\right)$

本系统的优点为：

1)系统稳定性好，系统的大部分模块均是光纤器件，比自由空间光学器件抗干扰性好。

2)探测灵敏度高，采用了相干探测和平衡探测方式对光信号进行光电转换，相对于直接探测，抑制了相对强度噪声，具有更大的转换增益，提高了探测灵敏度，本实验中最低能探测10^-10w的回波功率。

3)信号处理模块稳健性好，距离分辨率高，从根本上解决了线性调谐激光器虽然有THz的大带宽但受限于大的非线性调频误差即便用常规方法也不能很好的实现脉冲压缩的弊端；在本系统中实现了亚毫米级的分辨率。

4)信号处理模块具有自适应性，不需要信号通道先验的距离信息，可以根据特定的参考通道进行自适应匹配补偿，具有较大的实用价值。

5)测距精度高，多次测量，所测距离值方差很小。

附图说明

图1为亚毫米级线性调谐激光测距系统的原理框图，各部分分别为：

1.线性调谐半导体激光器；

2.90:10光纤耦合器；

3.发射准直镜；

4.极化偏振分束镜；

5.λ/4波片；

6.接收准直镜；

7.50:50光纤耦合器I；

8.50:50光纤耦合器II；

9.50:50光纤耦合器III；

10.50:50光纤耦合器IV；

11.回波通道平衡探测器；

12.参考通道平衡探测器；

13.参考延时光纤；

14.数据采集模块；

15.信号处理程序模块；

16.目标。

图2～8为亚毫米级线性调谐激光测距系统实验结果图。

具体实施方式：

亚毫米级线性调谐激光测距系统对目标的距离测量过程分为以下几步：

1)设定激光器调谐频率范围及调谐速率，开启激光器1，激光器采用NewFocus公司半导体激光器，波长1550～1630nm，最大输出功率50mW1590nm，线宽30kHz(120μs延迟时)，设定起始波长1550nm，终止波长1560nm，调谐速率20nm/s，触发激光器扫描，激光器调谐脉冲(近似啁啾脉冲)时宽为0.5s，波长变化如下，前0.5s为线性波长上升，接下来的0.5s为1560nm，其后的0.5s线性波长下降，再其后的0.5s为1550nm为线性下降，如是循环。激光器输出为偏振方向固定的激光。激光器1输出的激光束S₀经90:10光纤耦合器2分为两部分，小部分作为本底光记为S₁，另一大部分作为发射光记为S₂，S₂经准直镜3发射，经过极化偏振分束镜4时，一部分反射，另一部分透射，S₂透射部分激光通过λ/4波片5后，激光光偏振方向由线偏振转换为圆偏振，经自由空间路径发射到目标16上，按图2相对位置摆放发射准直镜3、极化偏振分束镜4、λ/4波片5、接收准直镜6并固定；

2)目标16位置固定；

3)调节光路使目标反射的光进入接收准直镜6中，将发射和接收都调整对准目标，保证光路的水平和竖直方向上都非常直，最后可用功率计在准直镜后测量目标反射回来，又耦合进光纤的光功率，光功率最大时，可认为光路达到最优；

4)在接收准直镜6后，接入一段500m的光纤延迟线，用来模拟目标距离；

5)按图1连接50:50光纤耦合器I7、50:50光纤耦合器II8、50:50光纤耦合器III9、50:50光纤耦合器IV10、回波通道平衡探测器11、参考通道平衡探测器12、参考延时光纤13，接通探测器电源；

6)开启计算机，将探测器输出接入工控计算机上的PXI数据采集卡输入接口，进行两个通道的数据采集；

7)利用信号处理程序模块15对采集后的数据进行处理，计算距离。

在啁啾带宽B为1.240694789THz，啁啾时宽为0.5s，距离1.86m，按照公式(7)计算理论距离分辨率为120微米。本系统对3个距离目标实施分辨的某次实验结果图如图2～6所示；作为对比，对2个距离目标实施分辨的某次实验结果图如图7～8所示。

图2是回波通道数据A的频谱，峰宽对应1.5m的距离，分辨率很差，几乎不能应用于距离分辨。图3是参考通道数据B的频谱，图4就是按照公式(12)所得到的尺度因子函数图，峰值对应横坐标0.801，此处就是最佳的尺度因子，图5是依据最佳尺度因子0.801，用参考通道所包含的相位误差补偿后的回波信号通道的频谱，且图2和图5中横坐标(距离)是按照公式(6)换算的，图3中横坐标(距离)是按照公式(11)换算的。图6是对图5沿着横坐标放大后的图，由图中可以看出，三个峰值的横坐标位置分别为1.596m，1.598m，1.6m处，最小的幅度也高出背景10dB以上，而且明显看出每个峰值的宽度对应的距离宽度均小于1mm，在0.2mm左右。说明分辨能力达到了亚毫米量级，非常接近于按照公式(7)计算得出的理论分辨率。因此用本发明的方法，可以使得波长线性调谐的超大带宽(THz)体制得以应用于激光测距。

作为对比的图7和图8是对两个目标分辨的效果图，为简便，这里只展示补偿后的信号通道图及其放大图，从图8中可以看出1.596m，1.598m处的两个峰值，峰值宽度也小于1mm(亚毫米)。

Claims (2)

1.一种亚毫米级线性调谐激光测距系统，它包括线性调谐半导体激光器(1)、90:10光纤耦合器(2)、发射准直镜(3)、极化偏振分束镜(4)、λ/4波片(5)、接收准直镜(6)、50:50光纤耦合器I(7)、50:50光纤耦合器II(8)、50:50光纤耦合器III(9)、50:50光纤耦合器IV(10)、回波通道平衡探测器(11)、参考通道平衡探测器(12)、参考延时光纤(13)、数据采集模块(14)和信号处理程序模块(15)，其特征在于：

线性调谐半导体激光器(1)输出的激光束S₀经90:10光纤耦合器(2)分为两部分，一部分作为本底光记为S₁，另一部分作为发射光记为S₂，S₂经发射准直镜(3)发射，经过极化偏振分束镜(4)时，一部分反射，另一部分透射，S₂透射部分激光通过λ/4波片(5)后，激光光偏振方向由线偏振转换为圆偏振，经自由空间路径发射到目标(16)上；本底光S₁经过50:50光纤耦合器I(7)被分成本振光S₃和参考光S₄两部分，本振光S₃经过50:50光纤耦合器II(8)被分成回波本振光S_3-1和参考本振光S_3-2；

目标(16)对S₂透射部分激光信号反射，反射回来的信号光，记为回波信号R₀，它通过λ/4波片(5)后转变为线偏振光，偏振方向与发射时经过λ/4波片(5)前的偏振方向垂直，经过极化偏振分束镜(4)时，回波信号R₀大部分光被反射，反射部分经接收准直镜(6)耦合到光纤中，记为回波接收信号R₁；

回波接收信号R₁与回波本振光S_3-1进入50:50光纤耦合器III(9)后耦合在一起，发生混频，被回波通道平衡探测器(11)探测接收，光信号转换为电信号，记为回波通道信号数据A；参考光S₄经过一段参考延时光纤(13)后与参考本振光S_3-2再进入50:50光纤耦合器IV(10)，耦合在一起，发生混频，被参考通道平衡探测器(12)探测接收，光信号转换为电信号，记为参考通道信号数据B；

数据采集模块(14)采集两个平衡探测器输出的电信号获得回波通道数据A和参考通道数据B，然后利用信号处理模块(15)对回波通道信号数据A和参考通道信号数据B进行处理得到目标的距离数据。

2.根据权利要求1所述的亚毫米级线性调谐激光测距系统，其特征在于：所述的信号处理模块(15)对回波通道信号数据A与参考通道信号数据B的处理步骤如下：

①对回波通道数据A和参考通道数据B的数据进行加与数据长度等长的汉明窗w(t)，得到加窗后的回波通道数据A₁：

A₁＝A×w(t)                    (1)

和参考通道数据B₁：

B₁＝B×w(t)                    (2)

②利用时-频分析从加窗后的回波通道数据A₁中提取出相位随时间的分布

再从加窗后的参考通道数据B₁中提取出相位随时间的分布

③将数据B₁的相位

减去理想参考通道的相位分布而得到参考通道数据B₁的相位误差分布

其中：理想参考通道的相位分布

为：

式中：K_r是线性调频系数，对于特定系统是个常数，

T为调谐脉冲信号的时间宽度，B为信号带宽，B＝c/λ₁-c/λ₂，λ₁为激光调谐的起始波长，λ₂为激光调谐的终止波长，c为光速；R_r为参考延时光纤中的光程，等于参考延时光纤的长度与光纤折射率1.5的乘积；

④将相位误差分布

乘以一个尺度变换因子ξ，ξ为0～1之间的某个数，得到变换后的相位误差分布

拿数据A₁的相位分布

减去变换后的相位误差分布

即得到补偿后的回波通道数据A₁的相位分布：

⑤把补偿后的回波通道数据A₁的相位分布

与原始的回波通道数据A₁的幅度分布A_abs(t)，结合成为补偿后的回波通道数据C：

⑥对补偿后的回波通道数据C进行傅里叶变换，并计算锐化函数S(ξ)值：

其中

为对

的傅里叶变换，||是取模值；

⑦改变尺度变换因子ξ，重新由步骤④-⑥计算锐化函数的值，循环找出使得锐化函数有最大值时所对应的ξ_max，并利用此ξ_max，求出最终补偿后的回波通道数据，记为最终补偿后的回波通道数据D：

⑧再对最终补偿后的回波通道数据D进行傅里叶变换，得到频谱图，此时的频谱图具有与目标距离对应的峰值，由频谱图中峰值处的频率位置f，计算出目标的距离R：

$R=\frac{f\·c}{2K_r}---\left(9\right)$

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