CN102590822A - 基于啁啾调制机理的激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于啁啾调制机理的激光雷达，包括啁啾调制器、放大器A、加法器、激光器、望远镜A、激光器驱动器、望远镜B、探测器、放大器B、模数转换器A/D、计算机、显示器和ATP高速二维跟踪转台；结合了啁啾调制激光信号技术、高速光电探测技术和高速二维跟踪转台技术，采用啁啾调制机理的激光发射源，高速PIN探测器探测回波信号，ATP高速二维跟踪转台进行周期性扫描的方式测定目标的距离和速度信息，可实现对几千米距离的目标进行距离精度可达到毫米量级的探测，由于发射激光信号具有大时宽带宽积且具有很强的多目标识别能力，适合用于薄雾，树林等具有一定遮蔽障碍情况下进行穿透性目标探测，用于军事、航空航天以及海洋考察等。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于啁啾调制机理的激光雷达，属于激光测量技术领域。
背景技术
激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。激光雷达采用脉冲或连续波两种工作方式。
脉冲式激光雷达技术是利用了激光在空气中传播速度基本恒定的特性，通过测定激光脉冲的一个往返时间来确定接收器与被测目标之间的距离。现有脉冲激光测距可以对远距离目标进行测量(可达到几十千米的距离)，但是测量精度不高(可达到米量级的精度)。[霍玉晶，杨成伟，陈千颂.脉冲激光测距光源进展.《激光与红外》.2002，32(3)：131-134]。
高速光探测器技术中，由于本征光电二极管(简称PIN)探测器的制作工艺较为简单，而且能够得到非常高的响应速度，因此各种不同响应速度的PIN光电探测器得到极大的发展。[刘家洲，李爱珍，张永刚.光通信波段超高速PIN光电探测器的新进展.《半导体光电》.2001，22(4)：227-232]
ATP高速二维跟踪转台技术，实质上是地面跟踪转台在天文学方面的应用，是实现空间目标的捕获(Acquisition)、跟踪(Tracking)和瞄准(Pointing)的重要设备。主要完成大范围、高概率和快速空间捕获和两运动平台间高精度视轴对准和动态跟踪。[张涛，梁雁冰，许峰，王晨，冯希.星载ATP平台的建模与仿真.《系统仿真学报》2009，12：3813-3815]。
连续波激光雷达系统是公知的，并且已经广泛应用了多年。在具有改善了频率扫描线性的频率调制连续波(FMCW)雷达专利中，主要对参考差频信号与发射信号和回波信号混合所产生的差频信号进行分析计算，针对性研究提高频率扫描的线性，得到更精确的目标信息。而本发明涉及一种基于啁啾调制机理的激光雷达，回波信息与时基信号进行混频，通过计算机高效的信号处理和数据计算能力，可对多目标进行识别，适合用于薄雾，树林等具有一定遮蔽障碍情况下进行穿透性目标探测。
发明内容
为了解决激光雷达实现多目标测量的问题，本发明之基于啁啾调制机理的激光雷达，其包括啁啾调制器1、放大器A2、加法器3、激光器4、望远镜A5、激光器驱动器6、望远镜B7、探测器8、放大器B9、模数转换器A/D10、计算机11、显示器12和ATP高速二维跟踪转台13；
其中，啁啾调制器1、模数转换器A/D10和ATP高速二维跟踪转台13分别与计算机11连接；啁啾调制器1与放大器A2连接；加法器3与放大器A2、激光器驱动器6和激光器4连接；激光器4与望远镜A5连接；望远镜B7、探测器8、放大器B9和模数转换器A/D10顺次连接；计算机11和显示器12连接；
啁啾调制器1、放大器A2、加法器3、激光器4、望远镜A5、激光器驱动器6、望远镜B7、探测器8、放大器B9和模数转换器A/D10均固定放置在ATP高速二维跟踪转台13上，上述所有装置随ATP高速二维跟踪转台13一起转动；
啁啾调制器1为啁啾调制激光信号发生器，啁啾信号频率为200到800兆赫兹；
放大器A2为功率放大器，优选增益带宽为200-800兆赫兹，放大倍率15倍，噪声系数小于3分贝，接收增益大于15分贝；
望远镜A5和望远镜B7均优选口径为15厘米的望远镜；
探测器8优选PIN光电探测器；
放大器B9为功率放大器，优选放大倍数100倍，噪声系数小于0.1分贝；
计算机11中存储有管理及运行软件，计算机11能进行人机交互、信号处理、控制和数据计算；
ATP高速二维跟踪转台13的角度分辨率：5毫弧度，响应时间：50毫弧度/秒，承载重量：100千克；
啁啾调制器1的信号分为两路，一路进入计算机11作为时基信号，同时另一路经放大器A2放大进入加法器3与激光器驱动器6的输入信号进行叠加，作为激光器4的激励源，激光器4产生啁啾调制式的激光信号通过望远镜A5发射出去，辐照目标；
望远镜B7接收回波信号，回波信号进入探测器8转换为电信号，该电信号经放大器B9放大后，通过模数转换器A/D10进入计算机11；
激光器4产生啁啾调制式的激光信号发射出去，啁啾信号的相位被距离调制，回波含有距离信息，探测器8采用同时探测空间位置和回波相位信息，其响应送入计算机11，通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度；在计算机11中将回波信号与时基信号进行混频，再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量，因为光波在传播过程中每传播λ的距离，相位就变化2π，所以距离R、光波往返相位差和光波波长λ之间存在一定的关系：
从而得到距离信息；
采用ATP高速二维跟踪转台13进行周期性扫描的方式测定目标的速度，预先在计算机中设置ATP高速二维跟踪转台13的扫描范围w和扫描速度v，扫描一次的时间是t＝w/v；
通过ATP高速二维跟踪转台13的扫描，第一个扫描周期得到目标的距离R1，并记录空间位置，第二个扫描周期得到目标的距离R2，并记录空间位置，则可得到两次测量中目标的转角θ，进而得到两次测量目标运动的直线距离L＝(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ，由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T＝θ/v，进而得到目标速度V＝L/T；
依上述操作步骤，重复多次扫描，得到目标的平均速度；
计算得到激光雷达与目标之间的距离R和目标速度V通过显示器12显示，或者打印出来。
所述的软件流程图如图2所示。结合硬件介绍软件流程并说明本发明的基于啁啾调制机理的激光雷达的运行方法的步骤如下：
执行步骤21，开始，初始化；
执行步骤22，在计算机11中设置ATP高速二维跟踪转台13的扫描范围w和扫描速度v；
执行步骤23，啁啾调制器1的信号分为两路，一路进入计算机11作为时基信号，同时另一路经放大器A2放大，进入加法器3与激光器驱动器6的信号进行叠加，作为激光器4的激励源，激光器4产生啁啾调制式的激光信号，通过望远镜A5发射出去，辐照目标；
执行步骤24，望远镜B7接收回波信号，回波信号进入探测器8，转换为电信号，经放大器B9放大后，通过模数转换器A/D10进入计算机11；
若在一个周期内，没有接收到回波信号，则返回步骤22；
执行步骤25，激光器4所发射的激光脉冲被调制为啁啾信号，发射出去，啁啾信号的相位被距离调制，回波含有距离信息，探测器8采用同时探测空间位置和回波相位信息，其响应送入计算机11，通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度；在计算机11中将回波信号与时基信号进行混频，再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量，因为光波在传播过程中每传播λ的距离，相位就变化2π，所以距离R、光波往返相位差
和光波波长λ之间存在一定的关系：
从而得到距离信息；
执行步骤26，记录目标空间位置；
执行步骤27，记录测量的距离结果R；
执行步骤28，通过ATP高速二维跟踪转台13的扫描，第一个扫描周期得到目标的距离R1，并记录空间位置，第二个扫描周期得到目标的距离R2，并记录空间位置，则可得到两次测量中目标的转角θ，进而得到两次测量目标运动的直线距离L＝(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ，由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T＝θ/v，则可知目标速度V＝L/T；
依上述操作步骤，重复多次扫描测量，得到目标的平均速度；
执行步骤29，记录测量的速度结果V；
执行步骤30，计算机11将计算得到激光雷达与目标之间的距离R和目标速度V输出，通过显示器12显示，或者打印出来；
执行步骤31，结束。
有益效果：本发明结合了啁啾调制激光信号技术、高速光电探测技术和高速二维跟踪转台技术，采用啁啾调制机理的激光发射源，高速PIN探测器探测回波信号，ATP高速二维跟踪转台进行周期性扫描的方式测定目标的距离和速度信息，可实现对几千米距离的目标进行距离精度可达到毫米量级的探测，由于发射激光信号具有大时宽带宽积且具有很强的多目标识别能力(如图4-1、4-2所示，可得到多距离目标回波信号，通过计算机处理可得到多目标信息)，适合用于薄雾，树林等具有一定遮蔽障碍情况下进行穿透性目标探测(对于薄雾是连续发射体，树林是静止体，它们的回波信息与目标的回波信息在数据处理时易进行分辨)。本发明结构设计巧妙，可应用于军事、航空航天以及海洋考察等。
附图说明
图1是本发明基于啁啾调制机理的激光雷达结构示意框图；
图2是本发明基于啁啾调制机理的激光雷达的流程图。
图3-1、3-2分别是本发明基于啁啾调制机理的激光雷达的500米距离回波及距离信息提取仿真结果，
图4-1、4-2分别是本发明基于啁啾调制机理的激光雷达的多距离目标回波混频信号及距离信息提取的仿真结果。
具体实施方式
实施例1一种基于啁啾调制机理的激光雷达，其包括啁啾调制器1、放大器A2、加法器3、激光器4、望远镜A5、激光器驱动器6、望远镜B7、探测器8、放大器B9、模数转换器A/D10、计算机11、显示器12和ATP高速二维跟踪转台13；
其中，啁啾调制器1、模数转换器A/D10和ATP高速二维跟踪转台13分别与计算机11连接；啁啾调制器1与放大器A2连接；加法器3与放大器A2、激光器驱动器6和激光器4连接；激光器4与望远镜A5连接；望远镜B7、探测器8、放大器B9和模数转换器A/D10顺次连接；计算机11和显示器12连接；
啁啾调制器1、放大器A2、加法器3、激光器4、望远镜A5、激光器驱动器6、望远镜B7、探测器8、放大器B9和模数转换器A/D10均固定放置在ATP高速二维跟踪转台13上，上述所有装置随ATP高速二维跟踪转台13一起转动；
啁啾调制器1为啁啾调制激光信号发生器，啁啾信号频率为200到800兆赫兹；
放大器A2为功率放大器，增益带宽为200-800兆赫兹，放大倍率15倍，噪声系数小于3分贝，接收增益大于15分贝；
望远镜A5和望远镜B7均为口径为15厘米的望远镜；
探测器8为PIN光电探测器；
放大器B9为功率放大器，放大倍数100倍，噪声系数小于0.1分贝；
计算机11中存储有管理及运行软件，计算机11能进行人机交互、信号处理、控制和数据计算；
ATP高速二维跟踪转台13的角度分辨率：5毫弧度，响应时间：50毫弧度/秒，承载重量：100千克；
啁啾调制器1的信号分为两路，一路进入计算机11作为时基信号，同时另一路经放大器A2放大进入加法器3与激光器驱动器6的输入信号进行叠加，作为激光器4的激励源，激光器4产生啁啾调制式的激光信号通过望远镜A5发射出去，辐照目标；
望远镜B7接收回波信号，回波信号进入探测器8转换为电信号，该电信号经放大器B9放大后通过模数转换器A/D10进入计算机11；
激光器4产生啁啾调制式的激光信号发射出去，啁啾信号的相位被距离调制，回波含有距离信息，探测器8采用同时探测空间位置和回波相位信息，其响应送入计算机11，通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度；在计算机11中将回波信号与时基信号进行混频，再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量，因为光波在传播过程中每传播λ的距离，相位就变化2π，所以距离R、光波往返相位差
和光波波长λ之间存在一定的关系：
从而得到距离信息；
采用ATP高速二维跟踪转台13进行周期性扫描的方式测定目标的速度，预先在计算机11中设置ATP高速二维跟踪转台13的扫描范围w和扫描速度v，扫描一次的时间是t＝w/v；
通过ATP高速二维跟踪转台13的扫描，第一个扫描周期得到目标的距离R1，并记录空间位置，第二个扫描周期得到目标的距离R2，并记录空间位置，则可得到两次测量中目标的转角θ，进而得到两次测量目标运动的直线距离L＝(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ，由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T＝θ/v，进而得到目标速度V＝L/T；
依上述操作步骤，重复多次扫描，得到目标的平均速度；
计算得到激光雷达与目标之间的距离R和目标速度V通过显示器12显示，或者打印出来。
所述的软件流程图如图2所示。结合硬件介绍软件流程并说明本发明的基于啁啾调制机理的激光雷达的运行方法的步骤如下：
执行步骤21，开始，初始化；
执行步骤22，在计算机11中设置ATP高速二维跟踪转台13的扫描范围w和扫描速度v；
执行步骤23，啁啾调制器1的信号分为两路，一路进入计算机11作为时基信号，同时另一路经放大器A2放大，进入加法器3与激光器驱动器6的输入信号进行叠加，作为激光器4的激励源，激光器4产生啁啾调制式的激光信号，通过望远镜A5发射出去，辐照目标；
执行步骤24，望远镜B7接收回波信号，回波信号进入探测器8后转换为电信号，该电信号经放大器B9放大后通过模数转换器A/D10进入计算机11；
若在一个周期内，没有接收到回波信号，则返回步骤22；
执行步骤25，激光器4产生啁啾调制式的激光信号发射出去，啁啾信号的相位被距离调制，回波含有距离信息，探测器8采用同时探测空间位置和回波相位信息，其响应送入计算机11，通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度；
在计算机11中将回波信号与时基信号进行混频，再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量，因为光波在传播过程中每传播λ的距离，相位就变化2π，所以距离R、光波往返相位差和光波波长λ之间存在一定的关系：
从而得到距离信息；
执行步骤26，记录目标空间位置；
执行步骤27，记录测量的距离结果R；
执行步骤28，通过ATP高速二维跟踪转台13的扫描，第一个扫描周期得到目标的距离R1，并记录空间位置；第二个扫描周期得到目标的距离R2，并记录空间位置，则可得到两次测量中目标的转角θ，进而得到两次测量目标运动的直线距离L＝(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ，由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T＝θ/v，则可知目标速度V＝L/T；
依上述操作步骤，重复多次扫描测量，得到目标的平均速度；
执行步骤29，记录测量的速度结果V；
执行步骤30，计算机11将计算得到激光雷达与目标之间的距离R和目标速度V输出，通过显示器12显示，或者打印出来；
执行步骤31，结束。
图3给出了500米距离回波及距离信息提取仿真结果.
图4给出了多距离目标回波混频信号及距离信息提取的仿真结果。
Claims (2)
1.一种基于啁啾调制机理的激光雷达，其特征在于，其包括啁啾调制器(1)、放大器A(2)、加法器(3)、激光器(4)、望远镜A(5)、激光器驱动器(6)、望远镜B(7)、探测器(8)、放大器B(9)、模数转换器A/D(10)、计算机(11)、显示器(12)和ATP高速二维跟踪转台(13)；
其中，啁啾调制器(1)、模数转换器A/D(10)和ATP高速二维跟踪转台(13)分别与计算机(11)连接；啁啾调制器(1)与放大器A(2)连接；加法器(3)与放大器A(2)、激光器驱动器(6)和激光器(4)连接；激光器(4)与望远镜A(5)连接；望远镜B(7)、探测器(8)、放大器B(9)和模数转换器A/D (10)顺次连接；计算机(11)和显示器(12)连接；
啁啾调制器(1)、放大器A(2)、加法器(3)、激光器(4)、望远镜A(5)、激光器驱动器(6)、望远镜B(7)、探测器(8)、放大器B(9)和模数转换器A/D(10)均固定放置在ATP高速二维跟踪转台(13)上，上述所有装置随ATP高速二维跟踪转台(13)一起转动；
啁啾调制器(1)为啁啾调制激光信号发生器；放大器A(2)为功率放大器；放大器B(9)为功率放大器；
计算机(11)中存储有管理及运行软件，计算机(11)能进行人机交互、信号处理、控制和数据计算；
啁啾调制器(1)的信号分为两路，一路进入计算机(11)作为时基信号，同时另一路经放大器A(2)放大进入加法器(3)与激光器驱动器(6)的输入信号进行叠加，作为激光器(4)的激励源，激光器(4)产生啁啾调制式的激光信号，通过望远镜A (5)发射出去，辐照目标；
望远镜B(7)接收回波信号，回波信号进入探测器(8)，转换为电信号，该电信号经放大器B(9)放大后，通过模数转换器A/D(10)进入计算机(11)；
激光器(4)产生啁啾调制式的激光信号发射出去，啁啾信号的相位被距离调制，回波含有距离信息，探测器(8)采用同时探测空间位置和回波相位信息，其响应送入计算机(11)，通过数据解调算法得出测量目标的坐标和速度；在计算机(11)中将回波信号与时基信号进行混频，再通过数据解调算法从混频信号中得到相位的改变量，得到测量距离：
式中，
为光波往返相位差，λ为光波波长；
采用ATP高速二维跟踪转台(13)进行周期性扫描的方式测定目标的速度，预先在计算机(11)中设置ATP高速二维跟踪转台(13)的扫描范围w和扫描速度v，扫描一次的时间是t＝w/v；
通过ATP高速二维跟踪转台(13)的扫描，第一个扫描周期得到目标的距离R1，并记录空间位置，第二个扫描周期得到目标的距离R2，并记录空间位置，则可得到两次测量中目标的转角θ，进而得到两次测量目标运动的直线距离L＝(R2)2+(R1)2-2R1R2cosθ，由转角θ与扫描速度v得到目标运动的时间T＝θ/v，进而得到目标速度V＝L/T；
依上述操作步骤，重复多次扫描，得到目标的平均速度；
计算得到激光雷达与目标之间的距离R和目标速度V通过显示器(12)显示，或者打印出来。
2.如权利要求1所述的一种基于啁啾调制机理的激光雷达，其特征在于，所述的啁啾调制器(1)的啁啾信号频率为200到800兆赫兹；放大器A(2)的增益带宽为200-800兆赫兹，放大倍率15倍，噪声系数小于3分贝，接收增益大于15分贝；望远镜A(5)和望远镜B(7)均为口径为15厘米的望远镜；探测器(8)为PIN光电探测器；放大器B(9)为功率放大器，放大倍数100倍，噪声系数小于0.1分贝；ATP高速二维跟踪转台(13)的角度分辨率：5毫弧度，响应时间：50毫弧度/秒，承载重量：100千克。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20140219 Termination date: 20150110 |
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