CN102608615B - 一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，采用的系统包括激光器、1×2光耦合器、电光调制器、光放大器、环形器、声光调制器、望远镜、2×2光耦合器、波形发生器、信号源、平衡探测器、电路放大器、第一乘法器、带通滤波器、分路器、90°移相器、第二乘法器、第三乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、双通道AD采集卡、计算机。本发明能够同一套硬件系统中，根据应用需求选择获取不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息或从系统的最终频谱中同时提取目标距离信息和目标速度信息，弥补了当前的啁啾调幅相干探测系统功能单调、应用不够灵活的不足之处，从而节约系统成本、简化系统结构、提高系统应用范围及使用效率。

Description

一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法

技术领域

本发明属测量装置技术领域，特别是涉及一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法。

背景技术

基于线性啁啾调幅和相干探测的激光雷达具有高灵敏度的特点。激光光源通过耦合器分为主振和本振信号两束；主振信号通过电光调制器按照线性啁啾信号进行强度调制；从目标返回系统的信号光和本振光相干后经探测器转化为电信号；通过后续的信号处理即可获取目标的距离或者多普勒频移等信息。

线性啁啾信号可用下式表示：

其中f₀，

分别是线性啁啾信号的起始频率和初始相位，B是啁啾信号的带宽，T是啁啾信号的长度，啁啾调制速率

系统回波信号可表示为：

其中A₁是回波信号的振幅；τ是目标导致的时延；w_s，f_d分别是主振信号的频率和系统的多普勒频移；

是目标信号的相位。

本振信号可表示为：

A₀，w_c，

分别是本振信号的振幅，光频率及相位。

探测器输出信号可表示为：

其中f_AOM是声光调制器的频移量；所以w_c＝w_s+2πf_AOM；

是相位信号。该式依次经过啁啾解调(即与啁啾驱动信号m(t)相乘)、带通滤波、正交解调(即分别与相位相差90°的声光调制器驱动信号相乘)、低通滤波后得到I路和Q路信号如下两式所示：

其中，

均为相位信号。通过(5)式和(6)式可看出I路和Q路两路信号中包含了系统多普勒频移f_d，目标距离τ的信息。

影响系统多普勒频移的因素包括：硬目标在目标与系统连线上有速度分量；大气风场的运动；系统平台自身的振动、姿态等多种原因，因此系统多普勒频移量可能抖动较大，即使多次累加也不能增强系统信噪比。实际应用时，系统可能需要不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息(例如在机载测高系统中)，也可能同时需要目标距离及目标速度信息(例如在飞行器在着陆过程中)，或两者交替或者同时需要。在可查到的报导中，基于啁啾调幅的相干探测系统只能应用于硬目标的测距，或者在系统保持静态状况下测量运动硬目标的距离、速度信息。由于相干激光雷达系统要求激光器单频窄线宽(小于1MHz)，因此系统造价较高。如何在一套系统中满足多种应用需求成为当今研究热点之一。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，能够同一套硬件系统中，根据应用需求选择不同的信号处理方法，既能获取不受多普勒频移干扰的目标距离信息，也能够从系统的最终频谱中同时提取目标距离信息和目标速度信息。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，采用的系统包括激光器、1×2光耦合器、电光调制器、光放大器、环形器、声光调制器、望远镜、2×2光耦合器、波形发生器、信号源、平衡探测器、电路放大器、第一乘法器、带通滤波器、分路器、90°移相器、第二乘法器、第三乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、双通道AD采集卡、计算机，所述的激光器输出信号经过1×2光耦合器后分为两束：能量较强的一束依次通过电光调制器、光放大器后进入环形器第一端口，能量较小的一束作为本振光，通过声光调制器后输入2×2光耦合器第一输入端；所述的环形器第二端口连接望远镜，并通过望远镜将信号光发射出去，目标回波信号光由望远镜接收，所述的望远镜接收的目标回波信号光从环形器第二端口进入环形器，所述的环形器第三端口连接2×2光耦合器第二输入端，所述的2×2光耦合器为50∶50耦合器；所述的电光调制器驱动信号由波形发生器提供，所述的声光调制器驱动信号由信号源提供，所述的2×2光耦合器两个输出端分别连接平衡探测器两个输入端，所述的平衡探测器输出信号经过电路放大器后与波形发生器所提供的驱动信号在第一乘法器混合，完成啁啾解调，啁啾解调后的信号通过带通滤波器后，经分路器等分为两路信号；所述的信号源提供的声光调制驱动信号经90°移相器后分两路输出，该两路输出信号相位差为90°，其他参数完全一致，所述的分路器输出的两路信号与90°移相器的两路输出信号分别在第二乘法器和第三乘法器中混合，完成正交解调；所述的第二乘法器输出信号经过第一低通滤波器后得到I路信号，所述的第三乘法器输出信号经过第二低通滤波器后得到Q路信号，所述的I路信号和Q路信号经过双通道AD采集卡将模拟信号转化为数字信号，所述的双通道AD采集卡连接计算机，所述的计算机用于通过测距模块获取不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息或通过测速测距模块获取目标距离信息和目标速度信息。

所述的激光器为单纵模窄线宽激光器。

所述的2×2光耦合器为50∶50耦合器。

所述的波形发生器为任意波形发生器。

所述的测距模块包括第一平方运算器、第二平方运算器、第一加法运算器、隔直运算器、第一快速傅立叶变换运算器，所述的I路信号和Q路信号在第一平方运算器和第二平方运算器中实施平方运算后，在第一加法运算器中叠加，叠加后的信号在隔直运算器中隔直后，再通过第一快速傅立叶变换运算器获取频谱信息，从频谱信息中提取不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息。

所述的测速测距模块包括第二快速傅里叶变换运算器、第三快速傅里叶变换运算器、第三平方运算器、第四平方运算器、第二加法运算器，所述的I路信号和Q路信号在第二快速傅里叶变换运算器和第三快速傅里叶变换运算器中分别实施快速傅立叶变换后，分别在第三平方运算器和第四平方运算器中实施平方运算，然后在第二加法运算器中叠加，从频谱信息中提取目标距离信息和目标速度信息。

有益效果

本发明与现有技术相比，具有下列有益效果：

(1)可在同一套硬件系统中，根据应用需求选择不同的信号处理方法，既能获取不受多普勒频移干扰的目标距离信息，也能够从系统的最终频谱中同时提取目标距离信息和目标速度信息，弥补了现有技术功能单一、应用不够灵活的欠缺之处；

(2)采用了正交解调的信号处理方法，系统获取的目标距离信息和目标速度信息均不受到随机相位的影响；

(3)采用了平衡探测器可大大降低激光器功率抖动等共模噪声对系统的影响；

(4)所采用的器件和工艺都很成熟，系统稳定可靠、灵敏度高，通过拓展系统的应用范围，对推动基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达系统的实用化进程具有重要意义。

附图说明

图1为本发明所采用的系统结构框图；

图2为测距模块信号处理结构框图；

图3为测速测距模块信号处理结构框图；

图4为当系统存在多普勒频移时，测距模块信号处理得到的最终频谱图，横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示功率谱强度(dB)；

图5为当系统存在多普勒频移时，测速测距模块信号处理得到的最终频谱图，横坐标表示频率(Hz)，纵坐标表示功率谱强度(dB)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1、图2、图3所示，本发明采用的系统包括激光器、1×2光耦合器、电光调制器、光放大器、环形器、声光调制器、望远镜、2×2光耦合器、波形发生器、信号源、平衡探测器、电路放大器、第一乘法器、带通滤波器、分路器、90°移相器、第二乘法器、第三乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、双通道AD采集卡、计算机，所述的激光器输出信号经过1×2光耦合器后分为两束：能量较强的一束依次通过电光调制器、光放大器后进入环形器第一端口，能量较小的一束作为本振光，通过声光调制器后输入2×2光耦合器第一输入端；所述的环形器第二端口连接望远镜，并通过望远镜将信号光发射出去，目标回波信号光由望远镜接收，所述的望远镜接收的目标回波信号光从环形器第二端口进入环形器，所述的环形器第三端口连接2×2光耦合器第二输入端，所述的2×2光耦合器为50∶50耦合器；所述的电光调制器驱动信号由波形发生器提供，所述的声光调制器驱动信号由信号源提供，所述的2×2光耦合器两个输出端分别连接平衡探测器两个输入端，所述的平衡探测器输出信号经过电路放大器后与波形发生器所提供的驱动信号在第一乘法器混合，完成啁啾解调，啁啾解调后的信号通过带通滤波器后，经分路器等分为两路信号；所述的信号源提供的声光调制驱动信号经90°移相器后分两路输出，该两路输出信号相位差为90°，其他参数完全一致，所述的分路器输出的两路信号与90°移相器的两路输出信号分别在第二乘法器和第三乘法器中混合，完成正交解调；所述的第二乘法器输出信号经过第一低通滤波器后得到I路信号，所述的第三乘法器输出信号经过第二低通滤波器后得到Q路信号，所述的I路信号和Q路信号经过双通道AD采集卡将模拟信号转化为数字信号，所述的双通道AD采集卡连接计算机，所述的计算机用于通过测距模块获取不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息或通过测速测距模块获取目标距离信息和目标速度信息。

所述的激光器为单纵模窄线宽激光器。

所述的2×2光耦合器为50∶50耦合器。

所述的波形发生器为任意波形发生器。

所述的测距模块包括第一平方运算器、第二平方运算器、第一加法运算器、隔直运算器、第一快速傅立叶变换运算器，所述的I路信号和Q路信号在第一平方运算器和第二平方运算器中实施平方运算后，在第一加法运算器中叠加，叠加后的信号在隔直运算器中隔直后，再通过第一快速傅立叶变换运算器获取频谱信息，从频谱信息中提取不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息。

所述的测速测距模块包括第二快速傅里叶变换运算器、第三快速傅里叶变换运算器、第三平方运算器、第四平方运算器、第二加法运算器，所述的I路信号和Q路信号在第二快速傅里叶变换运算器和第三快速傅里叶变换运算器中分别实施快速傅立叶变换后，分别在第三平方运算器和第四平方运算器中实施平方运算，然后在第二加法运算器中叠加，从频谱信息中提取目标距离信息和目标速度信息。

本发明用于通过测距模块获取不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息时，采用如下方法：所述的I路信号和Q路信号在第一平方运算器和第二平方运算器中实施平方运算后，在第一加法运算器中叠加，叠加后的信号在隔直运算器中隔直后，再通过第一快速傅立叶变换运算器获取频谱信息。叠加后的信号如式(7)所示：

隔直处理后再做快速傅立叶变换，得到下式：

当系统存在多普勒频移时，所述的测距模块信号处理得到的最终频谱图如图4所示，由图4及式(8)可看出，经过测距信号处理后，不受随机相位的影响，在频域上得到了一个单频峰值信号f_max1，该频率与系统多普勒频移无关，和目标距离成正比，两者的关系如下式所示：

$\mathrm{dis}=\frac{{\mathrm{cf}}_{\max 1}}{4k}=\frac{{\mathrm{cTf}}_{\max 1}}{4B}---\left(9\right)$

所述的测距模块能够给出稳定的频谱信息，因此在信号微弱的情况下，采用该处理模块时，通过多次测量、并对测量结果累加的办法可提高系统信噪比。

本发明通过测速测距模块获取目标距离信息和目标速度信息时，采用如下方法：所述的I路信号和Q路信号在第二快速傅里叶变换运算器和第三快速傅里叶变换运算器中分别实施快速傅立叶变换后，分别在第三平方运算器和第四平方运算器中实施平方运算，然后在第二加法运算器中叠加，叠加后的信号如式(10)所示：

当系统存在多普勒频移时，测速测距模块信号处理得到的最终频谱图如图5所示，由图5及式(10)可看出，经过测速测距信号处理后，不受随机相位的影响，在频域上将得到两个单频峰值信号f_max2、f_max3，大小分别是：

f_max2＝f_d+kτ；f_max3＝|f_d-kτ|    (11)

如果系统的多普勒频移主要由目标相对系统的运动引起，假定f_d＞kτ，根据测速测距模块得到的频谱峰值频率可同时获取目标距离dis，以及目标在系统和目标连线上的速度分量v，分别是：

$\mathrm{dis}=\frac{c(f_{\max 2}-f_{\max 3})}{4k}=\frac{\mathrm{cT}(f_{\max 2}-f_{\max 3})}{4B}---\left(12\right)$

$v=\frac{(f_{\max 2}+f_{\max 3})\mathrm{\λ}}{4}$

Claims (6)

1.一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，采用的系统包括激光器、1×2光耦合器、电光调制器、光放大器、环形器、声光调制器、望远镜、2×2光耦合器、波形发生器、信号源、平衡探测器、电路放大器、第一乘法器、带通滤波器、分路器、90°移相器、第二乘法器、第三乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、双通道AD采集卡、计算机，其特征在于：所述的激光器输出信号经过1×2光耦合器后分为两束：能量较强的一束依次通过电光调制器、光放大器后进入环形器第一端口，能量较小的一束作为本振光，通过声光调制器后输入2×2光耦合器第一输入端；所述的环形器第二端口连接望远镜，并通过望远镜将信号光发射出去，目标回波信号光由望远镜接收，所述的望远镜接收的目标回波信号光从环形器第二端口进入环形器，所述的环形器第三端口连接2×2光耦合器第二输入端；所述的电光调制器驱动信号由波形发生器提供，所述的声光调制器驱动信号由信号源提供，所述的2×2光耦合器两个输出端分别连接平衡探测器两个输入端，所述的平衡探测器输出信号经过电路放大器后与波形发生器所提供的驱动信号在第一乘法器混合，完成啁啾解调，啁啾解调后的信号通过带通滤波器后，经分路器等分为两路信号；所述的信号源提供的声光调制驱动信号经90°移相器后分两路输出，该两路输出信号相位差为90°，其他参数完全一致，所述的分路器输出的两路信号与90°移相器的两路输出信号分别在第二乘法器和第三乘法器中混合，完成正交解调；所述的第二乘法器输出信号经过第一低通滤波器后得到I路信号，所述的第三乘法器输出信号经过第二低通滤波器后得到Q路信号，所述的I路信号和Q路信号经过双通道AD采集卡将模拟信号转化为数字信号，所述的双通道AD采集卡连接计算机，所述的计算机用于通过测距模块获取不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息或通过测速测距模块获取目标距离信息和目标速度信息。

2.如权利要求1所述的一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，其特征在于：所述的激光器为单纵模窄线宽激光器。

3.如权利要求1所述的一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，其特征在于：所述的2×2光耦合器为50:50耦合器。

4.如权利要求1所述的一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，其特征在于：所述的波形发生器为任意波形发生器。

5.如权利要求1所述的一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，其特征在于：所述的测距模块包括第一平方运算器、第二平方运算器、第一加法运算器、隔直运算器、第一快速傅立叶变换运算器，所述的I路信号和Q路信号在第一平方运算器和第二平方运算器中实施平方运算后，在第一加法运算器中叠加，叠加后的信号在隔直运算器中隔直后，再通过第一快速傅立叶变换运算器获取频谱信息，从频谱信息中提取不受系统多普勒频移干扰的目标距离信息。

6.如权利要求5所述的一种基于啁啾调幅和相干探测的激光雷达测速测距方法，其特征在于：所述的测速测距模块包括第二快速傅里叶变换运算器、第三快速傅里叶变换运算器、第三平方运算器、第四平方运算器、第二加法运算器，所述的I路信号和Q路信号在第二快速傅里叶变换运算器和第三快速傅里叶变换运算器中分别实施快速傅立叶变换后，分别在第三平方运算器和第四平方运算器中实施平方运算，然后在第二加法运算器中叠加，从频谱信息中提取目标距离信息和目标速度信息。

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