CN104820223A - 基于m序列相位编码的光学域匹配滤波测距装置 - Google Patents

Abstract

一种基于M序列相位编码的光学匹配滤波测距装置，包括高速相位调制发射端和低速接收端。本发明具有高速调制、低速接收，可任意分配探测光与参考光强，无需电子信号处理且多距离向目标回波波形干涉不影响测距结果等优点，采用步进电机带动的直角棱镜调节本地参考光的时延，使相位编码信号通过匹配滤波聚焦，通过步进电机的光程时延测量目标点的相对距离。本发明利用高速相位编码信号获得距离向信息，有能够获得较高的激光编码信号重复频率、较高的距离向分辨率、采用低速探测器接收有效降低了系统对电子器件的要求，采用步进电机引入的光学时延排除了电子信号处理步骤。

Description

基于M序列相位编码的光学域匹配滤波测距装置

技术领域

本发明涉及相位编码测距，更具体地说，是一种基于M序列相位编码的光学域匹配滤波测距装置。

背景技术

在相干距离-多普勒激光成像雷达领域与扫描三维成像激光雷达领域，通常采用各种相位编码波形获得探测目标的相对距离信息，基于匹配滤波的波形压缩处理是相位编码波形获得相对距离信息的唯一信息处理手段。然而，由于采用相位编码波形的距离分辨率与相位调制速率成正比，即调制速率越高，距离向分辨率就越高，然而越高的调制速率在外差探测的条件下对探测器的带宽要求就越高，通常要求探测器的响应带宽应不低于调制速率，而高带宽的光电探测器由于制作技术的原因，通常价格昂贵，对运行环境的要求也较高，因此成为限制相位编码相干距离探测的主要瓶颈之一。本发明针对高分辨率需要的高调制速率与低带宽的光电探测器这一互相矛盾的要求，设计发明了一种在光学域匹配滤波测距的装置，在获得高距离分辨率的同时降低了对光电探测器的带宽要求。

发明内容

本发明针对传统相位编码相干测距的缺点，设计了一种基于M序列相位编码的光学域匹配滤波测距装置，并构建了参考光路可控时延与相位补偿的控制算法。

本发明在发射端对线偏振光进行基于M序列的高速相位编码调制，在接收端距离目标反射回波与本地经过时延和相位补偿的参考光合束并干涉，用低速平衡探测器探测相干光场，可从采样后的电信号数据直接判断出目标的相对距离。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于M序列相位编码的光学域匹配滤波测距装置，其特征在于由高速相位调制发射端和低速接收端构成。

所述的高速相位调制发射端包括激光光源、宽带光学相位调制器、微波放大器、M序列信号波形发生器、光纤准直器、发射半波片、发射偏振分束器、激光扩束器、绕y轴旋转的光学平行平板和下底面与y轴平行的直角棱镜；激光光源的输出激光经尾纤连接至宽带光学相位调制器，该光学相位调制器将经微波放大器放大的M序列信号波形发生器产生的M序列信号相位调制到入射激光上，调制后的信号通过尾纤和光纤准直器发射进入自由空间，出射线偏振光束经发射半波片旋转偏振态，再通过发射偏振分束器分为发射光束与参考光束，发射光束通过激光扩束器发射到距离探测目标上，参考光束通过绕y轴旋转的光学平行平板进行相位补偿后经可平移的直角棱镜反射至接收端；

所述的低速接收端包括激光缩束器、接收偏振合束器、接收半波片、接收偏振分束器、低速平衡探测器、A/D采样器和显示器；距离目标的反射回波通过激光缩束器缩束，在接收偏振合束器处与参考光束合束，合束后的光依次通过接收半波片和接收偏振分束器进入低速平衡探测器，低速平衡探测器将光信号转换为电信号，A/D采样器将转换后的电信号采样为数字信号，并且在显示器上显示出来；

本发明具有如下特点：

1、本发明提供一种基于M序列相位编码的光学域匹配滤波测距装置，相位编码调制测距是一种相干激光雷达测距方式，具有灵敏度高、探测原理决定的其能够轻易获得相位和频移等这些非相干激光雷达很难获取的目标信息、码型多样性决定的其能根据不同应用场合灵活改变其相位调制波形以及较短的编码周期即可实现较高的脉冲重复频率等优点。

2、本发明通过设计引入具有时延和相位补偿的参考光路实现直接在光学域的匹配滤波，实现外差探测的同时不仅省去了后续的数字信号处理过程，更重要的是降低了对探测高速相位调制信号的光电探测器探测带宽的要求。

3、本发明直接在显示器上读出不同目标的相对时延，具有较高的易操作性和实用性。

4、本发明通过在附图所示的z轴方向放置参考光路增加了装置在x、y平面内的紧凑性，减少了发射接收平行光轴的横向偏置，增加了距离目标反射回波被探测的功率。

本发明的技术效果：

1、参考光路中绕y轴旋转的旋转范围0～θ_n的光学平行平板目的是引入附加的范围为0～π的补偿相位，消除附加相位差引起的干涉光场减弱；

2、参考光路中沿z轴平移的直角棱镜通过在一定范围内的平移引入可控的已知的光学时延，通过不同光学时延下显示器上波形的峰值从控制计算机上读出其对应的目标距离相对时延；

附图说明

图1为本发明高速相位调制发射端原理示意图以及图示对应的坐标系位置。

图2为本发明低速接收端原理示意图以及图示对应的坐标系位置。

图3为本发明参考光路原理示意图以及图示对应的坐标系位置。

图4为本发明控制光学平行平板绕y轴旋转与直角棱镜沿z轴平移的计算机的

控制算法流程图。

图5为接收半波片(11)的快轴c、目标反射回波的偏振态z、参考光路偏振态

y以及它们旋转后的偏振态b、a的方向安排示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1为本发明高速相位调制发射端原理示意图以及图示对应的坐标系位置。由图可见，本发明的高速相位调制发射端包括激光光源1、宽带光学相位调制器2、微波放大器3、M序列信号波形发生器4、光纤准直器5、发射半波片6、发射偏振分束器7与激光扩束器8；

如图1、2、3、5中的统一坐标系所示，定义图1和图2的发射接收主光轴为x轴，在图1、2的装置图平面内与x轴垂直的为y轴，z轴与x、y轴垂直，直角坐标系遵循右手定则。

激光光源1输出的偏振光束经过宽带光学相位调制器2进行相位调制，宽带光学相位调制器2上加载的信号是经微波放大器3放大的M序列信号波形发生器产生的M序列信号波形。相位调制后的信号经光纤准直器5发射进入自由空间，平行光束的光场表示为

$E_T\left(t\right)=A_T\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_{0}t+\mathrm{\π}\frac{M\left(t\right)}{V_{\mathrm{\π}}})\right]$

其中，A_T表示光场振幅，ω₀代表光波频率，M(t)表示放大后的微波M序列电压信号相位调制项，V_π表示相位调制器的半波电压，根据M序列中的0、1码元，M(t)分别等于0和V_π。

发射半波片6旋转出射光场E_T(t)的偏振态以在随后的出射偏振分束器7处调整出射光束与参考光束的分光比，设定ρ_s为出射光束的分光比例，而测距目标位于接收端激光缩束器9的接收视场范围内，其对应的光学时间延迟分别为τ₁和τ₂。

图2为本发明低速接收端原理示意图以及图示对应的坐标系位置。由图可见本装置的低速接收端包括激光缩束器9、接收偏振合束器10、接收半波片11、接收偏振分束器12、低速平衡探测器13、A/D采样器14和显示器15；距离探测目标的反射回波通过激光缩束器9缩束准直，在接收偏振合束器10处与参考光束合束，上述两个点目标在接收偏振分束器10处的反射回波光场分别表示为

$E_{R1}\left(t\right)={\stackrel{\→}{z}A}_T{\mathrm{\σ}}_1\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_s}\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_0(t-{\mathrm{\τ}}_1)+\mathrm{\π}\frac{M(t-{\mathrm{\τ}}_1)}{V_{\mathrm{\π}}})\right],$

$E_{R2}\left(t\right)={\stackrel{\→}{z}A}_T{\mathrm{\σ}}_2\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_s}\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_0(t-{\mathrm{\τ}}_2)+\mathrm{\π}\frac{M(t-{\mathrm{\τ}}_2)}{V_{\mathrm{\π}}})\right],$

其中，表示光场的偏振方向，σ₁和σ₂分别代表目标点1和2的反射系数，由于发射光束为平行光，接收光束经过激光缩束器也准直为平行光束，因此上式并未考虑光场的空间分布。

图3为本发明可控光学时延的参考光路原理示意图以及图示对应的坐标系位置。由图可见，本装置的可控光学时延的参考光路包括发射偏振分束器7、接收偏振合束器10、绕y轴旋转的光学平行平板701、下底面与y轴平行放置的直角棱镜702、带动直角棱镜702沿z轴平移的步进电机703、带动光学平行平板701绕y轴旋转的步进电机705以及控制步进电机703和步进电机705的计算机704；经发射偏振分束器7分束的参考光束通过绕y轴旋转的光学平行平板701进行0～π范围内的相位补偿后经可平移的直角棱镜702反射控制其光学时延，在低速接收端的接收偏振合束器10处与经过缩束的目标反射回波合束；在接收偏振合束器10处的参考光束光场表示为

$E_f\left(t\right)=\stackrel{\→}{y}\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}_s}{A}_T\exp \left[j({\mathrm{\ω}}_0(t-\mathrm{\Γ})+\mathrm{\π}\frac{M(t-\mathrm{\Γ})}{V_{\mathrm{\π}}}+\mathrm{\δ})\right],$

其中，y表示光场的偏振方向，Γ表示由可平移直角棱镜702引入的光学时延，δ代表光学平行平板701旋转引入的补偿相位。

在某一平移位置处，参考光路引入的光学延迟表示为Γ_i，平行平板在某一旋转位置处的补偿相位δ_i满足表达式ω₀(Γ-τ₁)＝Nπ,N＝0,1,2,3,……，接收偏振片(11)的快轴方向如图5中c所示，与y轴夹角α(α＝22.5°±10°)，则分别沿z方向和y方向偏振的反射回波光场和参考光路光场经接收偏振片11旋转偏振方向，其偏振方向分别变为b方向和a方向。通过接收偏振分束器12干涉并经低速平衡探测器13将光场转换为光电流分别为

$I_1\left(t\right)=R{\∫}_{-T/2}^{T/2}\frac{\sqrt{2}}{2}{|E_{R1}\left(t\right)+E_{R2}\left(t\right)+E_f\left(t\right)|}^2\mathrm{dt},$

$I_2\left(t\right)=R{\∫}_{-T/2}^{T/2}\frac{\sqrt{2}}{2}{|E_{R1}\left(t\right)+E_{R2}\left(t\right)-E_f\left(t\right)|}^2\mathrm{dt},$

其中，1/T代表低速平衡探测器13的响应速率，这里取M序列的编码周期为T，R代表探测器的响应度，探测器输出的电信号表示为

$\begin{array}{c}I\left(t\right)=\sqrt{2}R{\∫}_{-T/2}^{T/2}\mathrm{Re}[E_{R1}\left(t\right)E_f^{*}\left(t\right)+E_{R2}\left(t\right)E_f^{*}\left(t\right)]\mathrm{dt}\\ ={\∫}_{-T/2}^{T/2}\sqrt{2(1-{\mathrm{\ρ}}_s){\mathrm{\ρ}}_s}{A}_T^2\cos [\mathrm{N\π}+\mathrm{\π}\frac{M(t-{\mathrm{\τ}}_1)-M(t-\mathrm{\Γ})}{V_{\mathrm{\π}}}+\mathrm{\π}\frac{M(t-{\mathrm{\τ}}_2)-M(t-\mathrm{\Γ})}{V_{\mathrm{\π}}}]\mathrm{dt}\end{array},$

根据M序列的自相关性质，当τ₁≠Γ_i时，I(t)为极低值，当τ₁＝Γ_i时，I(t)达到峰值。根据峰值处的光学时延Γ_i得到目标点1的距离。同理，当τ₂＝Γ_i时，I(t)达到峰值，据此得到目标点2的距离。

参考光路中控制计算机的控制算法如图5所示，开始时检测直角棱镜702是否在起始位置z_i＝0处，若不在起始位置处，则控制直角棱镜702回退到起始位置处；若已位于起始位置，则控制光学平行平板在旋转范围0～θ_n内旋转，同时观察显示器15上是否出现峰值，若出现峰值，则记录此时的z_i的值并检测直角棱镜702是否位于平移末端位置z_N处；若未出现峰值则直接检测直角棱镜702是否位于平移末端位置z_N处；若位于z_N处则报告扫描完成并回退到初始位置z_i＝0处；若不位于z_N处则检测直角棱镜702是否位于平移扫描范围0～z_N之间，若不位于平移扫描范围0～z_N之间，说明直角棱镜702脱离正常扫描轨道，则报告扫描错误并回退到初始位置z_i＝0处；若位于平移扫描范围0～z_N之间，则继续平移Δz的距离，从控制光学平行平板在旋转范围0～θ_n内旋转开始，继续向下执行。

具体参数举例：激光光源1采用波长为1.55μm的单模激光器。发射光纤准直器出射的光斑直径为3mm，激光扩束器8采用10×扩束，出射光斑直径为30mm，宽带光学相位调制器的调制速率为30GHz，采用10位M序列码型，则编码波形周期为34.1ns，接收平衡探测器的响应带宽取29.3MHz，距离模糊范围为10.23m。

Claims (3)

1.一种基于M序列相位编码的光学匹配滤波测距装置，其特征在于，包括高速相位调制发射端和低速接收端：

所述的高速相位调制发射端包括激光光源(1)、宽带光学相位调制器(2)、微波放大器(3)、M序列信号波形发生器(4)、光纤准直器(5)、发射半波片(6)、发射偏振分束器(7)、绕y轴旋转的光学平行平板(701)、下底面与y轴平行的直角棱镜(702)、激光扩束器(8)；

所述的低速接收端包括激光缩束器(9)、接收偏振合束器(10)、接收半波片(11)、接收偏振分束器(12)、低速平衡探测器(13)、A/D采样器(14)和显示器(15)；

所述的激光光源(1)的激光输出尾纤连接宽带光学相位调制器(2)，该光学相位调制器(2)将经微波放大器(3)放大的M序列信号波形发生器(4)产生的M序列信号相位调制到入射激光上，调制后的光信号依次经所述的光纤准直器(5)和发射半波片(6)入射发射偏振分束器(7)，经发射偏振分束器(7)的出射光分为发射光束与参考光束，发射光束通过激光扩束器(8)发射到距离探测目标上；距离探测目标的反射回波通过激光缩束器(9)缩束准直，参考光束通过绕y轴旋转的光学平行平板后经直角棱镜(702)反射，在接收端的接受偏振合束器(10)处与经过缩束的目标反射回波合束，合束后的光依次通过接收半波片(11)和接收偏振分束器(12)进入低速平衡探测器(13)，低速平衡探测器(13)将光信号转换为电信号，A/D采样器(14)将转换后的电信号采样为数字信号，并且在显示器(15)上显示出来；

所述的绕y轴旋转的光学平行平板(701)由步进电机(705)带动，所述的直角棱镜(702)沿z轴平移，由步进电机(703)带动，所述的步进电机(703)和步进电机(705)由计算机(704)控制。

2.根据权利要求1所述的基于M序列相位编码的光学匹配滤波测距装置，其特征在于，所述的步进电机(703)带动直角棱镜沿z轴平移，所述的步进电机(705)带动光学平行平板(701)绕y轴转动，所述的计算机(704)控制所述的步进电机(703)和步进电机(705)，具体是，步进电机(703)带动直角棱镜(702)沿z轴平移，在每一个z_i位置处，步进电机(705)带动光学平行平板(701)绕y轴旋转一定的角度范围0～θ_n或θ_n～0，旋转扫描方向视光学平行平板(701)的初始角度位置而定，完成旋转范围的一次旋转后，步进电机(703)带动直角棱镜(702)平移到下一个位置z_i＝z_i+Δz，Δz表示步进电机(703)的步进间隔。

3.根据权利要求1所述的基于M序列相位编码的光学匹配滤波测距装置，其特征在于所述的可平移直角棱镜(702)位于发射接收坐标系的z方向上，增强了发射接收装置在xy平面的紧凑性，有利于反射回波的接收探测。