CN104931975B - 基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达。相位编码信号的探测需要高速探测器对信号进行快速采样，用于激光成像雷达的阵列探测器对激光信号的采样速度受制作工艺限制，不能满足大面阵相位编码激光雷达对信号采样的速度要求，导致相位编码激光成像雷达测距分辨率低。本发明采用光学器件，通过微波光子信号处理方法完成回波信号和参考信号的卷积过程；卷积过程包含在激光解调制器中完成的回波信号和参考信号的乘积过程和在累积型探测器中完成的信号乘积的累加过程。本发明突破探测器采样速率和信号总带宽对距离分辨率的限制，降低对探测器采样速率的要求，提高激光雷达系统距离分辨率和信号处理速率。

Description

基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达

技术领域

本发明属于激光雷达领域，具体涉及基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达。

背景技术

相位编码激光雷达依据码源对光波载频信号进行调相，而后发射相位编码激光脉冲信号。目标反射激光脉冲编码信号，经传输延迟被接收机接收并由探测器转化为回波编码电信号，相位编码回波信号与激光发射相位编码信号经过数据采集送入计算机完成相关运算，再经过信号处理，最终给出目标的距离参数。但相位编码信号的探测需要高速探测器对信号进行快速采样，用于激光成像雷达的阵列探测器对激光信号的采样速度受到阵列探测器制作工艺的限制，不能满足大面阵相位编码激光雷达对信号采样的速度要求，从而限制了相位编码信号的码宽，并造成了相位编码激光成像雷达测距分辨率低的缺陷。相位编码激光成像雷达探测器的每个像素为处理相位编码信号，需要保持较大带宽，但由于系统采用阵列探测器，像素数目众多，因此整个系统需要极大的信号带宽，信号处理器的负担极重。在信号处理器设计的处理能力受到制约的情况下，系统能采用的相位编码信号的码宽进一步受到限制。因此相位编码体制在激光成像雷达方面的应用在未能克服这两个难题的情况下，不能在实际中体现其优势。

发明内容

本发明的目的是解决现有相位编码激光成像雷达的采样速率低、信号处理器总信号带宽受限，导致测距分辨率低的问题，提出基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，突破探测器采样速率和信号总带宽对距离分辨率的限制，降低系统对探测器采样速率的要求，降低信号处理的计算量，降低系统硬件要求，提高激光雷达系统距离分辨率和信号处理速率。系统在接收端采用解调制器控制进入探测器的激光编码信号，并利用累积型阵列探测器的累积探测信号特性对采集到的信号进行累积，从而判断信号的相位延迟，并转化为目标距离。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明包括激光器、激光调制单元、光学天线、相位编码信号发生器、脉冲信号发生器、激光解调单元、信号处理器和计算机，所述的激光解调单元包括阵列探测器和解调制器；

激光器发射幅度恒定的激光信号，相位编码信号发生器产生调制信号和解调制信号，脉冲信号发生器产生时钟信号；激光信号经过激光调制单元调制成为伪随机激光脉冲序列信号，经过光学天线照射在目标上；光学天线接收目标的激光脉冲回波信号；激光脉冲回波信号经过解调制器，照射在阵列探测器上；在解调制器中，解调制信号控制激光脉冲回波信号是否通过解调制器，实现解调制信号与激光脉冲回波信号的相乘；阵列探测器在选通时间内对激光信号进行累积探测，并将累积得到的信号输出给信号处理器，实现解调制信号与激光脉冲回波信号乘积的相加；信号处理器根据阵列探测器输出的累积信号中的最高峰，判断激光脉冲回波信号相对于发射的伪随机激光脉冲序列信号的相位差，并输出给计算机，计算机综合所有像素，计算目标的距离，成目标三维像。

所述的激光调制单元包括调制器、第一信号源和第一存储器；所述的光学天线包括光学发射天线和光学接收天线。

所述的激光解调单元还包括选通门控制器、第二信号源和第二存储器；所述相位编码信号发生器的信号输出端连接第二存储器的信号输入端，第二存储器的信号输出端连接第二信号源的信号输入端；所述脉冲信号发射器的时钟信号输出端连接第二信号源的时钟信号输入端；所述第二信号源的解调制信号输出端连接解调制器的解调制信号输入端；所述第二信号源的控制信号输出端连接选通门控制器的控制信号输入端；所述选通门控制器的控制信号输出端连接阵列探测器及信号处理器的控制信号输入端；所述阵列探测器的信号输出端连接信号处理器的接收信号输入端；所述信号处理器的信号输出端连接计算机的信号输入端。

所述的激光器用来发射恒定强度的激光信号，激光器的激光发射端连接调制器的光输入端，调制器的光输出端连接光学发射天线的光输入端；所述的光学接收天线用来接收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线输出的光信号输入到解调制器的光输入端，解调制器的光信号输出端输出的光信号照射在阵列探测器的像素表面上。

所述相位编码信号发生器的信号输出端连接第一存储器的信号输入端，第一存储器的信号输出端连接第一信号源的信号输入端；所述脉冲信号发生器的时钟信号输出端连接第一信号源的时钟信号输入端，第一信号源的驱动脉冲信号输出端连接调制器的驱动脉冲信号输入端。

本发明的具有的有益效果：

1.采样速率低

本发明根据解调制器和累积型阵列探测器的硬件特性，使信号相关运算的相乘和信号相加过程在信号解调制和累积探测过程中通过硬件完成，采样的时间等于kN+1倍的子码宽度。相对于其他相位编码雷达的采样时间，本发明的采样时间被延长了kN+1倍，避免了对回波信号的高速采集，使阵列探测器能够满足系统的采样要求。设信号子码宽度τ，探测器采样时间为(kN+1)τ。

2.测距分辨率高

因为采用相位编码方法调制激光信号，使本发明的测距分辨率达到信号子码宽度τ。在雷达的调制和解调过程中，均可以采用高频调制器进行调制，因此可以极大地减小信号子码宽度。另由于探测器采用的是累积型探测器对照射在探测器上的激光信号进行累积探测后输出，累积时间与解调制信号序列周期长度相等，雷达的采样频率不再需要大于或等于信号频率的2倍，因此序列子码宽度不再受雷达采样频率所限制。综合这两个因素，信号子码宽度可以极大地减小，使得雷达的测距分辨率等于信号子码宽度，得到极高的雷达测距分辨率。设信号子码宽度τ，则雷达测距分辨率为

3.运算量少，可实时探测

常规相位编码激光雷达系统中解调制信号与回波信号的卷积运算占用了大量的计算机资源，当采用阵列探测器时，运算量成倍增长，因此在信号处理器的处理带宽受限时，系统无法实时探测。由于本发明的解调制器采用微波光子器件，解调制信号与回波信号的乘积实质上是在解调制器中完成，且处理过程为光学信号处理过程，避免了信号间的串扰。当累积型探测器对解调后的信号进行累积探测时，实质上是完成了解调制信号与回波信号乘积的相加。这样由解调制器和累积型探测器在微波光子学领域内共同完成了解调制信号和回波信号的卷积，避免了常规相位编码激光雷达系统中采用电信号的卷积运算。信号处理器和计算机所起到的作用仅为时统作用，依信号输出的顺序判断解调制信号和回波信号的相位差，计算目标距离和成目标距离像。因此在计算机中的运算量明显减小，系统可以实现实时探测过程。

4.信噪比高

本发明发射宽脉冲激光信号(宽度为m序列周期Nτ)，信号能量大。因为采用选通方式接收信号，雷达不接收选通区间外的背景噪声和大气散射噪声，从而降低了噪声能量，充分发挥了距离选通激光成像雷达的高信噪比优势。又因为本发明采用相位编码方式对信号进行调制，接收仍采用等效的相关运算的算法，可以提高信号信噪比倍。

5.测距范围大

本发明发射宽脉冲激光信号(宽度为m序列周期Nτ)，信号能量大，从而使雷达的测量范围增加。由于使用相位编码方式，进行距离的大尺度测量，可以通过改变序列长度改变提高信号信号比，从而提高测距距离。

6.抗干扰性能好

因为采用相位编码方式，编码规律近乎于随机序列，具备优良的抗干扰性能。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为本发明的信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，包括激光器1、激光调制单元2、光学天线3、相位编码信号发生器4、脉冲信号发生器5、激光解调单元6、信号处理器7和计算机8；激光调制单元2包括调制器21、第一信号源22和第一存储器23；光学天线3包括光学发射天线31和光学接收天线32；激光解调单元6包括选通门控制器61、第二信号源62、第二存储器63、阵列探测器64和解调制器65。

激光器1用来发射恒定强度的激光信号，激光器1的激光发射端连接调制器21的光输入端，调制器21的光输出端连接光学发射天线31的光输入端。光学接收天线32用来接收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线32输出的光信号输入到解调制器65的光输入端，解调制器65的光信号输出端输出的光信号照射在阵列探测器64的像素表面上。

相位编码信号发生器4的信号输出端连接第一存储器23的信号输入端，第一存储器23的信号输出端连接第一信号源22的信号输入端；脉冲信号发生器5的时钟信号输出端连接第一信号源22的时钟信号输入端，第一信号源22的驱动脉冲信号输出端连接调制器21的驱动脉冲信号输入端。

相位编码信号发生器4的信号输出端连接第二存储器63的信号输入端，第二存储器63的信号输出端连接第二信号源62的信号输入端；脉冲信号发射器5的时钟信号输出端连接第二信号源62的时钟信号输入端；第二信号源62的解调制信号输出端连接解调制器65的解调制信号输入端；第二信号源62的控制信号输出端连接选通门控制器61的控制信号输入端；选通门控制器61的控制信号输出端连接阵列探测器64及信号处理器7的控制信号输入端；阵列探测器64的信号输出端连接信号处理器7的接收信号输入端；信号处理器7的信号输出端连接计算机8的信号输入端。

该基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达的工作原理：

激光器1发射幅度恒定的激光信号，经过调制器21调制后发射周期为N、子脉冲宽度为τ的伪随机激光脉冲序列信号，经过光学发射天线31照射在目标上。光学接收天线32用来接收目标的激光脉冲回波信号。激光脉冲回波信号经过解调制器65，照射在阵列探测器64上。在解调制器65中，解调制信号控制激光脉冲回波信号是否通过解调制器65，实现解调制信号与激光脉冲回波信号的相乘。阵列探测器64在选通时间(kN+1)τ内对激光信号进行累积探测，并将N次累积得到的信号输出给信号处理器7，实现解调制信号与激光脉冲回波信号乘积的相加。信号处理器7根据阵列探测器64输出的N次累积信号中的最高峰，判断激光脉冲回波信号相对于发射的伪随机激光脉冲序列信号的相位差，并输出给计算机8，计算机8综合所有像素，计算目标与激光雷达之间的距离，成目标三维像。

该基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达的工作流程：

1)激光器1发射幅度恒定的激光信号；

2)脉冲信号发生器5产生脉冲宽度为τ的脉冲信号，分别送给第一信号源22和第二信号源62作为时钟信号；

3)相位编码发生器4产生调制编码S₁和解调制编码S₂，分别送给第一存储器23和第二存储器63存储；

4)第一信号源22在时钟信号的激励下，接收第一存储器23存储的调制编码S₁，产生调制信号T₁，传递给调制器21；

5)第二信号源62在时钟信号的激励下，接收第二存储器63存储的解调制编码S₂，产生解调制信号T₂，传递给解调制器65和选通门控制器61；

6)幅度恒定的激光信号穿过调制器21后被调制成伪随机激光脉冲序列信号，经过光学发射天线31，照射在目标上；

7)光学接收天线32接收目标的激光脉冲回波信号T₃，并将激光脉冲回波信号T₃聚焦；

8)激光脉冲回波信号T₃穿过解调制器65，照射在阵列探测器64上，解调制器65根据解调制信号T₂控制激光脉冲回波信号T₃是否通过解调制器65，实现解调制信号T₂与激光脉冲回波信号T₃的相乘；

9)选通门控制器61根据解调制信号T₂产生选通门控制信号，传递给阵列探测器64；

10)阵列探测器64根据选通门控制信号在选通时间(kN+1)τ内对激光信号进行累积探测，并将N次累积得到的信号输出给信号处理器7，实现解调制信号与激光脉冲回波信号乘积的相加；

11)信号处理器7根据阵列探测器64输出的N次累积信号中的最高峰，判断激光脉冲回波信号相对于发射的伪随机激光脉冲序列信号的相位差，并输出给计算机8；

12)计算机8综合所有像素，计算目标与激光雷达之间的距离，成目标三维像。

与典型相位编码激光雷达的区别：

1.典型相位编码激光雷达相位编码信号的序列检测通常采用同一个编码序列作为调制信号序列T₁和解调制信号序列T₂，区别于传统的检测过程，该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达采用伪随机编码序列作为调制信号序列，对恒定强度的激光信号进行调制，解调制信号序列是在调制信号序列在重复正整数个周期后，在其结尾加入一个0信号进行重新构造得到的。其信号形式如图2所示。

2.该基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，回波信号与发射信号相位差检测方法如下：

S₁＝(m₁,m₂,...,m_N)为周期长度为N的伪随机编码序列，其中，m_i表示序列中的子码，i＝1,...,N，N为整数，且N≥3。序列的自相关函数为：

其中p表示序列的相移。

当序列的子码m_i取值仅为1和-1两个值时，序列的自相关函数的值可以表示为

由于系统采用的调制器和调制器只存在通过和不通过两种情况，且探测器探测到的信号为非负信号，因此，可以将调制信号和解调制信号表示为非负序列，即在序列S₁信号的基础上加上一个基础信号强度，使调制信号序列T₁的子码取值为2和0。

其中表示序列中的子码。

其自相关函数为

因序列S₁为伪随机序列，并存在特性：

因此序列T₁的自相关函数可以简化为：

其值为：

设为该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达的调制信号，序列T₁的周期长度为N。为方便起见，将序列T₁一个周期内的最后n位子码均设为0。设为该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达的解调制信号。设T₃＝(n₁,n₂,...,n_N)为激光回波信号序列，n_i表示序列中的子码。

假设激光回波信号与激光发射信号之间的相位差为L，序列T₁与T₃的互相关函数可以表示为：

由于该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达的解调制信号序列T₂的周期长度为N+1，激光回波信号序列T₃的周期长度为N，两序列周期长度不同。在该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达中，激光回波信号经调制器后，照射在累积型阵列探测器上，因此激光回波信号在调制器中的传播过程可以看做是激光回波信号与解调制信号的乘积。累积型阵列探测器探测激光信号，其过程为累积型探测器对照射在阵列探测器的激光信号进行积分运算。因此基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达的信号探测过程可以定义为信号序列T₂和T₃的相关函数，其形式可以表示为：

根据序列T₂的构造过程，有且n_N+1+p＝n_1+p，则：

由此可见，序列T₁与T₃的互相关函数可以由T₂和T₃的解调函数得到。

以上推导过程可以进一步延伸，得到更广泛的解调制信号构造方法。

设其中k∈N，T₄为基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达的解调制信号，其构造为调制信号序列T₁在重复正整数k个周期后，在其结尾加入一个0信号。则上述推导可以看做是k＝1的特例。根据以上推导可以得到序列T₄和T₃的相关函数，其形式可以表示为：

序列T₁与T₃的互相关函数可以由T₄和T₃的解调函数得到。

由于序列T₄与T₃是周期重复的，探测器输出信号的顺序即变成D_p(T₄,T₃)，其中p＝0,1,2,...,N-1。因此可按照探测器输出信号最大值的位置查看序列T₁与T₃的相关峰位置，避免了计算机计算解调制信号序列和回波序列的互相关运算，节约了大量计算机资源，减少了计算时间，使雷达能够实时进行探测。

根据T₄和T₃的解调函数得到序列T₁与T₃的相位差L，并计算目标距离R为

3.传统的相关检测法中，激光脉冲回波序列的检测通常是由信号处理器进行相关运算来检测的，该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达采用了相位编码脉冲振幅调制方式对恒定强度的激光信号进行了信息加载过程。此方法将相位编码信号的相关运算分解为乘积与求和两个步骤，并分别通过分离的解调制器65和累积型阵列探测器64实现这两个步骤，成功避免了阵列探测器采样速率低、难与窄相位编码信号子码宽度匹配的限制，使系统能够采用更窄子码宽度的脉冲序列作为激光脉冲信号，提高了系统的测距分辨率，同时具备了相位编码激光成像雷达的探测距离远、信噪比高等优点。

4.传统的相关检测过程中，序列相关检测通常是电信号与电信号的相关检测过程，该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达采用微波光子器件实现电信号对激光回波信号的相关检测。系统中解调制器65和累积型阵列探测器64输入的信号为电信号，解调制器65在解调制信号的控制下，完成激光回波信号与解调制信号的相乘，选通门控制器61在解调制信号的输入下，输出选通门控制电信号，累积型阵列探测器64在选通门控制电信号的控制下完成激光回波信号与解调制信号乘积的相加过程。由于光的传播特性，这个过程实现了信号的并行处理，缩短了探测时间，系统可以实现实时探测过程。各像素接收光信号之间的串扰极小，降低了噪声。

5.传统的检测过程中，相位编码信号的序列检测通常需要完成编码序列每一位编码的探测，该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达不再对相位编码信号的每一位编码信号进行探测，系统的一次采样为解调制信号和回波信号的一次卷积过程，使系统的采样时间加长到(kN+1)τ，其中k为正整数，而常规相位编码激光雷达的采样时间为τ。

6.该基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达中回波信号与发射信号相位差的判断方法如下：

雷达中回波信号T₃与发射信号T₁之间的相位差被成功的转化为回波信号T₃与解调制信号T₂之间的相位差。阵列探测器64在选通时间内累积信号，并将累积得到的信号输出给信号处理器7。阵列探测器64输出信号的顺序显示了相关峰位置，信号处理器7根据阵列探测器64输出的N次累积信号中相关峰位置，判断回波信号相对于发射的伪随机激光脉冲信号的相位差L，由此计算目标与激光雷达之间的距离该基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达根据解调制器65和累积型阵列探测器64的硬件特性完成系统的重新设计，使计算回波信号T₃与发射信号T₁的相位差转化为寻找探测器输出最高值位置，极大地减少了系统的计算量，系统可以实现实时探测过程。

Claims (5)

1.基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，包括激光器、激光调制单元、光学天线、相位编码信号发生器、脉冲信号发生器、激光解调单元、信号处理器和计算机，其特征在于：所述的激光解调单元包括阵列探测器和解调制器；

激光器发射幅度恒定的激光信号，相位编码信号发生器产生调制信号和解调制信号，脉冲信号发生器产生时钟信号；激光信号经过激光调制单元调制成为伪随机激光脉冲序列信号，经过光学天线照射在目标上；光学天线接收目标的激光脉冲回波信号；激光脉冲回波信号经过解调制器，照射在阵列探测器上；在解调制器中，解调制信号控制激光脉冲回波信号是否通过解调制器，实现解调制信号与激光脉冲回波信号的相乘；阵列探测器在选通时间内对激光信号进行累积探测，并将累积得到的信号输出给信号处理器，实现解调制信号与激光脉冲回波信号乘积的相加；信号处理器根据阵列探测器输出的累积信号中的最高峰，判断激光脉冲回波信号相对于发射的伪随机激光脉冲序列信号的相位差，并输出给计算机，计算机综合所有像素，计算目标的距离，成目标三维像。

2.根据权利要求1所述的基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，其特征在于：所述的激光调制单元包括调制器、第一信号源和第一存储器；所述的光学天线包括光学发射天线和光学接收天线。

3.根据权利要求1所述的基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，其特征在于：所述的激光解调单元还包括选通门控制器、第二信号源和第二存储器；所述相位编码信号发生器的信号输出端连接第二存储器的信号输入端，第二存储器的信号输出端连接第二信号源的信号输入端；所述脉冲信号发射器的时钟信号输出端连接第二信号源的时钟信号输入端；所述第二信号源的解调制信号输出端连接解调制器的解调制信号输入端；所述第二信号源的控制信号输出端连接选通门控制器的控制信号输入端；所述选通门控制器的控制信号输出端连接阵列探测器及信号处理器的控制信号输入端；所述阵列探测器的信号输出端连接信号处理器的接收信号输入端；所述信号处理器的信号输出端连接计算机的信号输入端。

4.根据权利要求2所述的基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，其特征在于：所述的激光器用来发射恒定强度的激光信号，激光器的激光发射端连接调制器的光输入端，调制器的光输出端连接光学发射天线的光输入端；所述的光学接收天线用来接收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线输出的光信号输入到解调制器的光输入端，解调制器的光信号输出端输出的光信号照射在阵列探测器的像素表面上。

5.根据权利要求2所述的基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，其特征在于：所述相位编码信号发生器的信号输出端连接第一存储器的信号输入端，第一存储器的信号输出端连接第一信号源的信号输入端；所述脉冲信号发生器的时钟信号输出端连接第一信号源的时钟信号输入端，第一信号源的驱动脉冲信号输出端连接调制器的驱动脉冲信号输入端。