CN105372670B - 基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统，它应用于相干激光雷达系统。本发明包括同轴收发望远镜、光纤环形器、发射光开关、接收光开关、窄线宽激光器、90度光学桥接器、平衡探测器、高数ADC、数字信号处理模块。本发明的相干零差多普勒测速激光雷达系统，基于光学正交解调直接得到回波信号频率和本振光频率的差值大小及方向，得到多个方向分时的目标速度大小和方向。

Description

基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，具体涉及一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统。解决了多普勒测速激光雷达速度方向难以分辨的问题。

背景技术

现行相干测速激光雷达按本振或发射信号是否经过固定移频分为外差探测和零差探测。外差探测将本振或发射信号经过一个固定的移频，在回波接收混频时得到回波信号频率变化的大小，该频率值包括固定的移频，减去该固定值可得到多普勒频率的大小及正负。但在典型小型激光雷达系统中常采用同轴收发系统，会产生较强的光信号反射，外差探测容易得到较强的中频干扰，使得外差探测在小型测速激光雷达系统中难以应用。

零差探测的激光发射信号和接收信号均不经过额外固定频率的移频，在同轴发射系统中，强反射信号产生零频干扰，通过交流耦合可以完全抑制该干扰。但是零差探测在信号处理时只能提取出速度的大小，而不能提取出速度的方向。

NASA的ALHAT计划中多普勒激光雷达对发射激光在频域进行对称三角线性调频调制，并采用趋势判断，以此实现对速度大小及方向的判别，同时实现距离测量，采用趋势判断，一定程度上可以提取出速度大小和方向，但是也存在较多误判断的点。中国科学院上海技术物理研究所通过对零差探测系统中的发射信号经过“线性调频连续波”调制，实现了一定范围内目标速度和方向的判别，但调制对激光器提出了较高的要求，且系统时间利用率较低，无法实现高频次的脉冲积累。

采用相干零差同轴收发探测体制，降低对激光器的需求，并且提高系统探测的时间利用率，实现对目标速度大小及方向的探测，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是在现有相干多普勒测速激光雷达的技术上，提出了一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统，解决现有相干多普勒测速激光雷达速度方向难以分辨，且对激光器要求较高，以及作用距离较短的问题。

如图1窄线宽激光器产生未经调制的单一频率的相干激光，该相干激光经分束器按照一定比例分成两部分，其中大能量部分用于发射，小能量部分作为本振；大能量部分经多路光开关分时切换，经环形器、同轴收发望远镜发射，回波激光经同轴收发望远镜接收，经环形器、光开关切换后变成一路回波光信号，最后和本振信号一起进入90度光学桥接器，形成4路输出光信号，其中本振信号具有90度相位差(0°、90°、180°、270°)；其中0°、180°进入一个平衡探测器构成I通道，90°、270°进入另一个平衡探测器构成Q通道；I路、Q路的平衡探测器输出进入高速ADC，转换成数字信号，形成I路信号、Q路信号，进入由DSP或FPGA或者微处理器构成数字信号处理模块；由I路信号和Q路信号组成复数，进行复数信号处理，得出回波光和本振光频率差的大小和方向，进而得出目标速度的大小和方向。

激光同声波一样，具有多普勒效应，波长为λ的窄线宽激光器发射的激光，照射到激光视线方向速度为v的运动目标上将产生多普勒频移f_d，光速为c，由多普勒频移可以反推出目标速度：

v＝λ·f_d/2 (1)

窄线宽激光器本振光频率和发射激光频率一致，设角频率为ω_LO，回波光因多普勒效应其角频率为ω_S，其中多普勒频率f_d＝(ω_S-ω_LO)/(2π)。

信号光幅度设为E_S，初始相位为可以表示为同样本振光也可以表示为其中本振光幅度为E_LO，初始相位

90度光学桥接器是2输入4输出器件，具有多种构建方式，其基本特性如下，如图2在其内部，信号光一分为二形成S₁、S₃信号，本振光经处理形成具有90度相位差的两个信号S₂和S₄。信号光和本振光两两进入180度的2×2耦合器。本振信号相移0度的2×2耦合器构成同相I路信号通道，输入端的两个信号S₁、S₂可以表示为：

本振信号相移90度的2×2耦合器构成正交相Q路信号通道，输入端的两个信号S₃、S₄可以表示为：

90度桥接器输出的I通道、Q通道光信号经平衡探测器光电转换后形成电信号，其特性可以表示为：

其中为光电转换效率，P_S为信号光功率，P_LO为本振光功率。两个平衡探测器输出的信号可以构成一个复数信号V(t)，对复数信号进行傅里叶变换，将得到复数信号的频率，且是正负可分的频率。

高速ADC对V_I(t)、V_Q(t)进行数字采样，在数字信号处理模块内部，进行复数组合，并进行实时快速FFT处理，将得到单一峰值的信号频谱，而其镜像频点峰值较小。信号峰值处频点为多普勒频率(ω_S-ω_LO)/2π，正负可分，是多普勒频率f_d，由多普勒频率可以得到目标速度。

快速FFT采用实时信号处理，每处理完一个采样周期后可以继续处理下一个采样周期的数据。因为系统发射信号未经过调制，目标速度在短时不变情况下，得到的信号频谱是一致的，可以进行频谱累加，信号得到加强，而噪声由于不相关则不会产生明显加强。则该方式可以在回波信号较弱，低信噪比情况下，对信号进行脉冲积累，提取微弱信号，进而提取目标速度。

在同轴光路系统中镜面会反射较强的光信号，同时环形器泄漏也会产生较强的光信号，二者均通过回波通道进入探测器。由于激光发射时未经调制，这两种回波光信号将产生较强的零频干扰，通过交流耦合可以直接剔除该干扰。

单通道的测速过程非常短暂，通过多路光开关同步切换发射的激光和接收的回波激光，可以分时实现多个方向的多普勒速度测量。

因此，本发明提出一种基于光学正交解调的多普勒相干零差测速激光雷达系统，如图1，

1.系统组成包括同轴收发望远镜1、环形器2、发射光开关3、接收光开关4、窄线宽激光器5、90度光学桥接器6、平衡探测器7、高速ADC 8、数字信号处理模块9。

2.由窄线宽激光器产生未经调制的单一频率的相干激光，该激光经分束后形成能量差别较大的两个光束，大能量部分通过发射光开关选择某一个方向的通道，经环形器、收发望远镜反射，回波光经收发望远镜及环形器进入系统，并经接收光开关形成单一通道的回波光信号；小能量部分作为本振光信号参与相干混频。

3.激光发射后，经光开关、环形器、收发望远镜发射和接收，接收光开关输出的回波光信号和窄线宽激光器分出的本振信号一起进入90度光学桥接器，经其处理后，形成I通路和Q通路信号，进行平衡探测器转换成电信号，再经高速ADC采样形成两路数字序列，两路数字序列进入数字信号处理模块，经处理得到目标速度。

此处提到的数字信号处理模块可以是DSP或FPGA、或微型处理器。

基于光学正交解调的相干零差测速激光雷达数据处理方法的具体工作流程如下：

1.数字信号处理模块控制激光发射和接收的光开关，使两者切换到相同的某一通道，同时数字信号处理模块触发窄线宽激光器发射。

2.数字信号处理模块接收到来自I通道、Q通道的数字序列，将其组成复数序列V，V的实部为同一时刻I通道的数据，虚部为同一时刻Q通道的数据。

3.对复数序列按照一定采样周期，如每N＝8192个点为一个采样周期，进行快速实时FFT，每一个采样周期结束后，立即进行新一轮的采样及信号处理。对每个FFT处理后得到的频谱进行实时累加。

4.基于光学正交解调方法将获得除零频外只有单一谱峰的频谱，谱峰的镜像频点幅度很小，在频谱累加过程中实时寻找谱峰位置，当谱峰幅值达到一定阈值后即认为谱峰为信号，所对应频率为速度带来的多普勒频率，进而获得目标速度；当累加次数达到一定阈值仍未获得有效谱峰，即认为本次探测无有效回波信号。两种情况满足任何一种，即结束当前通道的探测。

5.数字信号处理模块将发射光开关、接收光开关重新换到另外一个通道，同时进行新通道新一轮的目标速度的探测，即循环到步骤1进行新一轮的操作。

本系统的优点为：

1结构简单，激光无需调制，降低了对激光器的需求。

2通过正交零差探测，得到的信号频谱干净，可以简单有效的提取出目标速度和方向。

3激光未经调制，采用零差系统，可以通过交流耦合回避同轴光路中镜面反射，以及环形器泄漏带来的干扰。

4激光未经调制，可以实时进行快速FFT处理并进行脉冲积累，可以有效探测微弱信号，达到较远的探测距离。

附图说明

图1为基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统的原理框图，其中各部分为：1.同轴收发望远镜；2.光纤环形器；3.发射光开关；4.接收光开关；5.窄线宽激光器；6. 90度光学桥接器；7.平衡探测器；8.高速ADC；9.数字信号处理模块，DSP或FPGA或微处理器。

图2是90度光学桥接器的输出、输出示意图，其构建有光纤、自由空间多种方式，本图只是信号结构上的原理示意，将输入的本振信号通过一定手段拆分为具有90度相位差的两个信号，并分别与信号光进行耦合，其内部结构分别为：1.50:50分束器，2.90度相移器，实际设计时可通过多种途径实现；3.180度混频器。

图3是典型的多普勒速度信号频谱，Y轴为FFT处理后各频点的幅度，频谱信号中包括零频和信号峰值，零频信号因高速ADC直流偏置导致无法避免，信号提取时直接无视零频信号，信号因多普勒频移造成，图中多普勒频移信号为-11.57MHz，对应于负速度。

图4是相干零差多普勒测速激光雷达测量到的速度数据，激光雷达在飞机上对地面探测，实时测量激光雷达对地面的速度，图中是一部分点的数据。

具体实施方式

基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统的具体实施包括：

1)数字信号处理模块9切换发射光开关3、接收光开关4到相同的第1个通道，并触发窄线宽激光器5发射。数字信号处理模块采用Xilinx Virtex 4 XC4VSX55的FPGA，发射光开关3选用1输入，3输出的磁光开关，接收光开关4选用3输入，1输出的磁光开关，窄线宽激光器5为窄线宽光纤激光器，波长1550nm，线宽小于30kHz，用于发射的大功率3W，用于本振的小功率为3mW。

2)激光经环形器2的1端口输入，从2端口输出到收发望远镜1发射，回波激光从收发望远镜返回到环形器的2端口，从3端口输出到接收光开关，再变成1路回波光信号进入90度光学桥接器6。环形器2为典型光纤环形器，有3个端口的器件，从1端口输入，从2端口收发，从3端口输出。90度光学桥接器6为光纤90度光学桥接器，采用Kylia公司COH24器件。

3)回波光进入90度光学桥接器的信号端，本振光进入90度光学桥接器的本振端，90度桥接器输出4路光信号，形成I路、Q路信号，分别进入两个平衡探测器7转换成电信号，电信号再经高速ADC进行模数转换，生成两组数字序列。平衡探测器为典型1550nm波长响应的平衡探测器，光电转换效率为40kV/W。高速ADC采用TI公司ADS5463，输出位宽为12位，采样时钟为200MHz。

4)高速ADC输出的两路12位位宽的数字序列在数字信号处理模块内组成复数V，实部来自同一时刻I通道ADC数据，虚部来自同一时刻Q通道ADC数据。对连续获取的复数数据V，每N＝8192点作为一个采样周期，进行实时FFT处理，获得信号频谱，将获得的信号频谱进行实时累加。

5)基于光学正交解调方法获得除零频外只有单一谱峰的频谱，谱峰的镜像频点幅度很小，在频谱累加过程中实时寻找谱峰位置，当谱峰幅值达到一定阈值后即认为谱峰为信号，所对应频率为速度带来的多普勒频率，进而获得目标速度；当累加次数达到一定阈值仍未获得有效谱峰，即认为本次探测无有效回波信号。两种情况满足任何一种，即结束当前通道的探测。图3是典型的信号频谱，是负速度，目标远离激光雷达，图4是该激光雷达实际测量到的部分速度数据，正负速度清晰可辨。对于200MHz的采样时钟，8192点的频谱分析，频率分辨率为24.414kHz，结合波长1550nm，该频率分辨率对应的速度分辨率为0.0189m/s，具有较高的速度分辨率。

6)当前通道测量结束，即进行新一通道的速度的测量，将发射磁光开关、接收磁光开关切换到第2通道，开始第2通道的测量，再重复步骤1)循环操作。

Claims (1)

1.一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统，包括同轴收发望远镜(1)、光纤环形器(2)、发射光开关(3)、接收光开关(4)、窄线宽激光器(5)、90度光学桥接器(6)、平衡探测器(7)、高速ADC(8)、数字信号处理模块(9)，其特征在于：

窄线宽激光器(5)产生未经调制的单一频率的相干激光，经激光分束后一部分用于发射，另外一部分用作本振信号；

激光通过同轴收发望远镜(1)和光纤环形器(2)实现同轴收发，经由发射光开关(3)和接收光开关(4)切换实现多通道分时速度探测；

回波激光和本振激光进入90度光学桥接器(6)进行光信号处理，形成I通路、Q通路信号，并经由两个平衡探测器(7)转换成电信号，经两个高速ADC(8)数字化获得正交的两路数据；

I通路、Q通路信号进入数字信号处理模块(9)进行处理，经处理得到目标速度大小和方向。