CN106908803B - 基于双平行mzm的超宽带梯状fm/cw激光测速系统 - Google Patents
基于双平行mzm的超宽带梯状fm/cw激光测速系统 Download PDFInfo
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Abstract
基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，属于激光测速领域。解决传统的锯齿波调制FM/CW激光雷达测速时，由于距离‑速度耦合无法经过单次测量、单次解算获得被测移动目标移动速度的问题。本发明调制端采用单频连续激光光源、双平行MZM和光纤激光放大器构成光纤回路与可调F‑P光纤滤波器共同构成信号调制系统来产生具有梯状频率调制功能的光信号，且该光信号经2号1×2分束器进行分束，获得一束信号光和一束本振光，本振光入射至目标后经目标反射，数字信号处理器对接收的信号光和携带被测移动目标信息的本振光进行处理，从而获得被测目标的移动速度。本发明主要用于对被测目标的移动速度进行测量。
Description
技术领域
本发明属于激光测速领域。
背景技术
调频连续波(frequency-modulated continuous-wave，FM/CW)激光雷达具有的高信号调制带宽带来的高的测距分辨率、测距-测速同时进行、且对探测器和模数转换器(ADCS)的带宽要求不高的特点，逐渐成为一种重要的探测体制。但由于传统的FM/CW激光雷达系统采用锯齿波频率调制信号进行探测时，存在距离-速度耦合问题，即探测到的回波频谱峰值同时包含目标的距离和速度的耦合信息，无法通过单次测量及单次解算获得的被测移动目标距离，运算量大，测量时间长。因此，亟需提供一种进行单次测量，测量过程简单，运算量小的测速系统。
发明内容
本发明是为了解决传统的锯齿波调制FM/CW激光雷达测速时，由于距离-速度耦合无法经过单次测量、单次解算获得被测移动目标移动速度的问题。本发明提供了一种基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统。马赫-增德尔调制器(Mach-Zehndermodulator，MZM)。
基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，它包括单频连续激光器、2个2×1耦合器、2个1×2分束器、双平行MZM、光纤激光放大器、可调F-P滤波器、光环形器、光纤自聚焦准直器、光电探测器、模数转换器和数字信号处理器；
2个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器和2号2×1耦合器；
2个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器和2号1×2分束器，且1号1×2分束器输出光强相同的两束光；
单频连续激光器输出的连续光和光纤激光放大器输出的光，经1号2×1耦合器耦合后，入射至双平行MZM，双平行MZM对接收的耦合光的频率进行平移后，又经1号1×2分束器进行分束，获得两束光；
其中，一束光经光纤激光放大器进行功率放大后，入射至1号2×1耦合器；
另一束光入射至可调F-P滤波器进行滤波后，又经2号1×2分束器进行分束后，获得两束光，该两束光分别为信号光和本振光，且信号光的光强大于本振光的光强；
信号光依次经过光环形器和光纤自聚焦准直器后，入射至被测移动目标，被测移动目标反射的回波信号光经光环形器入射至2号2×1耦合器，
本振光入射至2号2×1耦合器，
2号2×1耦合器对接收的本振光和回波信号光进行耦合后，入射至光电探测器进行光电转化，
光电探测器输出的电信号经模数转换器进行模数转化后，获得的数据信号输入至数字信号处理器，数字信号处理器对接收的数据信号进行处理，从而获得被测移动目标的移动速度。
所述的数字信号处理器对接收的数据信号进行处理，从而获得被测移动目标的移动速度的具体过程为：
步骤一、数字信号处理器对接收的数据信号进行傅里叶变换和中频滤波，获得外差信号的频谱且外差信号的频谱由N个sinc函数构成，且所述的N个sinc函数的幅值形成两个sinc函数包络，N为大于且等于10的整数；
步骤二、提取两个sinc函数包络的幅值最大值所对应的峰值频率f-、f+，且f+>f-；
步骤三、将峰值频率f-、峰值频率f+代入到公式一中进行解算，获得被测移动目标的移动速度vr；
其中，mR＝round(f-/△f)，
△f表示频率调制间隔，λ表示单频连续激光器输出的连续光的波长，mR表示中间变量，round()表示取整函数。
所述的可调F-P滤波器输出的光为频率阶梯状变化的信号。
所述的双平行MZM接收的驱动信号为正弦波电压信号。
所述的可调F-P滤波器接收的驱动信号为阶梯状电压信号。
所述的f+-f-＝△f。
所述的fd表示双平行MZM对接收的耦合光的频率进行平移后，所输出的光信号的频率。
本发明带来的有益效果是：
1、本发明所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统可将被测移动目标的距离信息和速度信息有效隔离，摆脱了现有技术中距离-速度耦合对系统应用的限制；调制端采用单频连续激光光源、双平行MZM和光纤激光放大器构成光纤回路与可调F-P光纤滤波器共同构成信号调制系统来产生梯状频率调制信号，信号调制带宽和调制周期均可以根据实际需求进行调谐，增强了系统的灵活性；
2、接收端直接利用测量的外差信号进行速度解算，解算结果与目标距离无关，摆脱了距离-速度耦合的困扰；
3、全光路元件均采用光纤元件，系统光路属于柔性光路，系统稳定性好，集成度高。
4、本发明所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统结构简单，进行单次测量即可获得被测移动目标的移动速度，测量过程简单，运算量小。
附图说明
图1为本发明所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统的原理示意图。
图2为双平行MZM和光纤激光放大器构成的环形结构的结构示意图。
图3为外差信号频谱的频谱图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，它包括单频连续激光器1、2个2×1耦合器、2个1×2分束器、双平行MZM 3、光纤激光放大器5、可调F-P滤波器6、光环形器7、光纤自聚焦准直器8、光电探测器9、模数转换器10和数字信号处理器11；
2个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器2-1和2号2×1耦合器2-2；
2个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器4-1和2号1×2分束器4-2，且1号1×2分束器4-1输出光强相同的两束光；
单频连续激光器1输出的连续光和光纤激光放大器5输出的光，经1号2×1耦合器2-1耦合后，入射至双平行MZM3，双平行MZM3对接收的耦合光的频率进行平移后，又经1号1×2分束器4-1进行分束，获得两束光；
其中，一束光经光纤激光放大器5进行功率放大后，入射至1号2×1耦合器2-1；
另一束光入射至可调F-P滤波器6进行滤波后，又经2号1×2分束器4-2进行分束后，获得两束光，该两束光分别为信号光和本振光，且信号光的光强大于本振光的光强；
信号光依次经过光环形器7和光纤自聚焦准直器8后，入射至被测移动目标，被测移动目标反射的回波信号光经光环形器7入射至2号2×1耦合器2-2，
本振光入射至2号2×1耦合器2-2，
2号2×1耦合器2-2对接收的本振光和回波信号光进行耦合后，入射至光电探测器9进行光电转化，
光电探测器9输出的电信号经模数转换器10进行模数转化后，获得的数据信号输入至数字信号处理器11，数字信号处理器11对接收的数据信号进行处理，从而获得被测移动目标的移动速度。
原理分析：单频连续激光器1输出的频率为f0的连续光，传入由双平行MZM和光纤激光放大器5构成的环形结构，具体参见图2，该环形结构用来产生载波抑制单边带的频移信号构成的频率梳。入射至双平行MZM 3的驱动信号为频率为△f的正弦电压信号，且被分为具有90°相位差的两部分，分别输入到双平行MZM 3的两个调制器端口，通过设置合适的偏压，载波被抑制而激光能量集中到上边带，且上边带的中心频率为f0+△f。经过调制的单边带信号被分成两部分：一部分输入到下个系统结构，另一部分则在经过光纤激光放大器5放大后返回双平行MZM 3，进入下一个循环。经过一系列的循环后，调制回路的输出信号就形成了一系列以△f为频率间隔的频率梳。
双平行MZM 3输出的光信号需要经过滤波处理。因此，可在调制回路的后面设置一个由梯状函数的驱动信号所驱动的可调F-P滤波器6对产生的频率梳按时序依次进行滤波，最终可得到阶梯状时间间隔为t0，阶梯状的频率调制间隔为△f的光调制信号。
本发明所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统中，各光学部件的连接采用单模保偏光纤实现，保证信号光与本振光、线性频率调制光与单频激光之前的偏振方向相同，提高外差效率，进而提高系统的探测性能。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统的区别在于，所述的数字信号处理器11对接收的数据信号进行处理，从而获得被测移动目标的移动速度的具体过程为：
步骤一、数字信号处理器11对接收的数据信号进行傅里叶变换和中频滤波，获得外差信号的频谱且外差信号的频谱由N个sinc函数构成，且所述的N个sinc函数的幅值形成两个sinc函数包络，N为大于且等于10的整数；
步骤二、提取两个sinc函数包络的幅值最大值所对应的峰值频率f-、f+，且f+>f-；
步骤三、将峰值频率f-、峰值频率f+、代入到公式一中进行解算，获得被测移动目标的移动速度vr；
其中，mR＝round(f-/△f)，
△f表示频率调制间隔，λ表示单频连续激光器1输出的连续光的波长，mR表示中间变量，round()表示取整函数。
本实施方式，可调F-P滤波器6通过1号1×2分束器4-1进行分束，分成信号光和本振光，信号光经过光纤自聚焦准直器8扩束准直后，照射到被测移动目标，经被测移动目标反射后，目标回波信号经光电探测器9进行光电探测，光电探测器9还对本振光进行光电探测，并将探测的两个结果经模数转换后输入至数字信号处理器11，数字信号处理器11对接收的数据信号进行傅里叶变换和中频滤波后，得到图3所述的频谱信息，从而解算出被测移动目标的移动速度。图3中，峰值频率f-所对应的幅值最大值Af-，峰值频率f+所对应的幅值最大值Af+。
本发明所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统的测量的速度信息与距离信息相互独立，简化了测量方法。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统的区别在于，所述的可调F-P滤波器6输出的光为频率阶梯状变化的信号。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统的区别在于，所述的双平行MZM3接收的驱动信号为正弦波电压信号。
具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统的区别在于，所述的可调F-P滤波器6接收的驱动信号为阶梯状电压信号。
具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统的区别在于，所述的f+-f-＝△f。
具体实施方式七：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统的区别在于，所述的
fd表示双平行MZM 3对接收的耦合光的频率进行平移后，所输出的光信号的频率。
Claims (6)
1.基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，它包括单频连续激光器(1)、2个2×1耦合器、2个1×2分束器、双平行MZM(3)、光纤激光放大器(5)、可调F-P滤波器(6)、光环形器(7)、光纤自聚焦准直器(8)、光电探测器(9)、模数转换器(10)和数字信号处理器(11)；
2个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器(2-1)和2号2×1耦合器(2-2)；
2个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器(4-1)和2号1×2分束器(4-2)，且1号1×2分束器(4-1)输出光强相同的两束光；
单频连续激光器(1)输出的连续光和光纤激光放大器(5)输出的光，经1号2×1耦合器(2-1)耦合后，入射至双平行MZM(3)，双平行MZM(3)对接收的耦合光的频率进行平移后，又经1号1×2分束器(4-1)进行分束，获得两束光；
其中，一束光经光纤激光放大器(5)进行功率放大后，入射至1号2×1耦合器(2-1)；
另一束光入射至可调F-P滤波器(6)进行滤波后，又经2号1×2分束器(4-2)进行分束后，获得两束光，该两束光分别为信号光和本振光，且信号光的光强大于本振光的光强；
信号光依次经过光环形器(7)和光纤自聚焦准直器(8)后，入射至被测移动目标，被测移动目标反射的回波信号光经光环形器(7)入射至2号2×1耦合器(2-2)，
本振光入射至2号2×1耦合器(2-2)，
2号2×1耦合器(2-2)对接收的本振光和回波信号光进行耦合后，入射至光电探测器(9)进行光电转化，
光电探测器(9)输出的电信号经模数转换器(10)进行模数转化后，获得的数据信号输入至数字信号处理器(11)，数字信号处理器(11)对接收的数据信号进行处理，从而获得被测移动目标的移动速度；
其特征在于，所述的数字信号处理器(11)对接收的数据信号进行处理，从而获得被测移动目标的移动速度的具体过程为：
步骤一、数字信号处理器(11)对接收的数据信号进行傅里叶变换和中频滤波，获得外差信号的频谱且外差信号的频谱由N个sinc函数构成，且所述的N个sinc函数的幅值形成两个sinc函数包络，N为大于或等于10的整数；
步骤二、提取两个sinc函数包络的幅值最大值所对应的峰值频率f-、f+，且f+>f-；
步骤三、将峰值频率f-、峰值频率f+代入到公式一中进行解算，获得被测移动目标的移动速度vr；
其中，mR＝round(f-/Δf)，
Δf表示频率调制间隔，λ表示单频连续激光器(1)输出的连续光的波长，mR表示中间变量，round()表示取整函数。
2.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，其特征在于，所述的可调F-P滤波器(6)输出的光为频率阶梯状变化的信号。
3.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，其特征在于，所述的双平行MZM(3)接收的驱动信号为正弦波电压信号。
4.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，其特征在于，所述的可调F-P滤波器(6)接收的驱动信号为阶梯状电压信号。
5.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，其特征在于，所述的f+-f-＝Δf。
6.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光测速系统，其特征在于，所述的fd表示双平行MZM(3)对接收的耦合光的频率进行平移后，所输出的光信号的频率。
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| 微波激光雷达一体化系统性能仿真及实验研究;董美慧;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20170215(第2期);正文第14-15页，第48-49页，图4-11 |
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