CN107045129A - 基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

为了解决现有微多普勒微波雷达受到地面杂波的严重干扰的问题，本发明提供一种基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，属于激光雷达探测领域。本发明包括：激光光源模块输出较强的信号光和较弱的本振光，信号光经频移调制模块进行频移，频移后的信号光输入至外差探测模块；外差探测模块，用于将频移后的信号光对目标区域进行扫描，获得目标回波；将目标回波与本振光进行合束，对合束后的光进行探测，采集中频信号，对获取的中频信号进行处理，获取含有目标运动和微动信息的信号频谱分布，判断目标是否为低小慢目标，若是，获取目标速度和目标距离；根据获得的目标速度和目标距离，对目标进行跟踪。

Description

基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统
技术领域
本发明涉及一种激光雷达系统，特别涉及一种基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，属于激光雷达探测领域。
背景技术
近年来随着技术的发展，以无人机为代表的低小慢目标越来越多的投入到军事和民事应用当中，而对该类目标进行跟踪和识别也成为当前国防安全和信息保密等领域急需解决的问题。结合微多普勒对目标进行识别是微波雷达领域常用的一种手段，可以有效的区分出人造目标与自然目标。
然而这种方法在实现对低小慢目标的探测过程中，会受到来自地面建筑和其他障碍物的地波干扰，无法有效的跟踪和识别该类目标。
发明内容
为了解决现有微多普勒微波雷达受到地面杂波的严重干扰，无法对低空飞行的低小慢飞行目标进行有效的探测识别的问题，本发明提供一种基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统。
本发明的基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，所述系统包括激光光源模块、频移调制模块和外差探测模块；
激光光源模块输出较强的信号光和较弱的本振光，所述信号光经频移调制模块进行频移，频移后的信号光输入至外差探测模块；
外差探测模块，用于将频移后的信号光对目标区域进行扫描，获得目标回波；将目标回波与本振光进行合束，对合束后的光进行探测，采集中频信号，对获取的中频信号进行处理，获取含有目标运动和微动信息的信号频谱分布，判断目标是否为低小慢目标，若是，获取目标速度和目标距离；根据获得的目标速度和目标距离，对目标进行跟踪。
优选的是，所述频移调制模块包括声光频移器和驱动器；
信号光输入至声光频移器，经声光频移器实现一个光频的移动，输出至外差探测模块；
驱动器用于驱动声光频移器。
优选的是，外差探测模块包括1号环形器、准直器、扫描器、2号环形器、布拉格光栅和2号耦合器、平衡探测器和处理系统；
频移后的信号光输入至1号环形器的1号口，再从1号环形器的2号口输出至准直器，准直器将频移后的信号光耦合进入自由空间，再经扫描器扫描至目标；
目标回波返回至1号环形器的2号口，再从1号环形器的3号口输出至2号环形器的1号口，目标回波从2号环形器的2号口输出进入布拉格光栅，经布拉格光栅后返回至2号环形器的2号口，目标回波从2号环形器的3号口输出至2号耦合器；
本振光与目标回波经2号耦合器合束后分成相等的两束，输出给平衡探测器；
平衡探测器将探测到的信号输入至处理系统；
处理系统根据探测到的信号，获取含有目标运动和微动信息的信号频谱分布，判断目标是否为低小慢目标，若是，获取目标速度和目标距离；根据获得的目标速度和目标距离，对目标进行跟踪。
优选的是，所述系统还包括光隔离器，所述光隔离器设置在频移调制模块和外差探测模块之间，频移后的信号光经光隔离器输入至外差探测模块。
优选的是，所述激光光源模块包括连续激光器和1号耦合器；
连续激光器输出的激光输入至1号耦合器后，1号耦合器进行分束，输出两路光，一路为较强的信号光，另一路为较弱的本振光。
优选的是，所述系统采用全光纤的光路。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，本发明基于激光多普勒和激光微多普勒原理，将激光测速系统应用到以无人机为代表的低小慢飞行目标的跟踪识别上，能够同时得到微多普勒信息、目标的距离和速度，具有结构紧凑和功能多样的特点。本发明的激光雷达系统能够有效的滤除地表杂波干扰，且具有多普勒灵敏度高的优势，具有测量精度高，识别率高，动态范围大，应用范围广泛的特点。同时，由于本发明系统采用了全光纤的光路系统，具有结构紧凑、稳定性高和灵活性强的特点。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的原理结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式所述的基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，包括激光光源模块、激频移调制模块和外差探测模块；
激光光源模块输出较强的信号光和较弱的本振光，所述信号光经激频移调制模块进行频移，频移后的信号光输入至外差探测模块；
外差探测模块，用于将频移后的信号光对目标区域进行扫描，获得目标回波；将目标回波与本振光进行合束，对合束后的光进行探测，采集中频信号，对获取的中频信号进行处理，获取含有目标运动和微动信息的信号频谱分布，判断目标是否为低小慢目标，若是获取目标速度和目标距离；根据获得的目标速度和目标距离，对目标进行跟踪。
结合图1说明本实施方式，本实施方式具体包括光纤连续激光器1、1号耦合器2、驱动器3、光纤声光频移器4、光隔离器5、1号环形器6、准直器7、扫描器8、2号环形器9、光纤布拉格光栅10和2号耦合器11、平衡探测器12和处理系统；
光纤连续激光器1输出的单频窄线宽激光连续信号输入至1号耦合器2后，1号耦合器2进行分束，输出两路光，一路为较强的信号光，另一路为较弱的本振光；
信号光输入至光纤声光频移器4，经光纤声光频移器4实现一个光频的移动，目的在于能够同时测量正负两个方向的径向速度，频移后的信号光输入至光隔离器5，通过给驱动器3施加恒定的驱动电压，驱动器3输出频率稳定的正弦信号，使其驱动的光纤声光频移器4将信号光进行频移处理，频移量与驱动器输出的正弦信号频率一致；
用于驱动声光频移器4；
光隔离器5用于隔离反向回波，防止对光纤连续激光器1和光学器件造成损伤；
光隔离器5输出的光入射至1号环形器6，1号环形器6的1号口，再从1号环形器6的2号口输出至准直器7，准直器7将频移后的信号光耦合进入自由空间，再经高速高精度扫描器8扫描至目标；由于光路具有可逆性，目标回波经过原光路返回被扫描器反射到光线准直器和1号环形器6的2号口，经过1号环形器6后与1号环形器6的2号口输出的光分离，从1号环形器6的3号口输出至2号环形器9的1号口，目标回波从2号环形器9的2号口输出进入光纤布拉格光栅10，经光纤布拉格光栅10进行窄带滤波滤除背景杂波后返回至2号环形器9的2号口，目标回波从2号环形器9的3号口输出至2号耦合器11；
本振光与目标回波经2号耦合器11合束后分成相等的两束，输出给平衡探测器12；
平衡探测器12检测外差中频信号并提高信噪比；模数转换器13对平衡探测器12输出的中频电信号进行模数转换，将转换后的数字信号输入至处理系统；
本实施方式的处理系统包括模数转换器和数据处理模块；
模数转换器将探测到的数据从模拟信号转换为数字信号，即：目标的微多普勒像，数据处理模块根据目标的微多普勒像来识别目标是否为低小慢人工飞行器，并获得目标的距离和速度，并将识别的判断结果输出给同步控制器，同步控制器通过识别结果，结合探测得到的目标速度和距离信息控制扫描器8对目标进行跟踪。
根据激光多普勒原理，目标的运动速度v与多普勒频移fd满足如下关系：
其中λ是激光波长，θ是目标运动速度与激光传播方向(径向)的夹角。从公式能够看出，目标的多普勒运动对应的微多普勒频移与激光波长成反比，因此本实施方式可以有效的增加目标多普勒探测精度，进而提高目标的识别效率。
本实施方式的光纤连续激光器1输出线宽窄，频率稳定性高；
1号光环形器6使激光信号只能按照1号口到2号口,2号口到3号口的方向进行单向传导，防止收发合制的扫描器接收到的目标回波信号受到发射信号光的干扰。
2号环形器9使激光信号只能按照1号口到2号口,2号口到3号口的方向进行单向传导，将目标回波耦合进入光纤布拉格光栅10，再将光纤布拉格光栅10反射的信号单方向导入到2号耦合器11；
本实施方式中的光纤均为单模保偏光纤，保证信号光与本振光的偏振方向相同，提高外差效率，进而提高系统的探测性能。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.一种基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括激光光源模块、频移调制模块和外差探测模块；
激光光源模块输出较强的信号光和较弱的本振光，所述信号光经频移调制模块进行频移，频移后的信号光输入至外差探测模块；
外差探测模块，用于将频移后的信号光对目标区域进行扫描，获得目标回波；将目标回波与本振光进行合束，对合束后的光进行探测，采集中频信号，对获取的中频信号进行处理，获取含有目标运动和微动信息的信号频谱分布，判断目标是否为低小慢目标，若是，获取目标速度和目标距离；根据获得的目标速度和目标距离，对目标进行跟踪。
2.根据权利要求1所述的基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，其特征在于，所述频移调制模块包括声光频移器和驱动器；
信号光输入至声光频移器，经声光频移器实现一个光频的移动，输出至外差探测模块；
驱动器用于驱动声光频移器。
3.根据权利要求1所述的基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，其特征在于，外差探测模块包括1号环形器、准直器、扫描器8、2号环形器、布拉格光栅和2号耦合器、平衡探测器和处理系统；
频移后的信号光输入至1号环形器的1号口，再从1号环形器的2号口输出至准直器，准直器将频移后的信号光耦合进入自由空间，再经扫描器扫描至目标；
目标回波返回至1号环形器的2号口，再从1号环形器的3号口输出至2号环形器的1号口，目标回波从2号环形器的2号口输出进入布拉格光栅，经布拉格光栅后返回至2号环形器的2号口，目标回波从2号环形器的3号口输出至2号耦合器；
本振光与目标回波经2号耦合器合束后分成相等的两束，输出给平衡探测器；
平衡探测器将探测到的信号输入至处理系统；
处理系统根据探测到的信号，获取含有目标运动和微动信息的信号频谱分布，判断目标是否为低小慢目标，若是，获取目标速度和目标距离；根据获得的目标速度和目标距离，对目标进行跟踪。
4.根据权利要求1所述的基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，其特征在于，所述系统还包括光隔离器，所述光隔离器设置在频移调制模块和外差探测模块之间，频移后的信号光经光隔离器输入至外差探测模块。
5.根据权利要求1所述的基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，其特征在于，所述激光光源模块包括连续激光器和1号耦合器；
连续激光器输出的激光输入至1号耦合器后，1号耦合器进行分束，输出两路光，一路为较强的信号光，另一路为较弱的本振光。
6.根据权利要求1所述的基于激光微多普勒效应跟踪识别低小慢目标的激光雷达系统，其特征在于，所述系统采用全光纤的光路。
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