CN107607928A - 一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器 - Google Patents

Abstract

本发明一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，属于机电信号处理以及激光雷达技术领域。本发明利用一种特殊的声光调制器双通光路，成功构造旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号，仿真出高速运动拥有旋翼的军事目标，如直升机的激光雷达回波信号。进一步，通过集成超外差探测光路成功检测出所构造的信号。对高速运动拥有旋翼的军事目标，如直升机进行准确识别能实现敌友分别以避免战场误伤。当前研究人员虽然给出激光雷达回波多普勒及微多普勒频移信号的理论公式，却尚未在实验室中构造这样的激光回波信号。本发明提出一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，能有效构造这样的激光回波信号，并与检测光路集成在一起，成功实现检测。

Description

一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器

技术领域

本发明涉及一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，属于机电信号处理以及激光雷达技术领域。

背景技术

对高速运动拥有旋翼的军事目标(如直升机)的准确识别能实现敌友分别以避免战场误伤。当前研究人员对于高速运动带旋翼的军事目标的激光雷达识别，做了很多理论工作，给出激光雷达回波多普勒及微多普勒频移信号的理论公式，然而如何在实验室中构造这样的激光回波信号，从而为进一步的准确检测和信号分析提供依据，目前还没有有效方法。本发明提出一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，能有效构造这样的激光回波信号，并与检测光路集成在一起，方便对该信号的检测。

这里以直升机作为应用实例，首先探讨旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号特征。飞行中的直升飞机，整体高速平动之外还会存在旋翼的转动。直升机的平动速度一般为60m/s，旋翼转速一般为每分钟300到400转，旋翼直径一般10米左右。整体平动会使主动探测的激光雷达回波信号产生多普勒频移，称为体多普勒频移；转动会在体多普勒频移的基础上对激光雷达回波信号产生附加的频率调制，美国海军研究实验室的Victor C.Chen将这种现象称为微多普勒效应，这里可以参考如下文献1：

1.Chen,V.C.&Lipps,R.D.Time frequency signatures of micro-Dopplerphenomenon for feature extraction.Proc.SPIE 4056,220–226(2000)。

下面介绍旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号的理论公式。

对于旋翼转动所带来的微多普频移可以将转动线速度投影到激光雷达视线上，简化为正弦运动。对旋翼目标点的转动，根据激光探测旋翼目标点转动在y方向投影分量的几何关系，设目标O的整体平动速度v，转动半径为d，转动频率fm，旋转的欧拉角为(φ，θ，ψ)，D_t表示任意时刻物体的转幅，R₀表示旋翼目标点与激光雷达之间的初始距离。转动在y方向投影分量的状态可表示为公式(1)：

D_t＝d sin(2πf_mt) (1)

根据激光雷达探测转动目标的几何关系图，激光雷达与转动目标点之间的矢量距离可以表示为公式(2)

将公式(2)的矢量形式处理成标量形式，并利用欧拉角来计算相关几何量，代入公式(2)的标量形式中，则任意时刻激光雷达与转动目标点之间的距离可以表示为公式(3)：

化简公式(3)后可得公式(4)：

R_t＝R₀-D_tsinθsinφ (4)

把(1)代入(4)，并考虑到转动目标点的平动，可得任意时刻激光雷达与目标之间的距离为公式(5)：

R(t)＝R₀+vt-d sinθsinφsin(2πf_mt) (5)

设激光雷达发射光波频率f_c，波长λ_c，则探测器接收到的信号为公式(6)：

根据信号瞬时频率的意义，把相位R(t)对时间作微分，即可得到与公式(1)对应的目标的空间运动形式带来的多普勒频移及微多普勒频移为公式(7)：

等式(7)中右边第一项为目标平动引起的多普勒频移，第二项为旋翼转动目标点引起的微多普勒频移。

我们将直升机运动的数据根据实际情况进行设置，然后根据公式(7)，计算出典型的旋翼多普勒及微多普勒频移的数据，具体如下：

直升机平动速度为60m/s时，假设当激光雷达采用的激光波长为532nm，根据公式(7)，激光多普勒频移为225MHz。当旋翼半径为3米，微多普勒的频率为余弦函数，余弦函数的幅度为75MHz，当旋翼的转速为300圈每分钟时，余弦函数的频率为5Hz。

也即是，当直升机旋翼的运行情况为平动速度为60m/s，旋翼半径为3米，旋翼的转速为300圈时，其激光雷达回波的多普勒及微多普勒频移为公式(8)：

Δf＝225MHz-75MHz×cos(10πt) (8)

激光雷达回波的频率为公式(9)

f_s＝f_532nm+Δf (9)

公式(9)就是我们希望构建的激光雷达回波信号的典型形式。根据直升机参数及激光波长的不同，可有一定程度的调整。

另外一个问题是如何通过公式(9)的回波检测出Δf呢？

对于激光雷达回波频移信号的检测，一般是通过光学超外差探测。

光学超外差探测也叫相干探测(optical heterodyne detection,也叫opticalcoherent detection)。在光学超外差探测中，一个非常弱的输入信号携带着所要检测样品的信息，通过光束分束器与一个非常强的本地振荡源进行混合，然后入射到光电探测器上进行检测。信号光与本振光在光电探测器上干涉，除信号光与本振光自身信号外，还产生信号光与本振光的差频信号分量，而光电探测器的探测带宽只能与差频信号分量响应，输出一个中频光电流。在激光雷达回波频移信号的检测中，该光电流信号被检调后的频率就是Δf。

基于公式(9)得出具有相关特征的旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号，目前有相关研究如下：通过电控移动平移台这样的运动源来模拟低速平动(0-10mm/s)和通过喇叭振动来模拟低振幅振动(振幅1-1000um，频率0-1000Hz)。这里要补充一个背景，那就是振动与转动在多普勒与微多普勒信号上是一致。目前移动平台加喇叭的方法不能用于模拟高速平动旋翼转动的情形(如上文所说的直升机)，原因有两点：第一点，直升机平动速度为60m/s，移动平台加喇叭的方法中典型平动速度只有10mm/s，那么直升机平动速度比它高四个数量级；第二点，直升机旋翼转动半径为3米(相当于振动振幅为3米)，移动平台加喇叭的方法中振幅最大为1毫米，那么直升机比它高三个数量级。

因此，针对多普勒信号还是微多普勒信号，我们的研究目标的参数都比现有振动相关的研究参数高三个数量级以上。

发明内容

本发明的目的在于得到具有f_s＝f_laser+Δf特征的旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号，即该信号的频率是原激光的频率f_laser再叠加一个Δf频率，其中Δf＝f_m0-Δf_m0×cos(2πtf_scan)，f_m0≥200MHz，Δf_m0≥50MHz，f_scan≥5Hz，提出了一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器。

一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器包括如下内容：

激光器、偏振分束器、非偏振分束器、反射镜、光电探测器、光调制器、1/4波片、透镜、反射镜；

其中，偏振分束器包括偏振分束器1和偏振分束器2；非偏振分束器包括非偏振分束器1和非偏振分束器2；反射镜包括90度反射镜1、90度反射镜2和45度反射镜3；声光调制器，即AOM，包括微波源；

本发明所述仿真器采用超外差探测方法，且其主激光频率为f_laser；

其中，激光器可输出一定角度和强度的偏振激光；

一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器的工作过程如下：

步骤一、激光器输出偏振激光；

其中，偏振激光是窄线宽激光，其波长为λ＝c/f_laser的45度偏振激光，c是光速；窄线宽激光的线宽小于50KHz；

步骤二、步骤一激光器输出的偏振激光被非偏振分束器1分为两束；

步骤三、步骤二被非偏振分束器1分为两束的激光，一束透过非偏振分束器1的激光，进入步骤七；另一束被非偏振分束器1反射的一部分激光透过非偏振分束器2；

步骤四、经步骤三另一束被非偏振分束器2输出的激光再经过反射镜2原路反射；

步骤五、步骤四输出的激光再经过非偏振分束器2反射；

步骤六、步骤五通过偏振分束器2纯化偏振的激光再进入光电探测器，作为超外差探测的参考光，其频率为f_laser；

步骤七、主激光经步骤三非偏振分束器1的透射部分经过声光调制器，即AOM移频，输出正一级光，具体为：主激光经步骤三非偏振分束器1的透射部分经过声光调制器AOM移频，输出多级激光，挑选其中的正一级激光；其中，正一级激光的激光频率是主激光频率f_laser叠加一个微波频率；其中，微波是由声光调制器的微波源提供，微波源输出的微波是一个余弦扫描的微波，微波频率范围为f_m0/2-Δf_m0/2到f_m0/2+Δf_m0/2，余弦扫描频率为f_scan；得到正一级光，即正一级光，其频率为f_laser+Δf/2，其中，

Δf/2＝f_m0/2-(Δf_m0/2)×cos(2πtf_scan)，即正一级光相比于原光路有一个夹角，角度在约10度到约20度变化；

步骤八、步骤七经AOM输出的正一级光经过一个1/4波片后打到一个挑选的透镜上，输出平行光；

其中，透镜中心到AOM中心距离严格控制为透镜的一倍焦距，因此，正一级光是带角度的；带角度的正一级光经过透镜后变成平行光；

步骤九、步骤八从透镜输出的平行光入射到一个反射镜1上，反射镜1将激光原路反射，反射的激光再次原路经过透镜和1/4波片，之后通过声光调制器，产生第二个一极光；

其中，反射镜1为90度反射镜；透镜中心到反射镜1镜面的距离严格控制为透镜的一倍焦距；步骤八和步骤九中两个距离都严格控制为透镜的一倍焦距后，根据透镜的作用原理，经反射镜反射的光通过透镜后也准确的入射到原来打到AOM的位置，这样又会产生第二个正一级光，其频率变为f_s＝f_laser+Δf，其中Δf＝f_m0-Δf_m0×cos(2πtf_scan)，此时的第二个正一级光在光路上则是与第一次入射到AOM的激光光路重合，只是光路方向相反；其中，第一次入射到AOM的激光是指主激光经步骤三非偏振分束器1的透射部分；

在步骤八和步骤九中，光路两次经过1/4波片，作用效果等同于单次经过一个1/2波片，即步骤九中第二次通过AOM的激光的偏振方向，相比于最初入射到AOM的激光的偏振方向，旋转了90度，这样一来第二次通过AOM的激光就可以被偏振分束器1反射出来，与最初入射到偏振分束器1的激光分离。被反射的激光通过反射镜3反射，透过非偏振分束器2，再由偏振分束器2纯化偏振，也入射到光电探测器上；f_laser的参考光与f_s的信号光在从非偏振分束器2到光电探测器的这一段光路严格重合，实现在光电探测器上的光斑完全重合，从而得到最强的超外差探测信号Δf＝f_m0-Δf_m0×cos(2πtf_scan)；该信号由频谱仪检测出来；

至此，从步骤一到步骤九，完成了一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器的工作过程。

有益效果

本发明一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，与现有旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器相比，具有如下有益效果：

1.多普勒及微多普勒信号是通过AOM移频实现，通过对AOM的微波进行扫描，并利用AOM两次通过不改光路的巧妙方案，可实现对直升机等高速平动大转动半径的转动旋翼目标的激光多普勒及微多普勒复合信号的构建；

2.通过巧妙的光路结构，将构造的信号集成在超外差探测的方案中，可实现对的激光多普勒及微多普勒复合信号的检测；基于公式(9)得出具有相关特征的旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号，目前有相关研究如下：通过电控移动平移台这样的运动源来模拟低速平动(0-10mm/s)和通过喇叭振动来模拟低振幅振动(振幅1-1000um，频率0-1000Hz)：这里要补充一个背景，那就是振动与转动在多普勒与微多普勒信号上是一致，目前移动平台加喇叭的方法不能用于模拟高速平动旋翼转动的情形(如上文所说的直升机)，原因有两点：第一点，直升机平动速度为60m/s，移动平台加喇叭的方法中典型平动速度只有10mm/s，那么直升机平动速度比它高四个数量级；第二点，直升机旋翼转动半径为3米(相当于振动振幅为3米)，移动平台加喇叭的方法中振幅最大为1毫米，那么直升机比它高三个数量级；因此，针对多普勒信号还是微多普勒信号，我们的研究目标的参数都比现有振动相关的研究参数高三个数量级以上；

3.本发明所提仿真器低速平动情形以及低振幅运动均比常规电控移动以及喇叭振动产生的相关高三个数量级以上；无论针对多普勒信号还是微多普勒信号，我们的研究目标的参数都比现有振动相关的研究参数高三个数量级以上。

附图说明

图1是本发明一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器的光路方案。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。

实施例1

本实施例叙述了采用本发明所述一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器的光路方案。具体的光路方案如图1所示。

45度窄线宽(线宽小于50KHz)波长为532nm偏振激光从激光器输出后，用非偏振分束器1分两束，其中反射的一部分激光透过非偏振分束器2后被90度反射镜反射，之后一部分被非偏振分束器2反射，然后通过偏振分束器2纯化偏振，进入光电探测器，作为超外差探测的参考光，其频率为f_532nm。主激光经过非偏振分束器1，透射部分经过声光调制器(AOM)移频，AOM的微波源输出的是93.75MHz到131.25MHz以5Hz的频率余弦扫描的微波，得到正一级光的频率为f_s=f_532nm+112.5MHz-37.5MHz×cos(10πt)，得到的正一级光相比于原光路有一个夹角，角度在约10度到约20度变化，经过一个1/4波片后打到一个挑选的透镜上，透镜中心到AOM中心距离严格控制为透镜的一倍焦距，带角度的正一级光经过透镜后变成平行光，入射到一个90度反射镜上，透镜中心到反射镜镜面的距离严格控制为透镜的一倍焦距。当两个距离都严格控制为透镜的一倍焦距后，根据透镜的作用原理，经反射镜反射的光通过透镜后也准确的入射到原来打到AOM的位置，这样又会产生第二个正一级光，其频率变为f_ds＝f_532nm+225MHz-75MHz×cos(10πt)，此时的第二个正一级光在光路上则是与第一次入射到AOM的激光光路重合，只是光路方向相反。由于在此过程中，光路两次经过1/4波片，作用效果等同于单次经过一个1/2波片，即第二次通过AOM的激光的偏振方向，相比于最初入射到AOM的激光的偏振方向，旋转了90度，这样一来第二次通过AOM的激光就可以被偏振分束器1反射出来，与最初入射到偏振分束器1的激光分离。被反射的f_ds激光通过反射镜3反射，透过非偏振分束器2，再由偏振分束器2纯化偏振，也入射到光电探测器上。f_532nm的参考光与f_ds的信号光在从非偏振分束器2到光电探测器的这一段光路严格重合，实现在光电探测器上的光斑完全重合，从而得到最强的超外差探测信号Δf＝225MHz-75MHz×cos(10πt)。该信号由频谱仪检测出来。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，其特征在于：得到具有f_s＝f_laser+Δf特征的旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号，即该信号的频率是原激光的频率f_laser再叠加一个Δf频率，其中Δf＝f_m0-Δf_m0×cos(2πtf_scan)，f_m0≥200MHz，Δf_m0≥50MHz，f_scan≥5Hz；包括如下内容：激光器、偏振分束器、非偏振分束器、反射镜、光电探测器、光调制器、1/4波片、透镜、反射镜；其中，偏振分束器包括偏振分束器1和偏振分束器2；非偏振分束器包括非偏振分束器1和非偏振分束器2；反射镜包括90度反射镜1、90度反射镜2和45度反射镜3；声光调制器，即AOM，包括微波源；本发明所述仿真器采用超外差探测方法，且其主激光频率为f_laser；，激光器可输出一定角度和强度的偏振激光。

2.根据权利要求1所述的一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，其特征在于：工作过程如下：

步骤一、激光器输出偏振激光；

步骤二、步骤一激光器输出的偏振激光被非偏振分束器1分为两束；

步骤三、步骤二被非偏振分束器1分为两束的激光，一束透过非偏振分束器1的激光，进入步骤七；另一束被非偏振分束器1反射的一部分激光透过非偏振分束器2；

步骤四、经步骤三另一束被非偏振分束器2输出的激光再经过反射镜2原路反射；

步骤五、步骤四输出的激光再经过非偏振分束器2反射；

步骤六、步骤五通过偏振分束器2纯化偏振的激光再进入光电探测器，作为超外差探测的参考光，其频率为f_laser；

步骤七、主激光经步骤三非偏振分束器1的透射部分经过声光调制器，即AOM移频，输出正一级光，其他级光用光阑挡住；

步骤八、步骤七经AOM输出的正一级光经过一个1/4波片后打到一个挑选的透镜上，透镜到AOM的距离为其焦距，输出平行光；

步骤九、步骤八从透镜输出的平行光入射到一个反射镜1上，透镜到反射镜的距离同样为其焦距，保证激光的焦点位于反射镜1上，反射镜1将激光原路反射，反射的激光再次原路经过透镜和1/4波片，之后通过声光调制器，产生第二个正一级光；

在步骤八和步骤九中，光路两次经过1/4波片，作用效果等同于单次经过一个1/2波片，即步骤九中第二次通过AOM的激光的偏振方向，相比于最初入射到AOM的激光的偏振方向，旋转了90度，这样一来第二次通过AOM的激光就可以被偏振分束器1反射出来，与最初入射到偏振分束器1的激光分离；被反射的激光通过反射镜3反射，透过非偏振分束器2，再由偏振分束器2纯化偏振，也入射到光电探测器上；f_laser的参考光与f_s的信号光在从非偏振分束器2到光电探测器的这一段光路严格重合，实现在光电探测器上的光斑完全重合，且偏振同向，从而得到最强的超外差探测信号Δf＝f_m0-Δf_m0×cos(2πtf_scan)；该信号由频谱仪检测出来；

至此，从步骤一到步骤九，完成了一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器的工作过程。

3.根据权利要求2所述的一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，其特征在于：步骤一中，偏振激光是窄线宽激光，其波长为λ＝c/f_laser的45度偏振激光，c是光速；其中，窄线宽激光的线宽小于50KHz。

4.根据权利要求2所述的一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，其特征在于：步骤七，具体为：主激光经步骤三非偏振分束器1的透射部分经过声光调制器AOM移频，输出多级激光，挑选其中的正一级激光即正一级光输出；其中，正一级激光的激光频率是主激光频率f_laser叠加一个微波频率；其中，微波是由声光调制器的微波源提供，微波源输出的微波是一个余弦扫描的微波，微波频率范围为f_m0/2-Δf_m0/2到f_m0/2+Δf_m0/2，余弦扫描频率为f_scan；得到正一级光，其频率为f_laser+Δf/2，其中，

Δf/2＝f_m0/2-(Δf_m0/2)×cos(2πtf_scan)，且正一级光相比于原光路有一个夹角，角度在约10度到约20度变化。

5.根据权利要求2所述的一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，其特征在于：步骤八中，透镜中心到AOM中心距离严格控制为透镜的一倍焦距，因此，正一级光是带角度的；带角度的正一级光经过透镜后变成平行光。

6.根据权利要求2所述的一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，其特征在于：步骤九中，反射镜1为90度反射镜；透镜中心到反射镜1镜面的距离严格控制为透镜的一倍焦距；步骤八和步骤九中两个距离都严格控制为透镜的一倍焦距后，根据透镜的作用原理，经反射镜反射的光通过透镜后也准确的入射到原来打到AOM的位置，这样又会产生第二个正一级光，其频率变为f_s＝f_laser+Δf，其中Δf＝f_m0-Δf_m0×cos(2πtf_scan)，此时的第二个正一级光在光路上则是与第一次入射到AOM的激光光路重合，只是光路方向相反；其中，第一次入射到AOM的激光是指主激光经步骤三非偏振分束器1的透射部分。