CN108303704B - 一种基于偏振调制的激光测量方法及激光雷达 - Google Patents

一种基于偏振调制的激光测量方法及激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振调制的激光测量方法。本发明将线性调频微波信号通过偏振调制器调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中奇数阶边带信号与包含载波信号在内的偶数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；然后将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除，得到仅包含载波信号和另一侧边带的探测光信号；由于探测光信号中的光载波和一阶边带在正交的两个偏振态上，因此可同时对两路不同偏振态的回波信号分别进行处理，从而获得回波信号的延时信息和多普勒频移信息，进而得到待测物的距离和速度信息。本发明还公开了一种基于偏振调制的激光雷达。由于本发明的测距与测速是分开进行的，因此能极大地降低相位噪声，提高测量的信噪比和精确性。

Description

一种基于偏振调制的激光测量方法及激光雷达
技术领域
本发明涉及一种基于偏振调制的激光测量方法，用于同时测量待测物体的距离和速度信息。
背景技术
激光测距和激光测速是激光技术的重要应用。激光具有的高相干性、方向性、单色性等优点，可以实现远距离、高精度的测距功能。同时，运动物体的反射光会引入多普勒频移，通过测量多普勒频移即可实现激光测速。
目前，激光测距测速系统主要两种体制，一类采用脉冲激光作为探测光，另一类则采用调制连续光作为探测光。在第二类技术方案中，调频连续光(FMCW)是一种常用的激光测距测速方法。一般地，在激光测距测速系统中，发射端采用线性调频微波信号调制探测光，接收端采用相干探测的方法测量回波的瞬时频率。最后，通过瞬时频率可以获得待测物体的距离和速度信息。但是典型的调频连续光激光测距测距系统中，多普勒频移信息与距离信息在接收信号的频谱上会产生叠加，不易分离。因此难以实现距离信息和速度信息的同时测量。为了解决这一问题，研究人员采用三角波调制和双边带调制的方案进行激光测速测距。在这些方案中，回波信号在探测器中与本振光进行拍频，并与本振微波信号混频之后，可以获得两个不同的差频信号，这两个信号的频率之和正比于激光回波延时，之差正比于多普勒频移。而该方案的缺点在于：为了获取距离信息，需要使用大带宽的高速光电探测器(大于10GHz)，对线性调频光信号进行探测。而多普勒频移一般约为MHz量级，上述采用的高速光电探测器具有较高的噪声系数，尤其在低频区域，较大的噪声和较小的响应度增加了多普勒频移的测量误差。因此，有必要探索一种新的激光测量方法，以同时实现高精度的距离和速度测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于偏振调制的激光测量方法及激光雷达，可同时实现对待测物体的距离信息、速度信息进行实时准确地测量。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于偏振调制的激光测量方法，用于同时测量待测物体的距离和速度信息；首先利用偏振调制器将线性调频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中奇数阶边带信号与包含载波信号在内的偶数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；然后将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除，得到仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号，并将其作为探测光向待测物发射；令待测物所反射的回波信号经过偏振分束器，形成两路偏振正交的回波信号，其中一路回波信号A携有一阶边带信号和延时信息，另一路回波信号B携有载波信号和多普勒频移信息；从回波信号A中提取出回波信号的延时信息，并依据延时信息获得待测物体的距离信息，从回波信号B中提取出多普勒频移信息，并依据多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。
优选地，按照以下方法从回波信号A中提取出回波信号的延时信息：先将回波信号A与本振光信号进行拍频，得到包含回波信号延时信息的线性调频电信号A1；然后将线性调频电信号A1与本振微波信号进行混频，得到包含回波信号的延时信息的单频电信号A2；最后从单频电信号A2中提取出回波信号的延时信息；所述本振光信号为从所述光载波信号中分束获得，所述本振微波信号为从所述线性调频微波信号中分束获得。
优选地，按照以下方法从回波信号B中提取出多普勒频移信息：将回波信号B与本振光信号进行拍频，得到包含多普勒频移信息的单频电信号B1；然后从单频电信号B1中提取出多普勒频移信息；所述本振光信号为从所述光载波信号中分束获得。
优选地，所述线性调频微波信号为锯齿波。
优选地，利用光滤波器将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除。
根据相同的发明思路还可以得到相应的装置技术方案，具体如下：
一种基于偏振调制的激光雷达，用于同时测量待测物体的距离和速度信息；所述激光雷达包括：
偏振调制单元，用于利用偏振调制器将线性调频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中奇数阶边带信号与包含载波信号在内的偶数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；
边带去除单元，用于将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除，得到仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号；
发射单元，用于将边带去除单元所产生的仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号作为探测光向待测物体发射；
接收单元，用于接收待测物体所反射的回波信号；
偏振分束单元，用于将待测物体所反射的回波信号分束成两路偏振正交的回波信号，其中一路回波信号A携有一阶边带信号和延时信息，另一路回波信号B携有载波信号和多普勒频移信息；
信息提取单元，用于从回波信号A中提取出回波信号的延时信息，并依据延时信息获得待测物体的距离信息，从回波信号B中提取出多普勒频移信息，并依据多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。
优选地，所述信息提取单元包括用于从回波信号A中提取出回波信号的延时信息的延时信息提取模块，所述延时信息提取模块包括：
高速光电探测器，用于将回波信号A与从所述光载波信号中分束获得的本振光信号进行拍频，得到包含回波信号延时信息的线性调频电信号A1；
电混频器，将线性调频电信号A1与从所述线性调频微波信号中分束获得的本振微波信号进行混频，得到包含回波信号的延时信息的单频电信号A2；
频率测量模块，用于从单频电信号A2中提取出回波信号的延时信息。
优选地，所述信息提取单元包括用于从回波信号B中提取出多普勒频移信息的频移信息提取模块，所述频移信息提取模块包括：
低速光电探测器，用于将回波信号B与从所述光载波信号中分束获得的本振光信号进行拍频，得到包含多普勒频移信息的单频电信号B1；
频率测量模块，用于从单频电信号B1中提取出多普勒频移信息。
优选地，所述线性调频微波信号为锯齿波。
优选地，所述边带去除单元为光滤波器。
优选地，所述发射单元和接收单元共用一套光束准直系统，并利用光环行器实现探测光和回波信号的分离。
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明基于偏振调制技术，将线性调频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中奇数阶边带信号与包含载波信号在内的偶数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；然后将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除，得到仅包含载波信号和另一侧边带的探测光信号；由于探测光信号中的光载波和一阶边带在正交的两个偏振态上，因此可同时对两路不同偏振态的回波信号分别进行处理，从而获得回波信号的延时信息和多普勒频移信息，进而得到待测物的距离和速度信息。由于测距与测速是分开进行的，能极大地降低相位噪声，提高测量的信噪比和精确性。
附图说明
图1为本发明的偏振调制信号示意图；
图2为本发明的测距基本原理示意图；
图3为本发明激光雷达一个优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明针对现有调制连续光激光测距测速方法的不足，利用线性调频微波信号调制产生的偏振光信号作为探测光；由于调制输出光信号的光载波和一阶边带在正交的两个偏振态上，因此可同时分别对两路不同偏振态的回波信号进行处理，从而获得回波信号的延时信息和多普勒频移信息，最终获取待测物体实时的距离和速度信息。
具体地，首先利用偏振调制器将线性调频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中奇数阶边带信号与包含载波信号在内的偶数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；然后将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除，得到仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号，并将其作为探测光向待测物发射；令待测物所反射的回波信号经过偏振分束器，形成两路偏振正交的回波信号，其中一路回波信号A携有一阶边带信号和延时信息，另一路回波信号B携有载波信号和多普勒频移信息；从回波信号A中提取出回波信号的延时信息，并依据延时信息获得待测物体的距离信息，从回波信号B中提取出多普勒频移信息，并依据多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。
本发明激光雷达包括：
偏振调制单元，用于利用偏振调制器将线性调频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中奇数阶边带信号与包含载波信号在内的偶数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；
边带去除单元，用于将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除，得到仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号；
发射单元，用于将边带去除单元所产生的仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号作为探测光向待测物体发射；
接收单元，用于接收待测物体所反射的回波信号；
偏振分束单元，用于将待测物体所反射的回波信号分束成两路偏振正交的回波信号，其中一路回波信号A携有一阶边带信号和延时信息，另一路回波信号B携有载波信号和多普勒频移信息；
信息提取单元，用于从回波信号A中提取出回波信号的延时信息，并依据延时信息获得待测物体的距离信息，从回波信号B中提取出多普勒频移信息，并依据多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。
本发明方法的基本原理具体如下：
由光源产生的本振光信号Ein(t)＝Acexp(j2πfct)，随后45°入射，经过偏振调制器，通过光滤波器滤除负边带后，可得到探测光(高阶边带较弱，仅考虑载波和正一阶边带)：
Figure GDA0002202105900000051
其中，A+和A-分别为探测光在45°和-45°方向偏振态上的振幅。如图1所示，探测光信号在45°方向的偏振态上主要携带光载波信号cos(2πfct)，在-45°方向的偏振态上主要携带正一阶边带信号cos(2π(fc+f)t)。其中f为f＝f0+kt(周期T内)的锯齿波，从而使得正一阶边带信号为调频连续波信号。
当探测到运动的待测物体时，由于多普勒效应，回波信号变为：
Figure GDA0002202105900000052
其中，fd为探测目标做相对运动所产生的多普勒频移。
随后，通过偏振分束器将-45°和45°两个偏振方向的回波信号分离开来。
其中，-45°方向含有fc、f、fd等频率。如图2所示，微波源产生线性调频微波信号，即图中所示的锯齿波α，则在同一时刻，回波信号A与参考光Ein拍频，通过高速光电探测器后可得到图中所示的锯齿波γ，两者通过电混频器混频可得到差频信号fa，其中fa＝fR-fd。由fa-fd可计算得出fR，从中提取出相对延时τ，进而通过数据处理就可以最终获得待测物体的距离信息。
而45°方向的信号仅含fc和fd两个频率，与参考光Ein拍频，通过低速光电探测器即可直接提取出多普勒频移fd，进而通过数据处理可以获得待测物体的速度信息。
为便于公众理解，下面以一个优选实施例对本发明技术方案进行进一步详细说明。
本实施例激光雷达的基本结构如图3所示，其包括：微波源、光源、功分器、光分束器、光合束器、偏振调制器、光滤波器、偏振分束器、高速光电探测器、低速光电探测器、电混频器、频率测量与数据处理模块、激光发射模块和激光接收模块。微波源发出的线性调频微波信号被功分器分为两路，分别输入偏振调制器的微波输入口和电混频器的输入口。光源输出被光分束器分为两路，一路作为光载波输入偏振调制器；另一路作为本振光，通过光分束器再分成两路，分别通过光合束器与两路偏振分束器分束的激光回波合束后，各自输入高速光电探测器和低速光电探测器。偏振调制器的输出端连接激光发射模块，偏振分束器的输入端连接激光接收模块，高速光电探测器的输出端与电混频器的输入口连接，电混频器和低速光电探测器的输出端各自连接频率测量与数据处理模块。其中的激光发射模块和激光接收模块可以单独设置，也可以集成在一起，例如两者共用一套光束准直系统，并利用光环行器实现探测光和回波信号的分离。
该装置中延时信息和多普勒频移信息的提取原理如下：
所述本振光为未调制光信号。将激光回波A和本振光同时导入高速光电探测器，拍频产生线性调频电信号A1。该信号为偏振调制信号的正一阶边带相对于光载波的瞬时频率偏移：
Ebeat(t)＝A1exp{j2π[f0+kt(t-τ)+fd]t}
本振微波信号由所述线性调频微波信号中分束得到，可以表示为：
ELO(t)＝A0exp(j2πft)＝A0exp(j2π(f0+kt)t)
线性调频电信号A1通过与本振微波信号在电混频器中进行混频后，可得到单频电信号A2：
Edelay(t)∝exp[j2π(kτ+fd)t]＝exp[j2π(fa)t]
与此同时，将激光回波B和本振光同时导入低速光电探测器，拍频产生单频电信号B1。该信号为偏振调制信号的光载波的多普勒频移：
Edoppler∝exp(j2πfdt)
根据以下公式，通过频率测量与数据处理模块进行数据处理可以最终获得待测物体的距离信息和速度信息：
fR＝fa-fd＝kτ
可以看出，由于本发明技术方案中的测距与测速是分开进行的，因此能极大地降低相位噪声，提高测量的信噪比和精确性。

Claims (10)

1.一种基于偏振调制的激光测量方法，用于同时测量待测物体的距离和速度信息；其特征在于，首先利用偏振调制器将线性调频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中奇数阶边带信号与包含载波信号在内的偶数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；然后将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除，得到仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号，并将其作为探测光向待测物发射；令待测物所反射的回波信号经过偏振分束器，形成两路偏振正交的回波信号，其中一路回波信号A携有上述另一侧的一阶边带信号和延时信息，另一路回波信号B携有载波信号和多普勒频移信息；从回波信号A中提取出回波信号的延时信息，并依据延时信息获得待测物体的距离信息，从回波信号B中提取出多普勒频移信息，并依据多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，按照以下方法从回波信号A中提取出回波信号的延时信息：先将回波信号A与本振光信号进行拍频，得到包含回波信号延时信息的线性调频电信号A1；然后将线性调频电信号A1与本振微波信号进行混频，得到包含回波信号的延时信息的单频电信号A2；最后从单频电信号A2中提取出回波信号的延时信息；所述本振光信号为从所述光载波信号中分束获得，所述本振微波信号为从所述线性调频微波信号中分束获得。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，按照以下方法从回波信号B中提取出多普勒频移信息：将回波信号B与本振光信号进行拍频，得到包含多普勒频移信息的单频电信号B1；然后从单频电信号B1中提取出多普勒频移信息；所述本振光信号为从所述光载波信号中分束获得。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述线性调频微波信号为锯齿波。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于，利用光滤波器将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除。
6.一种基于偏振调制的激光雷达，用于同时测量待测物体的距离和速度信息；其特征在于，所述激光雷达包括：
偏振调制单元，用于利用偏振调制器将线性调频微波信号调制于光载波上，产生偏振调制光信号，其中奇数阶边带信号与包含载波信号在内的偶数阶边带信号分别处于正交的两个偏振态上；
边带去除单元，用于将所述偏振调制光信号中的一侧边带去除，得到仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号；
发射单元，用于将边带去除单元所产生的仅包含载波信号和另一侧边带的偏振调制光信号作为探测光向待测物体发射；
接收单元，用于接收待测物体所反射的回波信号；
偏振分束单元，用于将待测物体所反射的回波信号分束成两路偏振正交的回波信号，其中一路回波信号A携有上述另一侧的一阶边带信号和延时信息，另一路回波信号B携有载波信号和多普勒频移信息；
信息提取单元，用于从回波信号A中提取出回波信号的延时信息，并依据延时信息获得待测物体的距离信息，从回波信号B中提取出多普勒频移信息，并依据多普勒频移信息获得待测物体的速度信息。
7.如权利要求6所述激光雷达，其特征在于，所述信息提取单元包括用于从回波信号A中提取出回波信号的延时信息的延时信息提取模块，所述延时信息提取模块包括：
高速光电探测器，用于将回波信号A与从所述光载波信号中分束获得的本振光信号进行拍频，得到包含回波信号延时信息的线性调频电信号A1；
电混频器，将线性调频电信号A1与从所述线性调频微波信号中分束获得的本振微波信号进行混频，得到包含回波信号的延时信息的单频电信号A2；
频率测量模块，用于从单频电信号A2中提取出回波信号的延时信息。
8.如权利要求6所述激光雷达，其特征在于，所述信息提取单元包括用于从回波信号B中提取出多普勒频移信息的频移信息提取模块，所述频移信息提取模块包括：
低速光电探测器，用于将回波信号B与从所述光载波信号中分束获得的本振光信号进行拍频，得到包含多普勒频移信息的单频电信号B1；
频率测量模块，用于从单频电信号B1中提取出多普勒频移信息。
9.如权利要求6所述激光雷达，其特征在于，所述线性调频微波信号为锯齿波。
10.如权利要求6所述激光雷达，其特征在于，所述边带去除单元为光滤波器。
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