CN108594256B - 一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达。本发明针对相干激光雷达回波信号信噪比低，提取困难，提出一种采用脉冲编码技术改善系统信噪比从而增大系统动态范围的方法。本发明通过电光调制器输出脉冲编码序列编码，降低了各发射波形之间的时域互相关，并利用Golay互补序列的互补性质减小自相关旁瓣，降低了波形脉冲压缩后的旁瓣。另外，本发明按照解码规则进行解码，解决了光纤激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达。
背景技术
得益于高空分辨率和高测量精度，相干测风激光雷达是激光遥感的热点研究领域。特别值得注意的是1.5μm-2μm的全光纤相干测风激光雷达具有体积小，眼安全、易于集成等优点，是世界各国争相发展的领域。国际上从事脉冲相干激光雷达研究的单位包括NASA、NOAA、美国洛克希德马丁公司(Lockheed Martin)、美国雷神公司(Raytheon)、美国相干公司(CTI)、日本三菱公司(Mitsubishi Electric)、法国Leosphere公司、法国宇宙航空航天研究中心(ONERA)、英国SgurrEnergy公司、英国QinetiQ公司等。国内相干激光雷达的起步较晚，主要单位包括哈尔滨工业大学、电子科技大学、中国电子科技集团公司第二十七研究所、中科院上海光学精密机械研究所、中国科大、中国海洋大学等单位。
本发明的发明人经研究发现：与传统的测风手段相比，由于激光在大气传输过程中，受大气衰减及各种复杂天气状况影响，相干激光雷达接收的回波信号具有很低信噪比和和很大随机性。多普勒激光雷达信号可以描述为一个零均值复高斯随机过程的信号光附加一个统计独立的白噪声。目前，最常用的多普勒频移估计算法是周期图最大值法，即直接提取每个距离门激光雷达时域信号功率谱的最大值对应的频率值。当信噪比(SNR)较低时，频率估计是有偏的，从而增大了测量误差。提高雷达回波信号的信噪比是雷达接收机从噪声中提取回波信号的关键，也是进行后续数据分析处理的前提。
本发明的发明人进一步经研究发现：为提高信噪比，目前采用方法有增加光纤激光器的发射脉冲功率，增大望远镜口径等。采用增加发射脉冲功率的方法，在一定程度上能够提高信噪比，但目前的光纤激光器功率受限，且增大发射激光脉宽，会牺牲探测距离分辨率。采取增大望远镜口径的方法，会大大提高成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明采用通信中某些码型对探测脉冲光进行调制，并依据一定解码规则进行处理，可以提高探测距离，获得相同的距离分辨率的同时，有效提高系统的信噪比。
本发明的目的之一是提供一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达，在不牺牲探测距离分辨率的情况下，提高系统的信噪比。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达，包括：
激光器、第一分束器、电光调制器、声光调制器、信号发生器、放大器、光学收发模块、耦合器、探测器、采集卡、数据处理装置；其中：
激光器输出的激光信号进入经第一分束器后分为本振光和信号光，信号光经电光调制器后进入声光调制器，信号发生器用于分别向电光调制器和声光调制器输入预设的控制信号；所述电光调制器用于输出脉冲编码序列；从声光调制器输出的信号经放大器放大后进入光学收发模块，光学收发模块用于将输入的信号输出到大气中，并用于接收大气回波信号；从光学收发模块输出的大气回波信号和本振光经耦合器耦合后依次输出到探测器、采集卡和数据处理装置。
进一步地，所述第一分束器为光纤分束器；所述放大器为光纤放大器，所述耦合器为光纤耦合器。
进一步地，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜，所述发射望远镜用于将放大器放大的信号输出到大气中；接收望远镜用于接收大气回波信号；
所述激光器的输出端与分束器的输入端连接，分束器的第一输出端与电光调制器的输入端连接，所述的分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；
所述信号发生器分别与电光调制器和声光调制器连接；声光调制器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端口与发射望远镜的输入端连接，接收望远镜的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与探测器、采集卡、和数据处理装置依次连接。
进一步地，所述光学收发模块包括环行器和收发望远镜，
所述激光器的输出端与分束器的输入端连接，分束器的第一输出端与电光调制器的输入端连接，所述的分束器的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；
所述信号发生器分别与电光调制器和声光调制器连接；声光调制器的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端口与环行器的输入端连接，所述环行器的收发端与收发望远镜的输入端连接，所述环行器的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与探测器、采集卡、和数据处理装置依次连接。
进一步地，所述采集卡为双通道采集卡，其中，所述双通道采集卡的两个通道中，一个通道用于记录信号发生器调制产生的信号，另一个通道用于记录大气后向散射信号。
本发明还提供了一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达风速测量方法，基于脉冲编码技术的相干激光雷达，方法包括：
S1、调制电光调制器，得到M组光脉冲编码序列，分别与大气相互作用，得到M组大气回波信号；M为正整数；
S2、对得到的M组大气回波信号进行距离门的划分，在每个距离门内进行快速傅里叶变换，得到M组大气回波信号的频域信号；
S3、将得到的频域信号按照对应的光脉冲编码序列进入到光纤中的顺序进行排序，并与采集卡采集到的信号发生器调制信号按照时间先后顺序对齐，根据预设的解码规则，对得到的M组频域信号进行解码，得到大气中不同位置处的频率信息，并根据所述频率信息得到多普勒频移；
S4、根据预设的多普勒频移和风速及发射脉冲波长之间的关系，得到大气风速信息。
进一步地，步骤S3之前，还包括：
多次重复步骤S1、S2，得到多组的频域信号；
对得到的频域信号进行累加，得到平均后的多组激光雷达的频域信号。
进一步地，M为4；
所述步骤S3中，根据预设的解码规则，对得到的M组频域信号进行解码，得到大气中不同位置处的频率信息，包括：
将第一组光脉冲编码序列信号Uk(t)的回波信号和第二组光脉冲编码序列信号
产生的回波信号的频谱相减，将第三组光脉冲编码序列信号Wk和第四组光脉冲编码序列信号
产生的回波信号的频谱相减；其中，
Ak、Bk为Golay脉冲编码信号；
其中，N表示码长，k表示对应编码序列中的序号，a、b表示由“+1”和“-1”构成N阶序列；
根据公式
得到大气后向散射频谱，根据大气后向散射频谱得到大气中不同位置处的频率信息；式中
分别对应于编码脉冲Uk、
Wk、
产生的频谱；函数corr表示取相关。
本发明提供的一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达，激光器输出的激光信号进入经第一分束器后分为本振光和信号光，信号光经电光调制器后进入声光调制器，信号发生器用于分别向电光调制器和声光调制器输入预设的控制信号；电光调制器输出脉冲编码序列；从声光调制器输出的信号经放大器放大后进入光学收发模块，光学收发模块用于将输入的信号输出到大气中，并用于接收大气回波信号；从光学收发模块输出的大气回波信号和本振光经耦合器耦合后依次输出到探测器、采集卡和数据处理装置。本发明通过电光调制器输出脉冲编码序列编码，降低了各发射波形之间的时域互相关，并利用Go l ay互补序列的互补性质减小自相关旁瓣，降低了波形脉冲压缩后的旁瓣。另外，本发明按照预定的解码规则进行解码，解决了光纤激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明公开的一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达的一个示意图；
图2为本发明公开的一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达的另一示意图；
图3为本发明公开的编码前后相干激光雷达的脉冲发射示意图；
图4(a)为序列Ak的自相关函数的示意图；
图4(b)为序列Bk的自相关函数的示意图；
图4(c)为序列Ak和Bk自相关函数之和的示意图；
图5为本发明中脉冲编码相干激光雷达信号解码流程图；
图6(a)为模拟的相干激光雷达信号距离与风速对应关系的频谱图；
图6(b)为模拟的相干激光雷达信号距离与电流对应关系的频谱图；
图7(a)为相干激光雷达编码前的反演得到的频谱图；
图7(b)为相干激光雷达编码后的反演得到的频谱图；
图8(a)为传统的相干激光雷达系统经过脉冲累加反演后得到的风速结果；
图8(b)为脉冲编码系统累加后的反演的到的风速结果。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
下面的描述中，为描述的清楚和简明，并没有对图中所示的所有多个部件进行描述。附图中示出了多个部件为本领域普通技术人员提供本发明的完全能够实现的公开内容。对于本领域技术人员来说，许多部件的操作都是熟悉而且明显的。
实施例1：
如图1所示，本发明提供了一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达，包括：激光器1、第一分束器、电光调制器3、声光调制器4、信号发生器5、放大器、光学收发模块、耦合器、探测器10、采集卡11、数据处理装置；其中：
激光器1输出的激光信号进入经第一分束器后分为本振光和信号光，信号光经电光调制器3后进入声光调制器4，信号发生器5用于分别向电光调制器3和声光调制器4输入预设的控制信号；所述电光调制器3用于输出脉冲编码序列；从声光调制器4输出的信号经放大器放大后进入光学收发模块，光学收发模块用于将输入的信号输出到大气中，并用于接收大气回波信号；从光学收发模块输出的大气回波信号和本振光经耦合器耦合后依次输出到探测器10、采集卡11和数据处理装置。
电光调制器也称为EOM，声光调制器也称为AOM。本发明的电光调制器EOM用来产生编码脉冲，是核心器件。在本发明实施例中，AOM用来产生80MHz的频移。
所述激光器1为连续光激光器；进一步地，所述第一分束器为光纤分束器2，当然，第一分束器还可以是其他分束器，例如棱镜；所述放大器为光纤放大器EDFA6，所述耦合器为光纤耦合器9。
进一步地，所述光学收发模块包括发射望远镜7和接收望远镜8，所述发射望远镜7用于将放大器放大的信号输出到大气中；接收望远镜8用于接收大气回波信号；
所述激光器1的输出端与分束器2的输入端连接，分束器2的第一输出端与电光调制器3的输入端连接，所述的分束器2的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；
所述信号发生器5分别与电光调制器3和声光调制器4连接；声光调制器4的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端口与发射望远镜7的输入端连接，接收望远镜8的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与探测器10、采集卡11、和数据处理装置依次连接。数据处理装置可以是电脑9或计算机。
进一步地，所述采集卡11为双通道采集卡，其中，所述双通道采集卡的两个通道中，一个通道用于记录信号发生器调制产生的信号，另一个通道用于记录大气后向散射信号。
本发明还提供了一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达风速测量方法，基于脉冲编码技术的相干激光雷达，方法包括：
S1、调制电光调制器，得到M组光脉冲编码序列，分别与大气相互作用，得到M组大气回波信号；M为正整数；
S2、对得到的M组大气回波信号进行距离门的划分，在每个距离门内进行快速傅里叶变换，得到M组大气回波信号的频域信号；
S3、将得到的频域信号按照对应的光脉冲编码序列进入到光纤中的顺序进行排序，并与采集卡采集到的信号发生器调制信号按照时间先后顺序对齐，根据预设的解码规则，对得到的M组频域信号进行解码，得到大气中不同位置处的频率信息，并根据所述频率信息得到多普勒频移；
S4、根据预设的多普勒频移和风速及发射脉冲波长之间的关系，得到大气风速信息。
进一步地，步骤S3之前，还包括：
多次重复步骤S1、S2，得到多组的频域信号；
对得到的频域信号进行累加，得到平均后的多组激光雷达的频域信号。
进一步地，M为4；
所述步骤S3中，根据预设的解码规则，对得到的M组频域信号进行解码，得到大气中不同位置处的频率信息，包括：
将第一组光脉冲编码序列信号Uk(t)的回波信号和第二组光脉冲编码序列信号
产生的回波信号的频谱相减，将第三组光脉冲编码序列信号Wk和第四组光脉冲编码序列信号
产生的回波信号的频谱相减；其中，
Ak、Bk为Golay脉冲编码信号；
其中，N表示码长，k表示对应编码序列中的序号，a、b表示由“+1”和“-1”构成N阶序列；
根据公式
得到大气后向散射频谱，根据大气后向散射频谱得到大气中不同位置处的频率信息；式中
分别对应于编码脉冲Uk、
Wk、
产生的频谱；函数corr表示取相关。
下面以一个具体实施场景对本发明的方案进一步阐释。
如图1所示，激光器1的输出端与光纤分束器2的输入端连接，光纤分束器2输出端a与EOM3的输入端连接，所述的光纤分束器2的输出端与光纤耦合器9的第一输入端连接。
所述的EOM3的输出端和信号发生器5的输出端分别和电光调制器3和声光调制器4连接；光开关4的输出端与EDFA6的输入端连接，EDFA6的输出端口与发射望远镜连接，激光经由大气，返回到接收望远镜8，并与光纤耦合器9的第二输入端口连接，本振光和探测光经由探测器10，探测器10的输出端和采集卡11的输入端连接，采集卡11的输出端和电脑12连接。
图3为本发明公开的编码前后相干激光雷达的脉冲发射示意图。图3的上面一行为编码前的相干激光雷达的脉冲发射示意图，图3的下面一行为编码后的相干激光雷达的脉冲发射示意图。本发明实施例中采用Golay互补脉冲序列。Golay互补脉冲序列的结构方式通常由低阶的互补序列构成高阶的互补序列，即将一序列b接在一序列a的后面形成一高阶序列，再将序列b的反码
接在a的后面形成一个高阶序列，从而构成一对互补序列。即：
Golay互补码包含一对双极性码，然而，由于在光纤中只能传输正的光脉冲，因此不能像在电域或声域中使用双极性的互补序列。本发明为了解决上述问题，通过偏置的方法，通过传送4组单极性正脉冲，从而达到与Golay双极性脉冲相同的效果。即：
图4(a)、图4(b)和图4(c)展示了采用的Golay脉冲序列相关函数及其和的函数示意。图4(a)为序列Ak的自相关函数的示意图；图4(b)为序列Bk的自相关函数的示意图；图4(c)为序列Ak和Bk自相关函数之和的示意图。从图中可以看出Golay互补码具有很好的自相关性，降低了波形脉冲压缩后的旁瓣。
图5为本发明中脉冲编码相干激光雷达信号解码流程图。
首先对得到的四组激光雷达信号进行距离门的划分，在每个距离门内进行快速傅里叶变换，得到4组激光雷达的频域信号。重述上述步骤N次，对得到的频域信号进行累加，得到平均后的4组激光雷达的频域信号。
进一步，将第一和第二组单极性脉冲产生的后向散射信号频谱相减，并将第三和第四组单极性脉冲产生的后向散射信号频谱相减。
进一步的，将Golay互补序列的第一码Ak与上一步中第一组和第二组单极性码相减结果取相关。Golay互补序列的第二码Bk与上一步中第三组和第四组单极性码相减结果取相关。
最后将上一步得到的两组结果相加，即：
式中
表示编码脉冲Uk、
Wk、
产生的频谱。corr表示取相关。在得到后向散射频谱后，采用周期图最大值法，对每个距离门的功率谱的最大值所对应的频率值进行提取，该频率值即为多普勒频移值，得到每个距离门处的多普勒频移值后，根据多普勒频移和大气风速之间的关系Δν＝2V/λ(Δν表示多普勒频移，V表示风速)，反演出最后的风速信息，λ为发射激光波长。
需要说明的是，大气的后向散射谱是时域信号做FFT变换后的得到的，假设时域信号有10000个点，每100个点划分为一个距离门，共100个距离门。每个距离门进行FFT,得到的就是大气的后向散射谱，每个频谱中都有一个峰值，提取这个峰值所对应的值，这个值就是对应该距离门的多普勒信号，即大气中该位置的频率信息。大气中频率信息是根据大气后向散射谱提取得到的。
图7(a)为相干激光雷达编码前的反演得到的频谱图；图7(b)为相干激光雷达编码后的反演得到的频谱图。可见，采用脉冲编码技术后，信噪比得到了提高。为了评估提出的脉冲编码技术对信噪比的影响，对传统的单脉冲相干激光雷达信号进行累加平均。对编码系统的频域信号取2500次累加平均，由于解码一组编码信号需要四组时域信号，为了使传统的单脉冲相干激光雷达和编码的相干激光雷达测量次数相同，对传统相干激光雷达的频域信号进行10000次叠加，得到了如图6(a)和图6(b)所示的频谱图，图6(a)为模拟的相干激光雷达信号距离与风速对应关系的频谱图；图6(b)为模拟的相干激光雷达信号距离与电流对应关系的频谱图，可见，使用编码技术后，提高了探测距离，系统信噪比提高。
图8(a)为传统的相干激光雷达系统经过脉冲累加反演后得到的风速结果；图8(b)为脉冲编码系统累加后的反演的到的风速结果。从图8(a)和图8(b)可见，采用脉冲编码可提高风速反演的信噪比。
本发明的保护范围不限于Golay脉冲编码，其他编码形式，包括但不限于Simplex码、CCPOMS码等也在本发明的保护范围内。其中Simplex码是从归一化的Hadamard矩阵中得到的，其中Hadamard矩阵满足HHT＝nIn，其中In为单位矩阵。去掉Hadamard矩阵的第一行与第一列，并将其中的元素“0”替换为“1”，“1”替换成“-1”，则矩阵中每一行码都为Simplex码，Simplex码为单极性码，可以用于激光雷达系统中。CCPOMS源于Golay和Shapiro编码思想，其构造方式如下，
其中
为两行互补的Golay码。按照上述扩展方式可得到2m×2m的矩阵。CCPOMS码为双极性码，需要将其转换为单极性码应用到激光雷达系统中。不同的编码方式对应不同的解码方式。
本发明实施例提供的一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达具有如下有益效果：
1)Golay互补序列构成的脉冲串进行空时编码，降低各发射波形之间的时域互相关，并利用Golay互补序列的互补性质减小自相关旁瓣，降低了波形脉冲压缩后的旁瓣。
2)使用Golay编码脉冲作为相干激光雷达的探测脉冲，解决了光纤激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。
实施例2：
如图2所示，本发明提供了一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达，包括：激光器1、第一分束器、电光调制器3、声光调制器4、信号发生器5、放大器、光学收发模块、耦合器、探测器10、采集卡11、数据处理装置；其中：
激光器1输出的激光信号进入经第一分束器后分为本振光和信号光，信号光经电光调制器3后进入声光调制器4，信号发生器5用于分别向电光调制器3和声光调制器4输入预设的控制信号；所述电光调制器3用于输出脉冲编码序列；从声光调制器4输出的信号经放大器放大后进入光学收发模块，光学收发模块用于将输入的信号输出到大气中，并用于接收大气回波信号；从光学收发模块输出的大气回波信号和本振光经耦合器耦合后依次输出到探测器10、采集卡11和数据处理装置。
电光调制器也称为EOM，声光调制器也称为AOM。
所述激光器1为连续光激光器；进一步地，所述第一分束器为光纤分束器2，当然，第一分束器还可以是其他分束器，例如棱镜；所述放大器为光纤放大器EDFA6，所述耦合器为光纤耦合器9。
进一步地，所述光学收发模块包括环行器71和收发望远镜81，所述激光器1的输出端与分束器2的输入端连接，分束器2的第一输出端与电光调制器3的输入端连接，所述的分束器2的第二输出端与耦合器的第一输入端连接；
所述信号发生器5分别与电光调制器3和声光调制器4连接；声光调制器4的输出端与放大器的输入端连接，放大器的输出端口与环行器71的输入端连接，所述环行器71的收发端与收发望远镜81的输入端连接，所述环行器71的输出端与耦合器的第二输入端连接，耦合器的输出端与探测器10、采集卡11、和数据处理装置依次连接。
进一步地，所述采集卡11为双通道采集卡，其中，所述双通道采集卡的两个通道中，一个通道用于记录信号发生器调制产生的信号，另一个通道用于记录大气后向散射信号。
本发明还提供了一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达风速测量方法，基于脉冲编码技术的相干激光雷达，方法包括：
S1、调制电光调制器，得到M组光脉冲编码序列，分别与大气相互作用，得到M组大气回波信号；M为正整数；
S2、对得到的M组大气回波信号进行距离门的划分，在每个距离门内进行快速傅里叶变换，得到M组大气回波信号的频域信号；
S3、将得到的频域信号按照对应的光脉冲编码序列进入到光纤中的顺序进行排序，并与采集卡采集到的信号发生器调制信号按照时间先后顺序对齐，根据预设的解码规则，对得到的M组频域信号进行解码，得到大气中不同位置处的频率信息，并根据所述频率信息得到多普勒频移；
S4、根据预设的多普勒频移和风速及发射脉冲波长之间的关系，得到大气风速信息。
进一步地，步骤S3之前，还包括：
多次重复步骤S1、S2，得到多组的频域信号；
对得到的频域信号进行累加，得到平均后的多组激光雷达的频域信号。
进一步地，M为4；
所述步骤S3中，根据预设的解码规则，对得到的M组频域信号进行解码，得到大气中不同位置处的频率信息，包括：
将第一组光脉冲编码序列信号Uk(t)的回波信号和第二组光脉冲编码序列信号
产生的回波信号的频谱相减，将第三组光脉冲编码序列信号Wk和第四组光脉冲编码序列信号
产生的回波信号的频谱相减；其中，
Ak、Bk为Golay脉冲编码信号；
其中，N表示码长，k表示对应编码序列中的序号，a、b表示由“+1”和“-1”构成N阶序列；
根据公式
得到大气后向散射频谱，根据大气后向散射频谱得到大气中不同位置处的频率信息；式中
分别对应于编码脉冲Uk、
Wk、
产生的频谱；函数corr表示取相关。
下面以一个具体实施场景对本发明的方案进一步阐释。
图3为本发明公开的编码前后相干激光雷达的脉冲发射示意图。图3的上面一行为编码前的相干激光雷达的脉冲发射示意图，图3的下面一行为编码后的相干激光雷达的脉冲发射示意图。本发明实施例中采用Golay互补脉冲序列。Golay互补脉冲序列的结构方式通常由低阶的互补序列构成高阶的互补序列，即将一序列b接在一序列a的后面形成一高阶序列，再将序列b的反码
接在a的后面形成一个高阶序列，从而构成一对互补序列。即：
Golay互补码包含一对双极性码，然而，由于在光纤中只能传输正的光脉冲，因此不能像在电域或声域中使用双极性的互补序列。本发明为了解决上述问题，通过偏置的方法，通过传送4组单极性正脉冲，从而达到与Golay双极性脉冲相同的效果。即：
图4为本发明中采用的Golay脉冲序列相关函数及其和的函数示意图。图4(a)为序列Ak的自相关函数；图4(b)为序列Bk的自相关函数；图4(c)为序列Ak和Bk自相关函数之和。从图中可以看出Golay互补码具有很好的自相关性，降低了波形脉冲压缩后的旁瓣。
图5为本发明中脉冲编码相干激光雷达信号解码流程图。
首先对得到的四组激光雷达信号进行距离门的划分，在每个距离门内进行快速傅里叶变换，得到4组激光雷达的频域信号。重述上述步骤N次，对得到的频域信号进行累加，得到平均后的4组激光雷达的频域信号。
进一步，将第一和第二组单极性脉冲产生的后向散射信号频谱相减，并将第三和第四组单极性脉冲产生的后向散射信号频谱相减。
进一步的，将Golay互补序列的第一码Ak与上一步中第一组和第二组单极性码相减结果取相关。Golay互补序列的第二码Bk与上一步中第三组和第四组单极性码相减结果取相关。
最后将上一步得到的两组结果相加，即：
式中
表示编码脉冲Uk、
Wk、
产生的频谱。corr表示取相关。在得到后向散射频谱后，采用周期图最大值法，对每个距离门的功率谱的最大值所对应的频率值进行提取，该频率值即为多普勒频移值，得到每个距离门处的多普勒频移值后，根据多普勒频移和大气风速之间的关系Δν＝2V/λ(Δν表示多普勒频移，V表示风速)，反演出最后的风速信息，λ为发射激光波长。
需要说明的是，大气的后向散射谱是时域信号做FFT变换后的得到的，假设时域信号有10000个点，每100个点划分为一个距离门，共100个距离门。每个距离门进行FFT,得到的就是大气的后向散射谱，每个频谱中都有一个峰值，提取这个峰值所对应的值，这个值就是对应该距离门的多普勒信号，即大气中该位置的频率信息。大气中频率信息是根据大气后向散射谱提取得到的。
图7为相干激光雷达编码前后的反演得到的频谱图。图7a为相干激光雷达编码前的反演得到的频谱图；图7b为相干激光雷达编码后的反演得到的频谱图。可见，采用脉冲编码技术后，信噪比得到了提高。为了评估提出的脉冲编码技术对信噪比的影响，对传统的单脉冲相干激光雷达信号进行累加平均。对编码系统的频域信号取2500次累加平均，由于解码一组编码信号需要四组时域信号，为了使传统的单脉冲相干激光雷达和编码的相干激光雷达测量次数相同，对传统相干激光雷达的频域信号进行10000次叠加，得到了如图6所示的频谱图，图6a为距离和风速对应关系的频谱图；图6b从图6发现，使用编码技术后，提高了探测距离，系统信噪比提高。
图8为相干激光雷达编码前后反演得到的风速图。图8(a)为传统的相干激光雷达系统经过脉冲累加反演后得到的风速结果；图8(b)为脉冲编码系统累加后的反演的到的风速结果。从图8可见，采用脉冲编码可提高风速反演的信噪比。
本发明的保护范围不限于Golay脉冲编码，其他编码形式，包括但不限于Simplex码、CCPOMS码等也在本发明的保护范围内。其中Simplex码是从归一化的Hadamard矩阵中得到的，其中Hadamard矩阵满足HHT＝nIn，其中In为单位矩阵。去掉Hadamard矩阵的第一行与第一列，并将其中的元素“0”替换为“1”，“1”替换成“-1”，则矩阵中每一行码都为Simplex码，Simplex码为单极性码，可以用于激光雷达系统中。CCPOMS源于Golay和Shapiro编码思想，其构造方式如下：
其中
为两行互补的Golay码。按照上述扩展方式可得到2m×2m的矩阵。CCPOMS码为双极性码，需要将其转换为单极性码应用到激光雷达系统中。不同的编码方式对应不同的解码方式。
本发明实施例提供的一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达具有如下有益效果：
1)Golay互补序列构成的脉冲串进行空时编码，降低各发射波形之间的时域互相关，并利用Golay互补序列的互补性质减小自相关旁瓣，降低了波形脉冲压缩后的旁瓣。
2)使用Golay编码脉冲作为相干激光雷达的探测脉冲，解决了光纤激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。
以上例子主要说明了本发明提供的系统和方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (6)
1.一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达，其特征在于，包括：
激光器(1)、第一分束器(2)、电光调制器(3)、声光调制器(4)、信号发生器(5)、放大器(6)、光学收发模块、耦合器(9)、探测器(10)、采集卡(11)、数据处理装置(12)；其中：
所述激光器(1)输出的激光信号进入经所述第一分束器(2)后分为本振光和信号光，所述信号光经电光调制器(3)后进入声光调制器(4)，所述信号发生器(5)用于分别向电光调制器(3)和声光调制器(4)输入预设的控制信号；所述电光调制器(3)用于输出脉冲编码序列；从声光调制器(4)输出的信号经放大器(6)放大后进入光学收发模块，光学收发模块用于将输入的信号输出到大气中，并用于接收大气回波信号；从光学收发模块输出的大气回波信号和本振光经耦合器(9)耦合后依次输出到探测器(10)、采集卡(11)和数据处理装置(12)；
所述脉冲编码序列包括：
Ak、Bk为Golay脉冲编码信号；
其中，N表示码长，k表示对应编码序列中的序号，a、b表示由“+1”和“-1”构成N阶序列；
一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达风速测量方法，基于上述一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达，包括：
S1、调制电光调制器，得到M组光脉冲编码序列，分别与大气相互作用，得到M组大气回波信号；M为正整数；
S2、对得到的M组大气回波信号进行距离门的划分，在每个距离门内进行快速傅里叶变换，得到M组大气回波信号的频域信号；
S3、将得到的频域信号按照对应的光脉冲编码序列进入到光纤中的顺序进行排序，并与采集卡采集到的信号发生器调制信号按照时间先后顺序对齐，根据预设的解码规则，对得到的M组频域信号进行解码，得到大气中不同位置处的频率信息，并根据所述频率信息得到多普勒频移；
S4、根据预设的多普勒频移和风速及发射脉冲波长之间的关系，得到大气风速信息；
M为4；
所述步骤S3中，根据预设的解码规则，对得到的M组频域信号进行解码，得到大气中不同位置处的频率信息，包括：
将第一组光脉冲编码序列信号Uk(t)的回波信号和第二组光脉冲编码序列信号
产生的回波信号的频谱相减，将第三组光脉冲编码序列信号Wk和第四组光脉冲编码序列信号
产生的回波信号的频谱相减；其中，
Ak、Bk为Golay脉冲编码信号；
其中，N表示码长，k表示对应编码序列中的序号，a、b表示由“+1”和“-1”构成N阶序列；
根据公式
得到大气后向散射频谱，根据大气后向散射频谱得到大气中不同位置处的频率信息；式中
分别对应于编码脉冲Uk、
Wk、
产生的频谱；函数corr表示取相关。
2.根据权利要求1所述的基于脉冲编码技术的相干激光雷达，其特征在于，所述第一分束器(2)为光纤分束器；所述放大器(6)为光纤放大器，所述耦合器(9)为光纤耦合器。
3.根据权利要求2所述的基于脉冲编码技术的相干激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括发射望远镜(7)和接收望远镜(8)，所述发射望远镜(7)用于将放大器(6)放大的信号输出到大气中；接收望远镜(8)用于接收大气回波信号；
所述激光器(1)的输出端与分束器(2)的输入端连接，分束器(2)的第一输出端与电光调制器(3)的输入端连接，所述的分束器(2)的第二输出端与耦合器(9)的第一输入端连接；
所述信号发生器(5)分别与电光调制器(3)和声光调制器(4)连接；声光调制器(4)的输出端与放大器(6)的输入端连接，放大器(6)的输出端口与发射望远镜(7)的输入端连接，接收望远镜(8)的输出端与耦合器(9)的第二输入端连接，耦合器(9)的输出端与探测器(10)、采集卡(11)、和数据处理装置(12)依次连接。
4.根据权利要求2所述的基于脉冲编码技术的相干激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括环行器(71)和收发望远镜(81)，
所述激光器(1)的输出端与分束器(2)的输入端连接，分束器(2)的第一输出端与电光调制器(3)的输入端连接，所述的分束器(2)的第二输出端与耦合器(9)的第一输入端连接；
所述信号发生器(5)分别与电光调制器(3)和声光调制器(4)连接；声光调制器(4)的输出端与放大器(6)的输入端连接，放大器(6)的输出端口与环行器(71)的输入端连接，所述环行器(71)的收发端与收发望远镜(81)的输入端连接，所述环行器(71)的输出端与耦合器(9)的第二输入端连接，耦合器(9)的输出端与探测器(10)、采集卡(11)、和数据处理装置(12)依次连接。
5.根据权利要求1所述的基于脉冲编码技术的相干激光雷达，其特征在于，所述采集卡(11)为双通道采集卡，其中，所述双通道采集卡的两个通道中，一个通道用于记录信号发生器调制产生的信号，另一个通道用于记录大气后向散射信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于脉冲编码技术的相干激光雷达，其特征在于，步骤S3之前，还包括：
多次重复步骤S1、S2，得到多组的频域信号；
对得到的频域信号进行累加，得到平均后的多组激光雷达的频域信号。
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| GR01 | Patent grant | ||
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