CN108897003B - 一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法，涉及应用于相控阵激光雷达的扫描高分辨与凝视高帧频双模控制系统及方法，属激光雷达探测技术领域。本发明通过扫描高分辨与凝视高帧频两种工作模式的实时切换，既能实现远距离大视场目标探测，又能对可疑目标进行小视场快速跟踪，解决激光雷达图像分辨率与成像速率难以兼顾的难题；为精确提取可疑目标的特征信息及其所处场景信息，利用多面阵APD阵列双模信息并行读出技术，同时获得可疑目标的距离像与强度像，通过计算机图像采集处理系统实现距离像和强度像的快速融合，对多面阵图像进行快速拼接，从而得到可疑目标高分辨、大幅面的三维图像。本发明有利于满足相控阵激光雷达的成像探测需求。

Description

一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于相控阵激光雷达的扫描高分辨与凝视高帧频双模控制系统及方法，属激光雷达探测技术领域。

背景技术

与传统机械扫描雷达发射系统相比，相控阵激光雷达因为具有惯性小、扫描速率快、灵敏度高等优点，在军事侦察、多目标追踪、地形测绘等诸多领域中，有极其广阔的应用前景。但是，这些领域的可疑目标具有复杂多样且随机性强的特点，而现有的相控阵激光雷达由于发射功率低、扫描范围小、和成像速率慢，无法满足当今探测领域的应用需求。因此，实现大视场、快速、高分辨成像，是相控阵激光雷达亟需解决的一大难题。

为了实现对可疑或感兴趣目标的高精度侦察与识别，相控阵激光三维成像雷达需提供更大幅面、更高分辨率的三维图像，而呈现出可疑目标的细节特征。同时对于可疑的动态目标，由于其散布范围较大、隐身性较强，需要成像系统及时提供高帧频视频图像，满足动态感知要求。相控阵激光雷达通常有两种工作模式，即扫描高分辨成像模式和凝视高帧频成像模式。当激光雷达工作在扫描成像模式下，它具有大视场、高分辨、远距离的成像特点，而成像视场越大意味着所需的像元素量越多，像元素量越多所需的读出时间也越长，则帧频越低，即成像速率受到了一定的限制，从而影响相控阵激光雷达高分辨动态感知性能；当激光雷达工作在凝视成像模式时，它具有成像速率快和测距精度高等优点，能够对可疑目标或感兴趣目标进行实时跟踪监测，但是其成像视场较窄，不适合相控阵激光雷达进行大视场多目标的侦察识别。由此可见，两种成像模式的优点不能被很好地保留和发挥。

从目前看来，现有的相控阵激光雷达又无法兼顾远距离、大视场、高分辨、快速成像需求。

发明内容

本发明公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法，要解决的技术问题是：为相控阵激光雷达提供一种扫描高分辨与凝视高帧频双模控制系统，互补两种工作模式在各自成像质量上的缺陷，能同时利用起高帧频凝视成像与高分辨扫描成像的优势，实现远距离、大视场、快速、高分辨成像，因此，更有利于满足相控阵激光雷达的成像探测需求。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，通过扫描高分辨与凝视高帧频两种工作模式的实时切换，既能实现远距离大视场目标探测，又能对可疑目标进行小视场快速跟踪，解决激光雷达图像分辨率与成像速率难以兼顾的技术难题。为精确提取出可疑目标的特征信息及其所处的场景信息，利用多面阵APD阵列双模信息并行读出技术，同时获得可疑目标的距离像与强度像，再通过计算机图像采集处理系统实现距离像和强度像的快速融合，并对多面阵图像进行快速拼接，从而得到可疑目标高分辨、大幅面的三维图像。

本发明公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，是基于扫描高分辨与凝视高帧频双模控制的多光束多面阵激光雷达系统，包括计算机图像采集处理系统、高速并行采集与计时模块、光源驱动模块、主控电路模块、同步控制电路模块、光纤阵列相控阵发射系统和接收系统。

高速并行采集与计时模块包括通讯端口和四个APD探测器阵列读出电路模块A、B、C、D。其中，四个APD探测器阵列读出电路模块A、B、C、D包括：跨阻放大电路、低通滤波电路、差分互相关滤波器、时刻鉴别电路、峰值保持电路和嵌入式高速信号处理平台。

光纤阵列相控阵发射系统包括外差法相控系统、连续光纤激光器、分束器、光纤、电光调制器、相位调制器、光隔离器、连续光纤放大器、准直扩束器、采样器、相控阵偏转结构和移频器。

外差法相控系统包括射频参考振荡器、合成器、多路复用器、探测器和透镜。

接收系统包括四个基于小像元素面阵的APD阵列探测器。

光源驱动模块驱动连续光纤激光器产生高功率连续激光；激光由分束器被分成一路参考光束和N路信号光，其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器后被移频，用于外差拍频；N路信号光占总光强90％以上的能量，N路信号光经光纤通过受控于脉冲触发的电光调制器形成脉冲光束，并对脉冲光的振幅进行放大传输给相位调制器；相位调制器对脉冲光进行相位调制后，经过光隔离器传输给连续光纤放大器，光纤放大器再次对N路脉冲光的功率进行放大后传输给准直扩束器；准直扩束器对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束后传输给采样器；N路脉冲光95％以上穿过采样器，在空间上相干合成一束高功率激光；另外5％以下与小部分参考光进行外差拍频，拍频后照射到探测器上，得到相对于参考信号的相位差；探测器将N个变化的相位信息数据传输到多路复用器内，多路复用器将N个输入通道的相位电信号复用到输出通道上，然后再传输给合成器；合成器对射频参考振荡器输出的参考相位信号与变化后的相位信号分析比对后，按照外差锁相控制算法生成各路光束的相位控制电压信号，实时将N路补偿后的相位电压信号反馈给相位调制器，相位调制器对N路脉冲信号光的相位进行调制，经过多次重复此过程，直至N路脉冲信号光的相位信息与参考相位相同为止，而实现输出光束的相位能够符合预设角度下光束相干合成要求。

本发明公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统的工作方法，包括如下步骤：

步骤一、高速并行采集与计时模块、光源驱动模块、主控电路模块、同步控制电路模块以及计算机图像采集处理系统开始工作。

高速并行采集计时模块开始工作，并根据雷达探测需求，由通讯端口向主控电路模块传递扫描角度信息、激光功率信息、探测距离信息以及外界环境等信息。主控电路模块将扫描角度信息传输到同步控制电路模块，同步控制电路模块向四套光纤阵列相控阵发射系统发出扫描工作模式或凝视工作模式电信号，然后四套光纤阵列相控阵发射系统开始并行扫描或凝视工作；同时，主控电路模块将需求的激光功率信息传输到光源驱动模块，光源驱动模块为连续光纤激光器提供精稳的驱动，根据所选用光纤激光器的工作原理及其性能，分别驱动四套光纤阵列相控阵发射系统中四个连续光纤激光器产生高功率连续激光，为后续N路脉冲信号光相干合成做准备。

步骤二、四套光纤阵列相控阵发射系统根据同步控制电路模块提供的扫描或凝视工作电信号开始工作，根据某预设角度下探测需求，在空间上相干合成四束高功率激光，分别用于A2,B2,C2,D2四个区域探测。

四个连续光纤激光器在光源驱动模块的驱动下产生四路高功率连续激光，以一套光纤阵列相控阵发射系统为例，阐述高功率脉冲激光的形成过程如下：

连续光纤激光器发出一路大功率连续激光，该路连续光由分束器被分成一路参考光和N路信号光。其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器后被移频，用于与N路信号光进行外差拍频；N路信号光占总光强90％以上的能量，N路信号光经光纤通过受控于脉冲触发的电光调制器形成脉冲光束，进而通过相位调制器、光隔离器、连续光纤放大器、准直扩束器和采样器。N路脉冲光与参考光在采样器内进行外差拍频后，N路脉冲光95％以上穿过采样器通过相控阵偏转结构实现预设角度的相干合成一束高功率激光；另外5％以下与参考光进行外差拍频，拍频后反射到外差法相控系统中的透镜聚集后被探测器接收，实现对外差拍频信号的获取，该外差拍频信号包含了参考光与信号光的相对相位信息，将该相位差信号经过多路复用器送入合成器。同时，根据扫描角度计算公式，将计算得到的N路信号光不同的射频参考相位信号由射频参考振荡器也送入合成器，再由合成器通过外差锁相算法分析比对后生成各路光束的相位控制信号，实时反馈给信号光路中的相位调制器，即可实现对每路信号光的实时相位补偿，确保输出光束的相位能够符合预设角度下光束相干合成要求。从而实现在锁相的同时，又能够针对某一预设角度的N路信号光通过相控阵偏转结构后相干合成。

其他三路高功率脉冲激光的形成过程与上述高功率脉冲激光形成过程相同。如果偏转角度发生变化，则重新给射频参考振荡器一组关于N路脉冲信号光新的相位参考值。具体锁相环节与上述锁相相同，经过多次调节后，直至N路脉冲信号光的相位信息与新的参考相位信息相同为止。

步骤三、在扫描过程中，根据探测需求，四路高功率激光需要不断改变合成光束的偏转角度，并在扫描高分辨与凝视高帧频两种工作模式下不断切换。在步骤二中光纤阵列相控阵发射系统同时发出四束高功率脉冲激光，用于A2,B2,C2,D2四个区域的并行探测，四路高功率激光先工作在扫描高分辨模式下，进行大视场、高分辨成像，A1,B1,C1,D1四路高功率激光按“弓型”方式并行扫描，此时采用空间冗余扫描的高分辨快速无缝拼接技术，将四个小像元素面阵显示的图像通过计算机图像采集处理系统拼接成大幅面高分辨率的三维图像。当可疑目标或感兴趣目标出现在该大视场区域内，主控电路模块向同步控制电路模块发送凝视成像工作模式电信号，同步控制电路模块并行控制四套光纤阵列相控阵发射系统启用凝视成像工作模式，然后对该可疑目标或感兴趣目标进行单目标跟踪。当多个目标出现在该大视场区域时，此时A1,B1,C1,D1四路高功率激光单独工作在凝视成像模式下，并借助于位移平台，实现对区域内不同位置的多个可疑目标同时跟踪，从而达到对可疑目标进行快速成像的目的。

步骤四、接收系统中四面阵APD阵列探测器的双模信息并行读出，实现远距离、大视场、快速、高分辨成像。所述的双模信息包括目标的距离信息与强度信息。

由于受到大气及其接收系统本身的噪声因素影响，脉冲激光照射到物体被反射后，由APD探测器探测到的信号及其微弱，而且回波数量非常多，因此需要对微弱回波进行高速并行处理，具体处理方法如下：

微弱回波照射到APD探测器阵列上，在恒低温、高的反偏压工作条件和相控阵特定扫描角度下，APD探测器阵列将光信号转化为电流信号传输到跨阻放大电路，跨阻放大电路将电流信号转换成电压信号并进行放大后传输给低通滤波电路，低通滤波电路滤除高频噪声后传输给差分互相关滤波器，差分互相关滤波器滤除噪声提取出微弱回波信号后，再分别同时进行时刻鉴别和峰值保持。其中，一路回波信号通过时刻鉴别电路测量出脉冲激光飞行所用的时间，用于得到目标的距离信息；另一路回波信号通过峰值保持电路将其峰值保持一定时间，并检测出电压信号的峰值，而峰值代表脉冲激光回波信号的强度，用于得到目标的强度信息。然后将输出的两路回波信号传输到嵌入式高速信号处理平台，用于回波距离像和强度像的获取，然后将目标的距离像和强度像分别由距离数据接口和强度数据接口传输到计算机图像采集处理系统，进一步将四面阵APD阵列探测器中的距离像和强度像融合、拼接出可疑目标的特征信息及其所处的场景信息，实现远距离、大视场、快速、高分辨成像。

所述嵌入式高速信号处理平台优选FPGA+ARM架构的嵌入式高速信号处理平台。

有益效果

1、本发明公开的一种双模控制技术的相控阵激光雷达系统及方法，采用多光束多区域并行扫描技术，实现大视场、快速、高分辨成像，更有利于满足相控阵激光雷达的成像探测需求。

2、本发明公开的一种双模控制技术的相控阵激光雷达系统及方法，通过在扫描高分辨与凝视高帧频两种工作模式下不断切换，可根据探测需求，同时借助于相控阵灵巧扫描与优良的指向性，配合适当的位移平台，可实现两种工作模式的实时切换，能够保留两种成像模式各自的优点，也能够解决成像速率与图像分辨率难以兼顾的问题。既能对探测区域大视场高分辨扫描，又能对不同位置的可疑目标进行小视场凝视跟踪，互补两种工作模式在各自成像质量上的缺陷。

3、本发明公开的一种双模控制技术的相控阵激光雷达系统及方法，采用的多面阵APD阵列探测器双模信息并行读出技术，并借助于FPGA+ARM架构的嵌入式高速信号处理平台，能同时获得目标的距离信息与强度信息。不仅如此，还能通过计算机图像采集处理系统实现距离像和强度像的快速融合，及其多面阵图像快速拼接，从而得到可疑目标高分辨、大幅面的三维图像，使相控阵激光雷达在有限像素的条件下，能够精确的提取出可疑目标的特征信息及其所处的场景信息。

附图说明

图1为本发明公开的一种双模控制技术的相控阵激光雷达系统示意图；

图2为基于外差法的光纤阵列相控阵发射系统原理图；

图3为25路脉冲光在空间上相干合成的高功率脉冲激光仿真图；

图4扫描高分辨与凝视高帧频双模式控制流程图；

图5为扫描高分辨成像示意图(±15°)；

图6为凝视高帧频成像示意图(±1.5°)；

图7单面阵APD探测器阵列读出模块原理框图。

其中：1—计算机图像采集处理系统、2—高速并行采集与计时模块、2.1—通讯模块、A,B,C,D—四个APD探测器阵列读出电路模块、3—光源驱动模块、4—主控电路模块、5—同步控制电路模块、6—光纤阵列相控阵发射系统、6.1—外差法相控系统、6.1.1—射频参考振荡器、6.1.2—合成器、6.1.3—多路复用器、6.1.4—探测器、6.1.5—透镜、6.2—连续光纤激光器、6.3—分束器、6.4—光纤、6.5—电光调制器、6.6—相位调制器、6.7—光隔离器、6.8—连续光纤放大器、6.9—准直扩束器、6.10—采样器、6.11—相控阵偏转结构、6.12—移频器、A1,B1,C1,D1—四束高功率光束、7—接收系统、7.1,7.2,7.3,7.4—基于小像元素面阵的APD阵列探测器。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

如图1所示，本实施例公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，是基于扫描高分辨与凝视高帧频双模控制的多光束多面阵激光雷达系统，包括计算机图像采集处理系统1、高速并行采集与计时模块2、光源驱动模块3、主控电路模块4、同步控制电路模块5、光纤阵列相控阵发射系统6和接收系统7。

高速并行采集与计时模块2包括通讯端口2.1和四个APD探测器阵列读出电路模块A、B、C、D。其中，A、B、C、D每个APD探测器阵列读出电路模块包括：跨阻放大电路、低通滤波电路、差分互相关滤波器、时刻鉴别电路、峰值保持电路和嵌入式高速信号处理平台。

光纤阵列相控阵发射系统6包括外差法相控系统6.1、连续光纤激光器6.2、分束器6.3、光纤6.4、电光调制器6.5、相位调制器6.6、光隔离器6.7、连续光纤放大器6.8、准直扩束器6.9、采样器6.10、相控阵偏转结构6.11和移频器6.12。

外差法相控系统6.1包括射频参考振荡器6.1.1、合成器6.1.2、多路复用器6.1.3、探测器6.1.4、透镜6.1.5。

接收系统7包括四个基于小像元素面阵的APD阵列探测器7.1、7.2、7.3、7.4。

光源驱动模块3驱动连续光纤激光器6.2产生高功率连续激光；连续激光由分束器6.3被分成一路参考光束和N路信号光，其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器6.12后被移频，用于外差拍频；N路信号光占总光强90％以上的能量，N路信号光经光纤通过受控于脉冲触发的电光调制器6.5形成脉冲光束，并对脉冲光的振幅进行放大传输给相位调制器6.6；相位调制器6.6对脉冲光进行相位调制后，经过光隔离器6.7传输给连续光纤放大器6.8，；连续光纤放大器6.8再次对N路脉冲光的功率进行放大后传输给准直扩束器6.9；准直扩束器6.9对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束后传输给采样器6.10；N路脉冲光95％以上穿过采样器6.10，再通过相控阵偏转结构6.11在空间上相干合成一束高功率脉冲激光；另外5％以下与小部分参考光进行外差拍频，拍频后反射到外差法相控系统6.1中的透镜6.1.5聚集后被探测器6.1.4接收，实现对外差拍频信号的获取；该外差拍频信号包含了参考光与N路脉冲光的相对相位信息，探测器6.1.4将N个相位差信息数据传输到多路复用器6.1.3内，多路复用器6.1.3将N个输入通道的相位差电信号复用到输出通道上，然后再传输给合成器6.1.2；同时，将计算得到的N路脉冲光的射频参考相位信号由射频参考振荡器6.1.1也送入合成器6.1.2；合成器6.1.2对射频参考振荡器6.1.1输出的N路参考相位信号与N路脉冲光变化后的相位信号分析比对后，按照外差锁相控制算法生成N路脉冲光的相位控制电压信号，实时将N路补偿后的相位电压信号反馈给各路的相位调制器6.6，各路的相位调制器6.6对各路脉冲信号光的相位进行调制，经过多次重复此过程，直到N路脉冲信号光的相位信息与N路参考相位信号相同为止，即完成每路信号光的实时相位补偿，确保输出的N路脉冲信号光的相位能够符合某一预设角度下光束相干合成要求。从而实现在锁相的同时，又能够针对某一预设角度的N路信号光，通过相控阵偏转结构6.11后相干合成一束高功率脉冲激光。

本实施例的一种双模控制技术的相控阵激光雷达系统及方法，包括如下步骤：

步骤一：高速并行采集计时模块2在计算机图像采集处理系统1的驱动下开始工作，并根据雷达探测需求，由通讯端口2.1向主控电路模块4传递扫描角度信息、激光功率信息、探测距离信息以及外界环境等信息。然后，主控电路模块4将扫描角度信息传输到同步控制电路模块5，同步控制电路模块5向四套光纤阵列相控阵发射系统6发射扫描或凝视工作电信号，四套光纤阵列相控阵发射系统6开始并行扫描或凝视工作，四套光纤阵列相控阵发射系统6发射的四束大功率脉冲光束(A1,B1,C1,D1)在扫描的同时，分别向高速并行采集与计时模块2发射激光脉冲，触发时刻鉴别单元而得到起始信号，当大功率脉冲激光经目标反射回来被接收系统7中的基于小像元素面阵的APD阵列探测器7.1、7.2、7.3、7.4接收，然后经过放大、整形处理及其触发时刻鉴别电路得到终止信号。根据起始信号与终止信号之间的时间差即可算出脉冲激光的往返飞行时间，进一步得到探测目标的距离信息。同时，主控电路模块4将激光功率信息传输到光源驱动模块3，光源驱动模块3为连续光纤激光器6.2提供精稳的驱动，并根据所选用光纤激光器的工作原理和性能，分别驱动四套光纤阵列相控阵发射系统6中四个连续光纤激光器6.2产生高功率连续激光，为后续25路脉冲光相干合成做准备。

步骤二、如图2所示，四套光纤阵列相控阵发射系统6根据同步控制电路模块5提供的扫描或凝视工作电信号开始工作，四个连续光纤激光器6.2在光源驱动模块3的驱动下产生四路高功率连续激光，这里以一套光纤阵列相控阵发射系统为例，阐述高功率脉冲激光的形成过程，具体过程如下：

连续光纤激光器6.2发出一路大功率连续激光，这路连续光由分束器6.3被分成一路参考光和25路信号光。其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器6.12后被移频，用于与25路信号光进行外差拍频；25路信号光占总光强90％以上的能量，25路信号光经光纤6.4通过受控于脉冲触发的电光调制器6.5形成脉冲光束，并对脉冲光的振幅进行放大传输给相位调制器6.6；相位调制器6.6对脉冲光进行相位调制后，经过光隔离器6.7传输给连续光纤放大器6.8，连续光纤放大器6.8再次对25路脉冲光的功率进行放大后传输给准直扩束器6.9；准直扩束器6.9对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束后传输给采样器6.10；25路脉冲光95％以上穿过采样器6.10，再通过相控阵偏转结构6.11在空间上相干合成一束高功率脉冲激光，如图3所示。另外5％以下与小部分参考光进行外差拍频，拍频后反射到外差法相控系统6.1中的透镜6.1.5聚集后被探测器6.1.4接收，实现对外差拍频信号的获取；该外差拍频信号包含了参考光与25路脉冲光的相对相位信息，探测器6.1.4将25个相位差信息数据传输到多路复用器6.1.3内，多路复用器6.1.3将25个输入通道的相位差电信号复用到输出通道上，然后再传输给合成器6.1.2；同时，将计算得到的25路脉冲光的射频参考相位信号由射频参考振荡器6.1.1也送入合成器6.1.2；合成器6.1.2对射频参考振荡器6.1.1输出的25路参考相位信号与25路脉冲光变化后的相位信号分析比对后，按照外差锁相控制算法生成25路脉冲光的相位控制电压信号，实时将25路补偿后的相位电压信号反馈给各路的相位调制器6.6，各路的相位调制器6.6对各路脉冲信号光的相位进行调制，经过多次重复此过程，直到25路脉冲信号光的相位信息与25路参考相位信号相同为止，即完成每路信号光的实时相位补偿，确保输出的25路脉冲信号光的相位能够符合某一预设角度下光束相干合成要求。从而实现在锁相的同时，又能够针对某一预设角度的25路信号光，通过相控阵偏转结构6.11后相干合成一束高功率脉冲激光。

其他三束高功率脉冲激光的形成过程与上述过程相同。如果需要改变某一套发射系统的光束偏转角度，则重新给某一套发射系统的射频参考振荡器6.1.1一组关于25路脉冲信号光新的相位参考值。具体锁相环节与上述相同，经过多次调节后，直到25路脉冲信号光的相位信息与新的参考相位信息相同为止。

由上述可知，四套光纤阵列相控阵发射系统6可根据预设的扫描角度，分别在空间上相干合成四束高功率脉冲激光，分别用于A2,B2,C2,D2四个区域探测。

步骤三、在扫描过程中，根据探测需求，四路高功率脉冲激光需要不断改变合成光束的偏转角度，并不断切换工作模式，如图4所示。经过步骤二，光纤阵列相控阵发射系统可同时并行发出四路高功率脉冲激光，用于A2,B2,C2,D2四个区域的并行探测，四路光束先工作在扫描成像模式下，进行大视场(±15°)、高分辨目标探测。A1,B1,C1,D1四束激光按“弓型”方式同时并行扫描。此时采用空间冗余扫描的高分辨快速无缝拼接技术，将图5中四个小像元素面阵采集到的图像信息，利用图像重构算法，由FPGA+ARM架构的嵌入式高速信号处理平台重构出目标的距离信息与强度信息，再由计算机图像采集处理系统1融合拼接出高分辨率大幅面的三维图像。当目标出现在该大视场区域内，计算机图像采集处理系统1对其进行分析判断。如果判断为可疑目标或感兴趣目标，则主控电路模块4向同步控制电路模块5发送凝视成像工作模式电信号，同步控制电路模块5并行控制四套光纤阵列相控阵发射系统6启用凝视成像工作模式，然后对该可疑目标或感兴趣目标进行小视场(±1.5°)单目标跟踪。当多个目标出现在该大视场区域时，此时A1,B1,C1,D1四束高功率脉冲激光单独工作在凝视成像模式下，并借助于适当的位移平台，实现对探测区域内不同位置的多个可疑目标同时跟踪，从而达到对可疑目标进行快速成像的目的。凝视高帧频工作模式如图6所示，图6中A2,B2,C2,D2四个扫描区域中的圆圈和箭头即为跟踪目标的指示方向。

如果判断结果不是可疑目标或感兴趣目标，则四路光束继续工作在扫描成像模式下。

步骤四、四束高功率脉冲激光(A1,B1,C1,D1)分别扫描四个不同的区域，相应从四个区域的目标反射回波被接收系统7中四个基于小像元素面阵的APD阵列探测器7.1、7.2、7.3、7.4所接受，可由四个基于小像元素面阵的APD阵列探测器7.1、7.2、7.3、7.4同时获取目标的距离信息与强度信息。由于受到大气及其接收系统7本身的噪声因素影响，脉冲激光照射到物体被反射后，由四个基于小像元素面阵的APD阵列探测器7.1、7.2、7.3、7.4探测到的回波信号及其微弱，而且回波数量非常多，因此需要对微弱回波进行高速并行处理，以单面阵(64路)APD探测器阵列读出电路模块为例，如图7所示，具体过程如下：

大功率脉冲激光A反射回来的微弱回波照射到64路基于小像元素面阵的APD阵列探测器7.1上，在恒低温、高的反偏压工作条件和相控阵预设扫描角度下，基于小像元素面阵(64路)的APD阵列探测器7.1将光信号转化为电流信号传输到跨阻放大电路，跨阻放大电路将64路电流信号转换成电压信号，并放大后传输给低通滤波电路，低通滤波电路滤除高频噪声后再传输给差分互相关滤波器，差分互相关滤波器滤除干扰噪声后，提取出微弱回波信号；再将64路电信号一分为二，分别同时进行时刻鉴别和峰值保持。其中，一路通过时刻鉴别电路测量出脉冲激光飞行所用的时间，用于得到目标的距离信息；另一路通过峰值保持电路将其峰值保持一定时间，并检测出电压信号的峰值，而峰值代表脉冲激光回波信号的强度，用于得到目标的强度信息。然后将输出的两路信号传输到FPGA+ARM架构的嵌入式高速信号处理平台，用于回波距离像和强度像的获取，然后将目标的距离像和强度像分别由距离数据接口和强度数据接口传输到计算机图像采集处理系统1。

其他三个基于小像元素面阵(64路)的APD阵列探测器7.2、7.3、7.4对目标的距离像和强度像的提取过程与上述相同。计算机图像采集处理系统1将四个基于小像元素面阵的APD阵列探测器7.1、7.2、7.3、7.4的距离像和强度像进行快速融合，并拼接出大幅面(64×64，4面阵共计128×128个像元)、高分辨率的三维图像。实现相控阵激光雷达在有限像素的条件下，能够精确的提取出目标的特征信息及其所处的场景信息。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双模控制的相控阵激光雷达系统，其特征在于：是基于扫描高分辨与凝视高帧频双模控制的多光束多面阵激光雷达系统，包括计算机图像采集处理系统(1)、高速并行采集计时模块(2)、光源驱动模块(3)、主控电路模块(4)、同步控制电路模块(5)、光纤阵列相控阵发射系统(6)和接收系统(7)；

高速并行采集计时模块(2)包括通讯端口(2.1)和四个APD探测器阵列读出电路模块A、B、C、D；其中，四个APD探测器阵列读出电路模块A、B、C、D包括：跨阻放大电路、低通滤波电路、差分互相关滤波器、时刻鉴别电路、峰值保持电路和嵌入式高速信号处理平台；

光纤阵列相控阵发射系统(6)包括外差法相控系统(6.1)、连续光纤激光器(6.2)、分束器(6.3)、光纤(6.4)、电光调制器(6.5)、相位调制器(6.6)、光隔离器(6.7)、连续光纤放大器(6.8)、准直扩束器(6.9)、采样器(6.10)、相控阵偏转结构(6.11)和移频器(6.12)；

外差法相控系统(6.1)包括射频参考振荡器(6.1.1)、合成器(6.1.2)、多路复用器(6.1.3)、探测器(6.1.4)和透镜(6.1.5)；

接收系统(7)包括四个基于小像元素面阵的APD阵列探测器(7.1、7.2、7.3、7.4)；

光源驱动模块(3)驱动连续光纤激光器(6.2)产生高功率连续激光；连续激光由分束器(6.3)被分成一路参考光束和N路信号光，其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器(6.12)后被移频，用于外差拍频；N路信号光占总光强90％以上的能量，N路信号光经光纤通过受控于脉冲触发的电光调制器(6.5)形成脉冲光束，并对脉冲光的振幅进行放大传输给相位调制器(6.6)；相位调制器(6.6)对脉冲光进行相位调制后，经过光隔离器(6.7)传输给连续光纤放大器(6.8)，连续光纤放大器(6.8)再次对N路脉冲光的功率进行放大后传输给准直扩束器(6.9)；准直扩束器(6.9)对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束后传输给采样器(6.10)；N路脉冲光95％以上穿过采样器(6.10)，再通过相控阵偏转结构(6.11)在空间上相干合成一束高功率脉冲激光；另外5％以下与小部分参考光进行外差拍频，拍频后反射到外差法相控系统(6.1)中的透镜(6.1.5)聚集后被探测器(6.1.4)接收，实现对外差拍频信号的获取；该外差拍频信号包含了参考光与N路脉冲光的相对相位信息，探测器(6.1.4)将N个相位差信息数据传输到多路复用器(6.1.3)内，多路复用器(6.1.3)将N个输入通道的相位差电信号复用到输出通道上，然后再传输给合成器(6.1.2)；同时，将计算得到的N路脉冲光的射频参考相位信号由射频参考振荡器(6.1.1)也送入合成器(6.1.2)；合成器(6.1.2)对射频参考振荡器(6.1.1)输出的N路参考相位信号与N路脉冲光变化后的相位信号分析比对后，按照外差锁相控制算法生成N路脉冲光的相位控制电压信号，实时将N路补偿后的相位电压信号反馈给各路的相位调制器(6.6)，各路的相位调制器(6.6)对各路脉冲信号光的相位进行调制，经过多次重复此过程，直到N路脉冲信号光的相位信息与N路参考相位信号相同为止，即完成每路信号光的实时相位补偿，确保输出的N路脉冲信号光的相位能够符合某一预设角度下光束相干合成要求；从而实现在锁相的同时，又能够针对某一预设角度的N路信号光，通过相控阵偏转结构(6.11)后相干合成一束高功率脉冲激光。

2.如权利要求1所述的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，其特征在于：工作方法包括如下步骤：

步骤一、高速并行采集计时模块(2)、光源驱动模块(3)、主控电路模块(4)、同步控制电路模块(5)以及计算机图像采集处理系统(1)开始工作；

高速并行采集计时模块(2)开始工作，并根据雷达探测需求，由通讯端口(2.1)向主控电路模块(4)传递扫描角度信息、激光功率信息、探测距离信息以及外界环境信息；主控电路模块(4)将扫描角度信息传输到同步控制电路模块(5)，同步控制电路模块(5)向四套光纤阵列相控阵发射系统(6)发出扫描工作模式或凝视工作模式电信号，然后四套光纤阵列相控阵发射系统(6)开始并行扫描或凝视工作；同时，主控电路模块(4)将需求的激光功率信息传输到光源驱动模块(3)，光源驱动模块(3)为连续光纤激光器(6.2)提供精稳的驱动，根据所选用光纤激光器的工作原理及其性能，分别驱动四套光纤阵列相控阵发射系统(6)中四个连续光纤激光器(6.2)产生高功率连续激光，为后续N路脉冲信号光相干合成做准备；

步骤二、四套光纤阵列相控阵发射系统(6)根据同步控制电路模块(5)提供的扫描或凝视工作电信号开始工作，根据某预设角度下探测需求，在空间上相干合成四束高功率激光，分别用于A2,B2,C2,D2四个区域探测；

四个连续光纤激光器(6.2)在光源驱动模块(3)的驱动下产生四路高功率连续激光，以一套光纤阵列相控阵发射系统为例，阐述高功率脉冲激光的形成过程如下：

连续光纤激光器(6.2)发出一路大功率连续激光，该路大功率连续激光由分束器(6.3)被分成一路参考光和N路信号光；其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器(6.12)后被移频，用于与N路信号光进行外差拍频；N路信号光占总光强90％以上的能量，N路信号光经光纤(6.4)通过受控于脉冲触发的电光调制器(6.5)形成脉冲光束，进而通过相位调制器(6.6)、光隔离器(6.7)、连续光纤放大器(6.8)、准直扩束器(6.9)和采样器(6.10)；N路脉冲光与参考光在采样器(6.10)内进行外差拍频后，N路脉冲光95％以上穿过采样器(6.10)通过相控阵偏转结构(6.11)实现预设角度的相干合成一束高功率激光；另外5％以下与参考光进行外差拍频，拍频后反射到外差法相控系统(6.1)中的透镜(6.1.5)聚集后被探测器(6.1.4)接收，实现对外差拍频信号的获取，该外差拍频信号包含了参考光与信号光的相对相位信息，将该相对相位信息经过多路复用器(6.1.3)送入合成器(6.1.2)；同时，根据扫描角度计算公式，将计算得到的N路信号光不同的射频参考相位信号由射频参考振荡器(6.1.1)也送入合成器(6.1.2)，再由合成器(6.1.2)通过外差锁相算法分析比对后生成各路光束的相位控制信号，实时反馈给信号光路中的相位调制器(6.6)，即可实现对每路信号光的实时相位补偿，确保输出光束的相位能够符合预设角度下光束相干合成要求；从而实现在锁相的同时，又能够针对某一预设角度的N路信号光通过相控阵偏转结构(6.11)后相干合成；

其他三路高功率脉冲激光的形成过程与上述高功率脉冲激光形成过程相同；如果偏转角度发生变化，则重新给射频参考振荡器(6.1.1)一组关于N路脉冲信号光新的相位参考值；具体锁相环节与上述锁相相同，经过多次调节后，直至N路脉冲信号光的相位信息与新的参考相位信息相同为止；

步骤三、在扫描过程中，根据探测需求，四路高功率激光需要不断改变合成光束的偏转角度，并在扫描高分辨与凝视高帧频两种工作模式下不断切换；

在步骤二中光纤阵列相控阵发射系统(6)同时发出四束高功率脉冲激光，用于A2,B2,C2,D2四个区域的并行探测，四路高功率激光先工作在扫描高分辨模式下，进行大视场、高分辨成像，A1,B1,C1,D1四路高功率激光按“弓型”方式并行扫描，此时采用空间冗余扫描的高分辨快速无缝拼接技术，将四个小像元素面阵显示的图像通过计算机图像采集处理系统(1)拼接成大幅面高分辨率的三维图像；当可疑目标或感兴趣目标出现在该大视场区域内，主控电路模块(4)向同步控制电路模块(5)发送凝视成像工作模式电信号，同步控制电路模块(5)并行控制四套光纤阵列相控阵发射系统(6)启用凝视成像工作模式，然后对该可疑目标或感兴趣目标进行单目标跟踪；当多个目标出现在该大视场区域时，此时A1,B1,C1,D1四路高功率激光单独工作在凝视成像模式下，并借助于位移平台，实现对区域内不同位置的多个可疑目标同时跟踪，从而达到对可疑目标进行快速成像的目的；

步骤四、接收系统(7)中四面阵APD阵列探测器(7.1、7.2、7.3、7.4)的双模信息并行读出，实现远距离、大视场、快速、高分辨成像；所述的双模信息包括目标的距离信息与强度信息。

3.如权利要求2所述的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，其特征在于：对微弱回波进行高速并行处理，具体处理方法如下：

微弱回波照射到APD探测器阵列上，在恒低温、高的反偏压工作条件和相控阵特定扫描角度下，APD探测器阵列将光信号转化为电流信号传输到跨阻放大电路，跨阻放大电路将电流信号转换成电压信号并进行放大后传输给低通滤波电路，低通滤波电路滤除高频噪声后传输给差分互相关滤波器，差分互相关滤波器滤除噪声提取出微弱回波信号后，再分别同时进行时刻鉴别和峰值保持；其中，一路回波信号通过时刻鉴别电路测量出脉冲激光飞行所用的时间，用于得到目标的距离信息；另一路回波信号通过峰值保持电路将其峰值保持一定时间，并检测出电压信号的峰值，而峰值代表脉冲激光回波信号的强度，用于得到目标的强度信息；然后将输出的两路回波信号传输到嵌入式高速信号处理平台，用于回波距离像和强度像的获取，然后将目标的距离像和强度像分别由距离数据接口和强度数据接口传输到计算机图像采集处理系统(1)，进一步将四面阵APD阵列探测器(7.1、7.2、7.3、7.4)中的距离像和强度像融合、拼接出可疑目标的特征信息及其所处的场景信息，实现远距离、大视场、快速、高分辨成像。

4.如权利要求3所述的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，其特征在于：所述嵌入式高速信号处理平台选FPGA+ARM架构的嵌入式高速信号处理平台。

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