CN109375230B - 一种高精度激光回波频率调制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种高精度激光回波频率调制系统和方法。该系统包括：激光器、第一非偏振分束器、第二非偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、声光调制器、第二反射镜、第三反射镜、光电探测器、频谱分析装置。该系统以激光为光源，以声光调制器为外调制源，用外差探测的方式观测不同目标特征的微多普勒信息，并通过一系列时频信号处理方法，实现对回波信号微多普勒信息的提取，从而实现在实验室中模拟真实的微多普勒激光散射回波信号的目的。

Description

一种高精度激光回波频率调制系统和方法

技术领域

本申请涉及仿真技术领域，特别涉及一种高精度激光回波频率调制系统和方法。

背景技术

多普勒效应是一种将运动速度关联于波动频率变化的自然现象。一个目标或目标组成部分的机械振动或转动对雷达回波信号产生附加频率调制，导致在目标的多普勒频率两侧产生边带，这种频率调制称为微多普勒效应。很多运动形式都会产生微多普勒现象，如弹道导弹飞行中段时释放的诱饵弹、直升飞机的螺旋桨、喷气引擎、雷达天线等都包含了微多普勒特征。目标的微多普勒特性反映了目标的几何结构和运动特征，为目标特征提取和目标识别提供了新的途径。

如果被测目标作匀速平动，则多普勒频移将是一个定值。但在情况中，被测目标在整体运动的同时，目标或目标的某一部分往往还存在自身的振动或转动。目标的整体运动会使雷达回波信号产生一个固定频率的多普勒频移；而其自身的振动或转动又会在体多普勒频移的基础上对回波信号产生一个附加的频率调制。由于这个附加的频率调制相对于体多普勒频移来讲一般比较小，所以将这种现象称为微多普勒效应。由目标转动引起的雷达回波信号的附加调制相对于多普勒频率可能较高，但也可以看作是振动的一种特殊情况，也称为微多普勒效应。

发明内容

为解决上述问题之一，本申请提供了一种高精度激光回波频率调制系统和方法。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种红外辐射场景转换系统，该系统包括：激光器、第一非偏振分束器、第二非偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、声光调制器、第二反射镜、第三反射镜、光电探测器、频谱分析装置；

所述激光器用于产生激光；

所述第一非偏振分束器，用于将所述激光分为2束，形成第1束激光和第2束激光；

所述第二非偏振分束器，用于将第1束激光的一部分透至所述第二反射镜，将第1束激光的另一部分反射至所述第二偏振分束器；

所述第二反射镜，用于反射所述第二非偏振分束器透过的激光；

所述第二偏振分束器，用于纯化偏振来自所述第二非偏振分束器的激光，将纯化偏振后的激光输入所述光电探测器；

所述声光调制器，用于将经过第一半波片的第2束激光产生移频，并返回移频后的激光；

所述第一偏振分束器，用于将所述声光调制器返回的激光反射至所述第三反射镜，并经第三反射镜反射及第二半波片至所述第二非偏振分束器；

所述第二非偏振分束器，还用于将所述第二半波片传出的激光透至所述第二偏振分束器；

所述频谱分析装置，用于分析光电探测器的输出得到微多普勒信号。

可选地，所述激光器为532纳米半导体激光器。

可选地，所述激光器产生的激光为超窄线宽单频激光。

可选地，所述激光器通过控制激光管温度并且采用高精度电流源供电，产生超窄线宽激光。

可选地，所述声光调制器通过微波驱动非线性晶体的晶格振荡产生声波，所述声波与所述第2束激光发生矢量耦合，形成声波与光波频率的耦合叠加，完成移频，并返回移频后的激光。

可选地，移频角度位于为10度至20度范围中。

可选地，所述系统还包括滤光装置；

所述声光调制器通过滤光装置，将移频后角度不同的激光同光路返回。

可选地，所述滤光装置包括：四分之一波片、透镜、第一反射镜；

频移后的激光依次经过四分之一波片、透镜变成平行光；

所述平行光经第一反射镜反射后，依次经过透镜、四分之一波片返回至声光调制器；其中，返回的平行光与所述频移后的激光光路重合，方向相反。

可选地，所述透镜中心到所述声光调制器中心距离为f，其中f为所述透镜的焦距。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种红外辐射场景转换方法，所述方法包括：

激光器产生激光；

所述激光通过第一非偏振分束器分为2束，形成第1束激光和第2束激光；

第1束激光的一部分透过第二非偏振分束器后被第二反射镜反射；

第1束激光的另一部分被所述第二非偏振分束器反射至第二偏振分束器，通过所述第二偏振分束器纯化偏振后，进入光电探测器，作为参考光；

第2束激光经第一半波片传输至声光调制器，由声光调制器对所述第2束激光产生移频；

频移后的激光依次经过四分之一波片、透镜变成平行光；

所述平行光经第一反射镜反射后，依次经过透镜、四分之一波片返回至声光调制器；其中，返回的平行光与所述频移后的激光光路重合，方向相反；

所述声光调制器返回的移频后的激光依次经过第一偏振分束器反射、第三反射镜反射、第二半波片至第二非偏振分束器，再透过第二非偏振分束器和第二偏振分束器入射到光电探测器上，与参考光形成干涉；

频谱分析装置分析光电探测器的输出得到微多普勒信号。

本申请所述系统包括：激光器、第一非偏振分束器、第二非偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、声光调制器、第二反射镜、第三反射镜、光电探测器、频谱分析装置。该系统以激光为光源，以声光调制器为外调制源，用外差探测的方式观测不同目标特征的微多普勒信息，并通过一系列时频信号处理方法，实现对回波信号微多普勒信息的提取，从而实现在实验室中模拟真实的微多普勒激光散射回波信号的目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出本发明一个实施例提供的一种高精度激光回波频率调制系统的光路示意图；

图2示出本发明一个实施例提供的一种声光调制器的典型工作形式示意图；

图3示出本发明一个实施例提供的一种滤光装置示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种高精度激光回波频率调制系统，包括：激光器、第一非偏振分束器、第二非偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、声光调制器(AOM，Acousto-Optical Modulators)、第二反射镜、第三反射镜、光电探测器、频谱分析装置。

除此之外，本实施例提供的高精度激光回波频率调制系统还可以包括：高精度微波频率源。

激光器用于产生激光。

具体的，激光器为532纳米半导体激光器。

激光器产生的激光为超窄线宽单频激光。

激光器通过控制激光管温度并且采用高精度电流源供电，产生超窄线宽激光。

第一非偏振分束器，用于将激光分为2束，形成第1束激光和第2束激光。

第二非偏振分束器，用于将第1束激光的一部分透至第二反射镜，将第1束激光的另一部分反射至第二偏振分束器。

第二反射镜，用于反射第二非偏振分束器透过的激光。

第二偏振分束器，用于纯化偏振来自第二非偏振分束器的激光，将纯化偏振后的激光输入光电探测器。

声光调制器，用于将经过第一半波片的第2束激光产生移频，并返回移频后的激光。

具体的，声光调制器通过微波驱动非线性晶体的晶格振荡产生声波，声波与第2束激光发生矢量耦合，形成声波与光波频率的耦合叠加，完成移频，并返回移频后的激光。

其中，移频角度位于为10度至20度范围中。

另外，为了使得移频后角度不同的激光同光路返回，本实施例提供的高精度激光回波频率调制系统还可以包括：滤光装置。

声光调制器通过滤光装置，将移频后角度不同的激光同光路返回。

滤光装置包括：四分之一波片、透镜、第一反射镜。

透镜中心到声光调制器中心距离为f，其中f为透镜的焦距。

频移后的激光依次经过四分之一波片、透镜变成平行光。

平行光经第一反射镜反射后，依次经过透镜、四分之一波片返回至声光调制器；其中，返回的平行光与频移后的激光光路重合，方向相反。

第一偏振分束器，用于将声光调制器返回的激光反射至第三反射镜，并经第三反射镜反射及第二半波片至第二非偏振分束器。

第二非偏振分束器，还用于将第二半波片传出的激光透至第二偏振分束器；

频谱分析装置，用于分析光电探测器的输出得到微多普勒信号。

上述描述的高精度激光回波频率调制系统在具体实现时其光路图可如图1所示，其中，声光调制器的典型工作形式可如图2所示，滤光装置示意图可如图3所示。

本实施例提供的系统包括：激光器、第一非偏振分束器、第二非偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、声光调制器、第二反射镜、第三反射镜、光电探测器、频谱分析装置。该系统以单频激光为光源，以声光调制器为外调制源，用外差探测的方式观测不同目标特征的微多普勒信息，并通过一系列时频信号处理方法，实现对回波信号微多普勒信息的提取，从而实现在实验室中模拟真实的微多普勒激光散射回波信号的目的。

实施例2

基于实施例1提供的高精度激光回波频率调制系统，本实施例提供一种高精度激光回波频率调制方法。

激光器产生激光；

激光通过第一非偏振分束器分为2束，形成第1束激光和第2束激光；

第1束激光的一部分透过第二非偏振分束器后被第二反射镜反射；

第1束激光的另一部分被第二非偏振分束器反射至第二偏振分束器，通过第二偏振分束器纯化偏振后，进入光电探测器，作为参考光；

第2束激光经第一半波片传输至声光调制器，由声光调制器对第2束激光产生移频；

频移后的激光依次经过四分之一波片、透镜变成平行光；

平行光经第一反射镜反射后，依次经过透镜、四分之一波片返回至声光调制器；其中，返回的平行光与频移后的激光光路重合，方向相反；

声光调制器返回的移频后的激光依次经过第一偏振分束器反射、第三反射镜反射、第二半波片至第二非偏振分束器，再透过第二非偏振分束器和第二偏振分束器入射到光电探测器上，与参考光形成干涉；

频谱分析装置分析光电探测器的输出得到微多普勒信号。

下面以图1至图3所示的高精度激光回波频率调制系统、声光调制器的典型工作形式、滤光装置为例，对本实施例提供的高精度激光回波频率调制方法的实现方案再次说明。

在图1中，激光器是一台532nm的半导体激光器，通过控制激光管温度并且采用高精度电流源供电，能够输出超窄线宽激光。激光器输出后，经过非偏振分束器1分为两束。反射部分透过非偏振分束器2后被反射镜2反射，一部分再被非偏振分束器2反射，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；透射部分经过声光调制器产生移频，声光调制器是通过微波驱动非线性晶体的晶格振荡，产生的声波与到通过的光波发生矢量耦合，形成微波与光波频率的耦合叠加，叠加的形式有一级叠加，负一级叠加，二级叠加，负二级叠加等，如图2所示。本实施例仅以1级光为例，但是1级光相比于原光路有一个夹角，角度在约10度到约20度间随频移大小的变化而变化。因此，通过滤光装置，以解决不同角度激光同光路返回问题。

滤光装置原理如图3所示，1级光经过一个1/4波片后打到一个焦距为f的透镜上，透镜中心到声光调制器中心距离f，1级光经过透镜后变成平行光，入射到反射镜1上。那么根据透镜的成像原理，经反射镜反射的光通过透镜后原路返回到声光调制器的中心位置，又产生第二个1级光，第二个1级光与入射到声光调制器的入射光光路重合，方向相反。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，即声光调制器出射的激光的偏振方向相比于入射激光的偏振方向旋转了90度，因此从声光调制器出射的激光可以被偏振分束器1反射，再经反射镜3反射，透过非偏振分束器2和偏振分束器2，入射到光电探测器上与参考光形成干涉。两束光偏振方向相同，在探测器光敏面上相干。由探测器输出的电信号经过频谱分析装置处理后，就可以观测到微多普勒信号。

本实施例提供的高精度激光回波频率调制方法，以单频激光为光源，以声光调制器(AOM)为外调制源，用外差探测的方式观测到不同目标特征的微多普勒信息，并通过一系列时频信号处理方法，实现对回波信号微多普勒信息的提取，从而实现在实验室中模拟真实的微多普勒激光散射回波信号的目的。

本实施例提供的红外辐射场景转换方法，基于由激光器、第一非偏振分束器、第二非偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、声光调制器、第二反射镜、第三反射镜、光电探测器、频谱分析装置组成的高精度激光回波频率调制系统，以单频激光为光源，以声光调制器为外调制源，用外差探测的方式观测不同目标特征的微多普勒信息，并通过一系列时频信号处理方法，实现对回波信号微多普勒信息的提取，从而实现在实验室中模拟真实的微多普勒激光散射回波信号的目的。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种高精度激光回波频率调制系统，其特征在于，所述系统包括：激光器、第一非偏振分束器、第二非偏振分束器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、声光调制器、第二反射镜、第三反射镜、光电探测器、频谱分析装置；

所述激光器用于产生激光；

所述第一非偏振分束器，用于将所述激光分为2束，形成第1束激光和第2束激光；

所述第二非偏振分束器，用于将第1束激光的一部分透至所述第二反射镜，将第1束激光的另一部分反射至所述第二偏振分束器；

所述第二反射镜，用于反射所述第二非偏振分束器透过的激光；

所述第二偏振分束器，用于纯化偏振来自所述第二非偏振分束器的激光，将纯化偏振后的激光输入所述光电探测器；

所述声光调制器，用于将经过第一半波片的第2束激光产生移频，并返回移频后的激光，

所述声光调制器通过微波驱动非线性晶体的晶格振荡产生声波，声波与第2束激光发生矢量耦合，形成声波与光波频率的耦合叠加，完成频移，并返回频移后的激光；

所述第一偏振分束器，用于将所述声光调制器返回的激光反射至所述第三反射镜，并经第三反射镜反射及第二半波片至所述第二非偏振分束器；

所述第二非偏振分束器，还用于将所述第二半波片传出的激光透至所述第二偏振分束器；

所述频谱分析装置，用于分析光电探测器的输出得到微多普勒信号；

所述激光器通过控制激光管温度并且采用高精度电流源供电，产生超窄线宽激光。

2.根据权利要求1所述的一种高精度激光回波频率调制系统，其特征在于，所述激光器为532纳米半导体激光器。

3.根据权利要求2所述的一种高精度激光回波频率调制系统，其特征在于，所述激光器产生的激光为超窄线宽单频激光。

4.根据权利要求1所述的一种高精度激光回波频率调制系统，其特征在于，所述声光调制器通过微波驱动非线性晶体的晶格振荡产生声波，所述声波与所述第2束激光发生矢量耦合，形成声波与光波频率的耦合叠加，完成移频，并返回移频后的激光。

5.根据权利要求4所述的一种高精度激光回波频率调制系统，其特征在于，移频角度位于为10度至20度范围中。

6.根据权利要求5所述的一种高精度激光回波频率调制系统，其特征在于，所述系统还包括滤光装置；

所述声光调制器通过滤光装置，将移频后角度不同的激光同光路返回。

7.根据权利要求6所述的一种高精度激光回波频率调制系统，其特征在于，所述滤光装置包括：四分之一波片、透镜、第一反射镜；

频移后的激光依次经过四分之一波片、透镜变成平行光；

所述平行光经第一反射镜反射后，依次经过透镜、四分之一波片返回至声光调制器；其中，返回的平行光与所述频移后的激光光路重合，方向相反。

8.根据权利要求7所述的一种高精度激光回波频率调制系统，其特征在于，所述透镜中心到所述声光调制器中心距离为f，其中f为所述透镜的焦距。

9.一种基于权利要求1至8任一权利要求所述的高精度激光回波频率调制系统的高精度激光回波频率调制方法，其特征在于，所述方法包括：

激光器产生激光；

所述激光通过第一非偏振分束器分为2束，形成第1束激光和第2束激光；

第1束激光的一部分透过第二非偏振分束器后被第二反射镜反射；

第1束激光的另一部分被所述第二非偏振分束器反射至第二偏振分束器，通过所述第二偏振分束器纯化偏振后，进入光电探测器，作为参考光；

第2束激光经第一半波片传输至声光调制器，由声光调制器对所述第2束激光产生移频；

频移后的激光依次经过四分之一波片、透镜变成平行光；

所述平行光经第一反射镜反射后，依次经过透镜、四分之一波片返回至声光调制器；其中，返回的平行光与所述频移后的激光光路重合，方向相反；

所述声光调制器返回的移频后的激光依次经过第一偏振分束器反射、第三反射镜反射、第二半波片至第二非偏振分束器，再透过第二非偏振分束器和第二偏振分束器入射到光电探测器上，与参考光形成干涉；

频谱分析装置分析光电探测器的输出得到微多普勒信号；

激光器通过控制激光管温度并且采用高精度电流源供电，产生超窄线宽激光。