CN111175780A - 一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法，属于激光雷达技术领域。解决了传统的脉冲体制的激光雷达对人有害的问题，以及调频连续波激光雷达会引入调频非线性的问题。技术要点：主激光器、任意波形发生器、电光调制器与从激光器构成注入锁定系统，主激光器发出激光后进入电光调制器，任意波形发生器通过电光调制器对激光载波进行抑制载波调制，调制光经过光纤环形器注入从激光器以实现注入锁定，之后经过耦合器分为探测光与参考光。探测光经准直器发射到物体上，反射回来的光与参考光在耦合器中进行相干探测得到拍频信号，后经光电探测器转换为电信号，使用数据采集卡进行数据的采集以及处理。本发明应用于物体瞬时速度测量中。

Description

一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法
技术领域
本发明涉及一种调频连续波激光雷达测速装置及方法，具体涉及一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法，属于激光雷达技术领域。
背景技术
传统的激光雷达多为脉冲体制雷达，该体制雷达具有峰值功率大、成本高、系统复杂等缺点，并且脉冲体制的雷达发射功率较大，可能会损害人的健康，因此在使用中有一定的局限性。新型体制的雷达为调频连续波激光雷达，该体制雷达多采用直接调制激光器的方法来实现大的扫频带宽，从而提高测量的精度。但是利用直接调制激光器的方法会带来调频非线性，又会造成测量精度的恶化，因此需要额外的非线性算法来补偿，从而增加了系统的复杂性，并且直接调制激光器的方法对外界环境敏感，易受到干扰。
分析可知，传统的脉冲体制的激光雷达可能对人有害，而新型的调频连续波激光雷达会引入调频非线性，这都是目前所需解决的问题，为此提出一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为了解决传统的脉冲体制的激光雷达对人有害的问题，以及调频连续波激光雷达会引入调频非线性的问题，进而本发明设计了一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法。
方案一：本发明提供了一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，包括主激光器、任意波形发生器、电光调制器、从激光器、第一光纤环形器、第二光纤环形器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤准直器、光电探测器和数据采集卡；
所述任意波形发生器的波形输出端口连接电光调制器的微波信号输入端口，主激光器的输出端口连接电光调制器的光信号输入端口，电光调制器的光输出端口连接第一光纤环形器的I端口，从激光器的输出端口连接至第一光纤环形器的II端口，第一光纤环形器的III端口连接第一光纤耦合器，光束分为两路，一路为探测光，另一路为参考光，探测光经第二光纤环形器进入光纤准直器送入到空间中对物体进行探测，经运动物体反射的光由光纤准直器进行接收，接收到的信号与参考光依次进入第二光纤耦合器、光电探测器和数据采集卡。
进一步地：所述主激光器为窄线宽激光器。
进一步地：所述主激光器与从激光器的中心波长均为1550nm附近可调。
进一步地：所述主激光器与从激光器可以是光纤激光器或半导体激光器。
进一步地：所述测速装置不含光隔离器。以便在发射激光后能够使用光纤准直器对运动物体反射的光信号进行接收，达到同时收发的功能。
进一步地：所述任意波形发生器发出三角波形式的线性调频信号。驱动电光调制器对激光载波进行抑制载波调制，经调制后的激光由正一阶边带、负一阶边带所组成。
进一步地：所述任意波形发生器发出的调制信号为3GHz-20GHz，带宽为1GHz-10GHz的三角波线性调频信号。
进一步地：第一光纤耦合器和第二光纤耦合器可以为1×2或2×2端口，第一光纤耦合器为99：1的光纤耦合器，第二光纤耦合器为50：50的光纤耦合器。
方案二：本发明提供了一种注入锁定调频连续波激光雷达测速方法，该方法是基于方案一所述的测速装置实现的。具体为：
主激光器发出激光后进入电光调制器，来自任意波形发生器发出三角波形式的线性调频信号对激光载波进行抑制载波调制，经调制后的激光由正一阶边带、负一阶边带所组成，电光调制器输出的光经过第一光纤环形器注入从激光器以实现注入锁定，经过注入锁定后旁瓣与负一阶边带被抑制，能量集中于正一阶边带处，之后经过第一耦合器分为探测光与参考光；探测光经第二光纤环形器及光纤准直器发射到物体上，运动物体反射回来的光与参考光在第二耦合器中进行相干探测得到拍频信号，后经光电探测器转换为电信号，使用数据采集卡进行数据的采集以及处理。
进一步地：所述数据采集卡对接收的信号进行采样，在连续调频三角波的上升段与下降段各采集数据，分别对上升频段和下降频段的数据进行傅里叶变换，处理后可得到上升频段信号频率f1与下降频段信号频率f2；
根据速度公式：
Figure BDA0002373901700000021
可得出物体运动的瞬时速度，式中，λ为激光器的中心波长。
有益效果：
本发明采用任意波形发生器与电光调制器对激光进行调制不会引入调频非线性。通过使用注入锁定技术，使得发射的光功率由从激光器所控制，雷达测速系统的光是由两个激光器注入锁定后所发出的，使用调频连续波雷达发射功率较小，不会对人造成伤害。并且三角波形式的调频连续波激光雷达测速是直接测得物体运动的瞬时速度，避免了脉冲雷达间接测速不准确的问题。另外，本发明对外界环境不敏感，不会受到环境干扰。
附图说明
图1为本发明的雷达测速系统框图。
图2为调频连续波测量速度的原理图。
图1中，各器件分别为：1、主激光器；2、任意波形发生器；3、电光调制器；4、从激光器；5、第一光纤环形器；6、第一光纤耦合器；7、第二光纤环形器；8、光纤准直器；9、第二光纤耦合器；10、光电探测器；11、数据采集卡；12、运动物体。
图2中，f0为激光器发出激光的频率；fmax为最大调制频率；B为扫频带宽；T为扫频周期；fD为多普勒频移；τ为反射光与参考光之间的时间延迟；f1与f2分别为扫频时在上升段与下降段得到的拍频频率。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：如图所示，本实施例的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，包括主激光器1、任意波形发生器2、电光调制器3、从激光器4、第一光纤环形器5、第二光纤环形器7，第一光纤耦合器6、第二光纤耦合器9、光纤准直器8、光电探测器10和数据采集卡11；
所述主激光器1、任意波形发生器2、电光调制器3与从激光器4构成注入锁定系统，经过注入锁定后，调制后的信号中负一阶边带将被抑制，并且正一阶边带的旁瓣也被抑制，能量集中于正一阶边带。
注入锁定后激光的频率由主激光器1所控制，输出功率由从激光器4所控制。如图2所示，任意波形发生器2发出的信号为三角波形式的线性调频连续信号，通过此信号可根据探测光与参考光的频率差计算物体运动的瞬时速度。
本装置使用光纤准直器8发射探测光并对运动物体反射的光信号进行接收，达到同时收发的功能。运动物体12可以选择运动小车。
实施例2：如图所示，本实施例的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速方法，主激光器1发出窄线宽的波长为1550nm的激光，将其连接至电光调制器3进行抑制载波调制，调制信号来自于任意波形发生器2。
调制信号将激光调制出两个边带，为正负一阶边带，通过使用第一光纤环形器5，将调制后的激光送入从激光器4，微调从激光器4的波长，使其波长中心与正一阶边带的波长中心对准，以此实现注入锁定。
所述第一光纤环形器5出来的光经第一光纤耦合器6分为两路，一路为探测光，对运动物体的速度进行探测；一路为参考光，用作对接收到的反射光进行相干探测。
探测光经第二光纤环形器7进入光纤准直器8送入到空间中对物体进行探测，经运动物体反射的光仍由光纤准直器8进行接收，接收到的信号与参考光在第二光纤耦合器9中进行相干探测，经光电探测器10转换后的电信号由数据采集卡11所采集以便于后续的计算。
对接收到的信号在三角波的上升频段和下降频段分别进行傅里叶变换，得到两个拍频频率f1与f2，将其带入速度公式：
Figure BDA0002373901700000041
可得出物体运动的瞬时速度，式中，λ为激光器的中心波长，为1550nm。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置及方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，其特征在于，包括主激光器(1)、任意波形发生器(2)、电光调制器(3)、从激光器(4)、第一光纤环形器(5)、第一光纤耦合器(6)、第二光纤环形器(7)、光纤准直器(8)、第二光纤耦合器(9)、光电探测器(10)和数据采集卡(11)；
所述任意波形发生器(2)的波形输出端口连接电光调制器(3)的微波信号输入端口，主激光器(1)的输出端口连接电光调制器(3)的光信号输入端口，电光调制器(3)的光输出端口连接第一光纤环形器(5)的I端口，从激光器(4)的输出端口连接至第一光纤环形器(5)的II端口，第一光纤环形器(5)的III端口连接第一光纤耦合器(6)，光束分为两路，一路为探测光，另一路为参考光，探测光经第二光纤环形器(7)进入光纤准直器(8)送入到空间中对物体进行探测，经运动物体(12)反射的光由光纤准直器(8)进行接收，接收到的信号与参考光依次进入第二光纤耦合器(9)、光电探测器(10)和数据采集卡(11)。
2.根据权利要求1所述的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，其特征在于，所述主激光器(1)为窄线宽激光器。
3.根据权利要求2所述的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，其特征在于，所述主激光器(1)与从激光器(4)的中心波长均为1550nm附近可调。
4.根据权利要求1所述的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，其特征在于，所述主激光器(1)与从激光器(4)可以是光纤激光器或半导体激光器。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，其特征在于，所述任意波形发生器(2)发出三角波形式的线性调频信号。
6.根据权利要求5所述的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，其特征在于，所述任意波形发生器(2)发出的调制信号频率范围为3GHz-20GHz，带宽为1GHz-10GHz的三角波线性调频信号。
7.根据权利要求5所述的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速装置，其特征在于，第一光纤耦合器(6)和第二光纤耦合器(9)可以为1×2或2×2端口，第一光纤耦合器(6)为99：1的光纤耦合器，第二光纤耦合器(9)为50：50的光纤耦合器。
8.一种注入锁定调频连续波激光雷达测速方法，该方法是基于权利要求1所述的测速系统实现的，其特征在于，具体为：
主激光器(1)发出激光后进入电光调制器，来自任意波形发生器(2)发出三角波形式的线性调频信号对激光载波进行抑制载波调制，经调制后的激光由正一阶边带、负一阶边带所组成，电光调制器(3)输出的光经过第一光纤环形器(5)注入从激光器(4)以实现注入锁定，经过注入锁定后旁瓣与负一阶边带被抑制，能量集中于正一阶边带处，之后经过第一耦合器(6)分为探测光与参考光；探测光经第二光纤环形器(7)及光纤准直器(8)发射到物体上，运动物体反射回来的光与参考光在第二耦合器(9)中进行相干探测得到拍频信号，后经光电探测器(10)转换为电信号，使用数据采集卡(11)进行数据的采集以及处理。
9.根据权利要求8所述的一种注入锁定调频连续波激光雷达测速方法，其特征在于，所述数据采集卡(11)对接收的信号进行采样，在连续调频三角波的上升段与下降段各采集数据，分别对上升频段和下降频段的数据进行傅里叶变换，处理后可得到上升频段信号频率f1与下降频段信号频率f2；
根据速度公式：
Figure FDA0002373901690000021
可得出物体运动的瞬时速度，式中，λ为主激光器的中心波长。
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