CN111190189A - 多功能双调频相干激光雷达 - Google Patents

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Abstract

一种多功能双调频相干激光雷达，其构成包括单频激光器、分束器、第一光频调制器、激光放大器、收发望远镜、光学扫描器、第二光频调制器、光学复数化器、信号发生器、数字延时控制器、信号采集与处理器。本发明能实现激光测距、测速、三维扫描成像、激光合成孔径成像等多种功能，具有系统结构简单、易于集成和小型化的特点，可实现目标的高精度数据获取，抑制背景光干扰，有效提高成像灵敏度，特别适用于远距离目标的多维度信息探测。

Description

多功能双调频相干激光雷达
技术领域
本发明涉及相干激光雷达，特别是一种多功能双调频的相干激光雷达。
背景技术
激光雷达在目标识别、分类和精确瞄准等方面有非常明显的技术优势。目前已经研制和开发出大量不同技术体制的激光雷达。主要可分为非相干光直接探测方式和相干光外差探测方式。最为典型的非相干三维激光雷达是基于飞行时间法(TOF)的脉冲激光三维成像雷达[参见文献[1]S.Hu,S.S.Young,T.Hong,J.P.Reynolds,K.Krapels,B.Miller,J.Thomas,and O. Nguyen.Super-resolution for flash ladar imagery.Appl.Opt.49,772(2010)；文献[2]P.Cho,H. Anderson,R.Hatch,P.Ramaswami.Real-time 3D ladarimaging.Linc.Lab.J.16,147(2006).]，已广泛应用于无人机、自动驾驶等领域，其国内外公司相继投入大量资金研发推出了多种车载激光三维雷达[参见文献3：J.Gao,J.Sun,andM.Cong.Research on an FM/cw ladar system using a 64×64InGaAs metal-semiconductor-metal self-mixing focal plane array of detectors. Appl.Opt.56,2858(2017).；文献4：B.Stann,B.C.Redman,W.Lawler,M.Giza,and J. Dammann.Chirpedamplitude modulation ladar for range and Doppler measurements and 3-Dimaging.SPIE,655005(2007)；文献5：X.Ren,Y.Altmann,R.Tobin,A.Mccarthy,S.Mclaughlin, and G.S.Buller,"Wavelength-time coding for multispectral 3Dimaging using single-photon LiDAR,"Opt.Express,26,30146(2018)]。它们采用强度探测，具有原理简单、技术路线简单、技术成熟度高的优点，但仍存在抗干扰严重、探测距离近、灵敏度低等问题。而相干外差探测方式采用本振激光与回波信号激光在光电探测器进行外差技术，可以抑制背景噪声，抗干扰能力强，可有效提高信噪比，同时可以获得多维信息：距离、速度、偏振等。近年来被广泛研究并应用于目标的探测识别与成像领域，包括激光合成孔径雷达(即激光SAR)[参见文献6：L.Liu,“Coherent and incoherent synthetic-aperture imaging ladars and laboratory-space experimental demonstrations[Invited].Appl.Opt.,52,579(2013)；文献7：G.Li,Z.Lu,Y.Zhou, J.Sun,Q.Xu,C.Lao,H.He,G.Zhang,and L.Liu,Far-field outdoor experimental demonstration of down-looking synthetic aperture ladar.Chin.Opt.Lett.15,082801(2017)；文献8：B.Krause, J.Buck,C.Ryan et al..Synthetic aperture ladar flight demonstration[C].CLEO:2011-Laser Applications to Photonic Applications,OSA TechnicalDigest(CD)(Optical Society of America, 2011),paper PDPB7。]等。
对于相干激光雷达，有基于伪随机编码的相干激光雷达[参见文献9：JosephBuck, Andrew Malm,Andrew Zakel,Brian Krause,et al.High-resolution 3D CoherentLaser Radar Imaging.SPIE,2007,6550,655002.]，存在探测带宽高、硬件复杂。有NASA的自主着陆和危险回避项目(ALHAT)，用于NASA的对月球和火星的载人和机器人的空间探测计划中的着陆过程，其中用于距离和速度测量的多普勒雷达是一种全光纤线性调频连续波相干(FMCW) 激光雷达，采用单路调频和光纤延迟实现了距离和速度的测量[参见文献10：F.Amzajerdian, D.Pierrottet,L.Petway,et al.Lidar systems for precisionnavigation and safe landing on planetary bodies,2011:819202-819202-819207.文献11：D.F.Pierrottet,F.Amzajerdian,L.Petway,et al. Linear FMCW laser radar forprecision range and vector velocity measurements.In:Proc.Mater. Res.Soc.Symp:Cambridge Univ Press,2008:1076-K1004.]，存在距离测程范围有限、重频低。还有Guy NPearson[参见文献12：Guy N Pearson,Kevin D Ridley and David V Willetts.Longrange 3D active imagery with a scanned single element 1.55m coherent lidarsystem.SPIE,2005, 5988,59880M.]采用锯齿状的低重频调频连续波实现了室外的相干三维激光成像，同样存在成像时间长、重频低等等。
相干激光雷达具有高灵敏度的多维度信息探测等优点，相干激光雷达朝着远距离、高重频、大范围、多功能等方向发展，但现有的相干激光雷达体制功能单一、采用单路固定的物理延时、一般有电流调制、腔长调制等内调制容易导致激光相干性差、重频低，进而影响成像距离等。在远距离的实时应用中亟需多种功能集成的一体化、兼具高重频、远距离、高相干的激光雷达。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提出了一种多功能双调频相干激光雷达，该激光雷达能实现激光测距、测速、三维扫描成像、激光合成孔径成像等多种功能，具有系统结构简单、易于集成和小型化的特点，可实现目标的高精度数据获取，抑制背景光干扰，有效提高成像灵敏度，特别适用于远距离目标的多维度信息探测。
本发明的技术解决方案如下：
一种多功能双调频相干激光雷达，其特点在于：包括单频激光器、分束器、第一光频调制器、激光放大器、收发望远镜、光学扫描器、第二光频调制器、光学复数化器、信号发生器、数字延时控制器和信号采集与处理器，上述部件的位置关系如下：
所述的单频激光器输出的光束经过分束器分为信号光束和本振光束：
所述的信号光束经过第一光频调制器、激光放大器、收发望远镜和光学扫描器指向发射至雷达目标，该雷达目标的散射回波经所述的光学扫描器、收发望远镜进入所述的光学复数化器；
所述的本振光束经第二光频调制器进入所述的光学复数化器；
所述的第一光频调制器和第二光频调制器由所述的信号发生器产生调制信号进行光频调制，所述的本振光束的调制信号为经过所述的数字延时控制器数字延时控制后对所述的对输入第二光频调制器的本振光束进行调制，第二光频调制器输出调制的激光，所述的数字延时控制器根据不同的工作距离对本振光束进行不同的时延的数字延时控制；
所述的光学复数化器对回波信号与所述的第二光频调制器同步输入的调制激光进行相干解调，最后由信号采集与处理器进行采集处理。
本发明多功能双调频相干激光雷达具有测距、测速、三维扫描成像和激光合成孔径成像等多种工作模式，的工作过程如下：
当工作模式为测距、测速、激光合成孔径成像时，所述的光学扫描器进行光束指向目标而不进行扫描；
所述的信号发生器输出三角调频波形或梯形调频波形等其他调频信号，用于克服距离速度的信号耦合。
所述的信号采集和处理器采用上升沿、下降沿的傅里叶变换，获取目标频率为ξ，
对静态目标，根据下列时延与频率的关系获取目标距离z：
Figure RE-GDA0002425101780000031
其中，c为光束，B为调制带宽，τ为调制时间；
对运动目标，根据下列公式同时获得目标速度υ和距离z：
Figure RE-GDA0002425101780000032
和
Figure RE-GDA0002425101780000033
其中，fup,fdown分别为信号的上下降沿频率；
进行激光合成孔径成像时，激光雷达与目标沿顺轨向相对运动，所述的信号的采集与处理器采用距离向傅里叶变换聚焦成像，方位向匹配滤波孔径合成成像；
当工作模式为扫描成像时，所述的光学扫描器进行二维方位大范围高速扫描，并记录编码器位置，用于匹配三维成像，在目标距离采集的同时进行扫描角(方位和俯仰角)的同步采集，进而根据下列三维公式获取目标三维图像：
Figure RE-GDA0002425101780000034
Figure RE-GDA0002425101780000035
Figure RE-GDA0002425101780000036
其中，dis为回波探测到的距离，
Figure RE-GDA0002425101780000037
和θ分别为俯仰角和方位角。
所述的数字延时控制器对本振光束的进行数字延时控制，根据不同的工作距离进行不同的时延控制，增加有效的相干时间。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果；
1、采用外调制技术实现激光发射源的窄线宽快调谐；
2、双通道调制实现灵活可变延时可有效降低外差中频和线性度的要求，可进一步提高成像的工作距离，提高有效的相干时间；
3、光学扫描器可实现激光光束的指向、扫描、对复杂目标环境的高精度探测；
4、同一套装置可实现测距、测速、三维扫描成像、合成孔径成像等多种功能，具有设备简单、调制解调信息丰富等优点。
总之，本发明能实现激光测距、测速、三维扫描成像、激光合成孔径成像等多种功能，具有系统结构简单、易于集成和小型化的特点，可实现目标的高精度数据获取，抑制背景光干扰，有效提高成像灵敏度，特别适用于远距离目标的多维度信息探测。
附图说明
图1是本发明多功能双调制相干激光雷达的结构示意图。
图2是本发明多功能双调制相干激光雷达的测距、测速、三维扫描成像、合成孔径成像的工作模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明多功能双调制相干激光雷达的结构示意图。由图可见，本发明多功能双调频相干激光雷达，其特点在于：包括单频激光器1、分束器2、第一光频调制器3、激光放大器4、收发望远镜5、光学扫描器6、第二光频调制器7、光学复数化器8、信号发生器9、数字延时控制器10和信号采集与处理器11，上述元部件的位置关系如下：
所述的单频激光器1输出的光束经过分束器2分为信号光束和本振光束：
所述的信号光束经过第一光频调制器3、激光放大器4、收发望远镜5和光学扫描器6 指向发射至雷达目标，该雷达目标的散射回波经所述的光学扫描器6、收发望远镜5进入所述的光学复数化器8；
所述的本振光束经第二光频调制器7进入所述的光学复数化器8；
所述的第一光频调制器3和第二光频调制器7由所述的信号发生器9产生调制信号进行光频调制，所述的本振光束的调制信号为经过所述的数字延时控制器10数字延时控制后对所述的对输入第二光频调制器7的本振光束进行调制，第二光频调制器7输出调制的激光，所述的数字延时控制器10根据不同的工作距离对本振光束进行不同的时延的数字延时控制；
所述的光学复数化器8对回波信号与所述的第二光频调制器7同步输入的调制激光进行相干解调，最后由信号采集与处理器11进行采集处理。
所述的单频激光器1输出的光束经过分束器2分为信号光束和本振光束，信号光束经过第一光频调制器3、激光放大器4，并由收发望远镜5和光学扫描器6后为平面波，则激光发射的平面波光场表示为
Figure RE-GDA0002425101780000051
其中，振幅起伏Ainten(t)主要有激光器、微波线性调频源/倍频器、电光调制器等的影响，f0为激光器的初始频率，激光器的调频率
Figure RE-GDA0002425101780000052
其中τ为频率调制的时间。
本振光束由发射的激光经过分束器2分路获取，其光场也可以表达为
Figure RE-GDA0002425101780000053
而发射激光光束经过距离z传播至目标平面，由目标后向散射返回，并通过接收望远镜5接收，以点目标的散射传播为例，其回波可写为：
Figure RE-GDA0002425101780000054
其中，
Figure RE-GDA0002425101780000055
为经过目标中心距离z的时间延时，c为传播的光速。需要注意的是：
Figure RE-GDA0002425101780000056
是表征相干激光雷达到目标的相对时间差，不同的目标运动状态，其相对时间差具有不同的形式，主要有如下几种：静态目标、匀速运动目标，三维扫描(光束运动)，激光合成孔径(目标平动)。
信号光与平行波面的本振光经过光学复数化器8混频积分探测后，最终的相位差可表示为：
Figure RE-GDA0002425101780000061
其最终输出的四路信号有：
Figure RE-GDA0002425101780000062
理想情况下，a1＝a2＝a3＝a4＝1，b1＝b2＝b3＝b4＝1，最终的平衡探测后的光电流信号有：
Figure RE-GDA0002425101780000063
式中，η为信号采集与处理器11内的光电探测量子效率，q为电荷量，h为普朗克常量。
所述的多功能双调频相干激光雷达最终获取的相干信号为目标的干涉相位信息，该相位信息包含了时间延迟信息、多普勒信息、空间波面位置信息，充分考虑目标的运动特性可以进行测距、测速、三维扫描成像以及激光合成孔径成像等工作模式。当工作模式为测距、测速、激光合成孔径成像时，所述的光学扫描器6可进行光束指向目标而不进行扫描；当工作模式为扫描成像成像时，所述的光学扫描器6进行大范围高速扫描，并记录编码器位置，用于匹配三维成像，其具体的回波收集及信息提取处理如下：
1)静态目标测距模式
采用多功能双调频相干激光雷达对静止目标进行测距，其目标距离zp的回波时间延迟可表示为：
Figure RE-GDA0002425101780000064
则信号光和本振光的相位差为：
Figure RE-GDA0002425101780000071
此时的回波中频信号可写为：
Figure RE-GDA0002425101780000072
该相位信息为线性相位，通过回波信号的傅里叶变换可获得频率信息，处理过程如下：
Figure RE-GDA0002425101780000073
最终可获得了距离信息
Figure RE-GDA0002425101780000074
2)目标运动的测距测速模式：
假设距离雷达z的目标点靠近雷达以速度v匀速运动，此时的时间延迟表示为：
Figure RE-GDA0002425101780000075
则信号光和本振光的相位差为：
Figure RE-GDA0002425101780000076
相位项的第一项为速度引起的多普勒和线性调频的距离线性项，第二项为速度和调频率引起的二次相位因子(时变频率项，即多普勒调频项)，第三项为固定项。
由于υ＜＜c，因此
Figure RE-GDA0002425101780000077
则回波的中频信号可近似表达为：
Figure RE-GDA0002425101780000078
其瞬时频率为：
Figure RE-GDA0002425101780000079
上式可知获取目标的频率信号可采用快速FFT算法或其他变换算法。由于调制带宽远小于初始频率，即B＜＜(ω0+2ωf)，此时多普勒调频项对中频的信号影响很小，可忽略。
上式还可以看出中频信号同时存在距离项和多普勒项，实际使用中可采用发射频率为三角波形(或其他波形：直角、梯形等)进行频率调制，以三角波形为例说明，此时上下降沿的回波中频为：
Figure RE-GDA0002425101780000081
最终的距离和速度为：
Figure RE-GDA0002425101780000082
这样就同时获得到了目标距离和速度。
3)三维扫描成像模式
上述已经说明了如何获得了目标得距离和速度，其三维成像模式中，只需要进一步由光学扫描器6进行二维的角度扫描，同时记录光束的二维扫描方向角，即俯仰角和方位角
Figure RE-GDA0002425101780000085
和θ，则最终可获得三维成像信息为
Figure RE-GDA0002425101780000083
其中，dis为FMCW测得的目标距离z。
4)激光合成孔径成像模式
对于激光合成孔径成像模式，主要利用的是距离向(或交轨向)快时间调制的距离分辨和慢时间的方位向(或顺轨向)的二次相位调制的光斑内聚焦成像。对于光斑内的目标点 (xp，yp)，以条带合成孔径为例，条带扫描(方位向y扫描)运动后的回波信号的相位差为：
Figure RE-GDA0002425101780000084
其中，Δz可以通过双调频的数字延时器10控制延时，使得回波得中频信号控制在探测器可测量范围内，因此，最终的点目标的雷达方程(参见文献1)可以写为：
Figure RE-GDA0002425101780000091
其中，E0、Elo分别为信号光和本振光的振幅，Ks、Kt,x(xp)、Kt,y(yp:nTs)、Θ(xp,yp-vnTs)、 Ks是与收发口径尺寸、目标特性、系统结构等有关的因子，且Dt、Dr分别为收发望远镜5 的尺寸，ρp、lx×ly分别是目标反射率和目标尺寸，其具体的表达式可表示为：
Figure RE-GDA0002425101780000092
Figure RE-GDA0002425101780000093
Figure RE-GDA0002425101780000094
Figure RE-GDA0002425101780000095
最终，合成孔径激光成像雷达的二维数据收集方程表示为：
Figure RE-GDA0002425101780000096
根据数据收集方程，先经过交轨向的一维傅里叶变换和顺轨向匹配滤波，可以得到二维的SAIL图像，表示为：
Figure RE-GDA0002425101780000097
对于点目标，上式可简化为：
Figure RE-GDA0002425101780000098
其中，SR(ξ)是交轨向成像的脉冲响应函数，SA(m)是顺轨向成像的脉冲响应函数，*代表卷积运算。在目标平面上有：
Figure RE-GDA0002425101780000099
y＝(vTs)m (28)
在理想情况下，交轨向的脉冲响应为sinc(ξTf)，与数据采集时间长度有关。理论上，交轨向半高全宽理论分辨率为：
Figure RE-GDA0002425101780000101
其中，B为SAIL激光光源快时间数据采集时间内的调频带宽。
同样，顺轨向的脉冲响应表示为sinc[yDft/λ(Z/2)]，与SAL的光学足趾尺寸Dfp有关，顺轨向零值全宽理论分辨率为：
Figure RE-GDA0002425101780000102
当
Figure RE-GDA0002425101780000103
时，上式可进一步写为
Figure RE-GDA0002425101780000104
图1是本发明最佳实施例的结构原理示意图，其具体结构和参数如下：
假设使用的单频激光器1的中心波长采用1.55μm，第一光频调制器3和第二光频调制器 7的调制带宽为3GHz，调制的脉冲时间τ＝5us，调频率
Figure RE-GDA0002425101780000105
激光频率调制重复率为100kHz，工作距离10km，收发望远镜5的发射与接收口径为50mm。对于合成孔径成像模式，最终的测距分辨率为5cm，合成孔径模式的方位分辨率为2.5cm。对于三维扫描成像模式，扫描的帧数为20Hz，当快时间扫描周期为1kHz时，每帧的采样点为 50pixel*100pixel。对于测距测速模式，数据输出率为1kHz，可实时获取目标距离与速度。几种成像模式的工作示意图如图2所示。
实验表明，本发明多功能双调频相干激光雷达能实现激光测距、测速、三维扫描成像、激光合成孔径成像等多种功能，具有系统结构简单、易于集成和小型化的特点，可实现目标的高精度数据获取，抑制背景光干扰，有效提高成像灵敏度，特别适用于远距离目标的多维度信息探测。

Claims (3)

1.一种多功能双调频相干激光雷达，其特征在于：包括单频激光器(1)、分束器(2)、第一光频调制器(3)、激光放大器(4)、收发望远镜(5)、光学扫描器(6)、第二光频调制器(7)、光学复数化器(8)、信号发生器(9)、数字延时控制器(10)和信号采集与处理器(11)，上述部件的位置关系如下：
所述的单频激光器(1)输出的光束经过分束器(2)分为信号光束和本振光束：所述的信号光束经过第一光频调制器(3)调制后，经所述的激光放大器(4)、收发望远镜(5)和光学扫描器(6)指向发射至雷达目标，该雷达目标的散射回波经所述的光学扫描器(6)、收发望远镜(5)进入所述的光学复数化器(8)；
所述的本振光束经第二光频调制器(7)调制后进入所述的光学复数化器(8)；
所述的第一光频调制器(3)和第二光频调制器(7)由所述的信号发生器(9)产生调制信号进行光频调制，所述的本振光束的调制信号为经过所述的数字延时控制器(10)数字延时控制后对所述的对输入第二光频调制器(7)的本振光束进行调制，第二光频调制器(7)输出调制激光，所述的数字延时控制器(10)根据不同的工作距离对本振光束进行不同的时延的数字延时控制；
所述的光学复数化器(8)对回波信号与所述的第二光频调制器(7)同步输入的调制激光进行相干解调，最后由信号采集与处理器(11)进行采集处理。
2.根据权利要求1所述的多功能双调频相干激光雷达，其特征在于：所述的信号发生器(8)输出三角调频波形或梯形调频波形等其他调频信号。
3.根据权利要求1所述的多功能双调频相干激光雷达，其特征在于：根据所述的光学扫描器(6)的扫描、雷达(或目标)的不同运动形式，并经过信号采集与处理器(11)的采集处理，可实现测距、测速、三维扫描成像以及激光合成孔径成像多种功能。
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