CN111224716B - 相干激光通信与激光雷达一体化装置 - Google Patents

相干激光通信与激光雷达一体化装置 Download PDF

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Abstract

一种相干激光通信与激光雷达一体化装置，其构成包括第一单频激光器、电光调制器、激光放大器、收发望远镜、第二单频激光器、开关切换器、光学复数化器、码型发生器、数据存储器、信号采集处理器和宽带放大器。本发明可实现激光通信、激光雷达探测双功能，装置具有全天候工作的能力、抑制背景光干扰、成像灵敏度高、结构简单、易于集成和小型化的特点，可同时实现目标的高精度相干激光雷达数据获取和实时传输通信，特别适用于远距离目标的信息探测和实时信号传输。

Description

相干激光通信与激光雷达一体化装置
技术领域
本发明涉及激光通信与激光雷达，特别是一种相干激光通信与激光雷达的一体化装置。
背景技术
在相干体制中，需要传输的数据信息可以调制在光波的频率、相位、偏振或幅度的其中一种或几种上，因此除引入本振光与接收信号进行干涉外，不同通信方式的具体的结构各不相同，一种典型的相移键控(PSK)调制如文献[参见文献1：HO K-P.Phase-modulatedoptical communication systems[M].New York:Springer Science&Business Media,2005.]。相干探测方式一方面通过引入较强的本振光场提高干涉后的信号强度，使探测达到散粒受限(shot-noise limited)状态，而强度直接探测方式经常受到APD雪崩噪声、背景光噪声以及其他的电路热噪声等影响，接收灵敏度相对于相干方式下降了10-20dB，另一方面采用相位调制方式，如BPSK的调制方式与强度直接探测方式相比至少有6dB的灵敏度优势[参见文献2：KIKUCHI K.Fundamentals of coherent optical fiber communications[J].J Lightwave Technol,2016,34(1):157-79.].
在通信体制上，文献[参见文献3：NIU M B,CHENG J,HOLZMAN J F.Error rateperformance comparison of coherent and subcarrier intensity modulated opticalwireless communications[J].J Opt Commun Netw,2013,5(6):554-564.]分析结果表明采用本振光相干探测方式的无线光通信(OWC)系统相比子载波强度调制(SIM)高出24-30dB。一些一种新的调制方式像光的轨道角动量(OAM)也在光通信中被应用[参见文献4：SUT H,SCOTT R P,DJORDJEVIC S S,et al.Demonstration of free space coherentoptical communication using integrated silicon photonic orbital angularmomentum devices[J].Opt Express,2012,20(9):9396-9402.]。Neda等采用将微波输出的OFDM信号直接光强调制到1550nm光载波上的方式取得了自由空间中10Gbps的传输速率，测量得到的灵敏度比OOK提高了3dB[参见文献5：CVIJETIC N,DAYOU Q,TING W.10Gb/s free-space optical transmission using OFDM[C].OFC/NFOEC 2008Optical FiberCommunication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference,2008,1847-1849.]。Ezra等人采用QPSK调制，接收端本振光外差接收的方式在波段实现了自由空间通信，其灵敏度比一般的OOK方式提高了10dB以上[参见文献6：IP E,BUCHTER D,LANGROCK C,et al.QPSK transmission over free-space link at 3.8mu m using coherentdetection with wavelength conversion[C].34th European Conference on OpticalCommuication,2008,1-2.]。
由于本振激光器与信号激光器不可避免地存在一定的频率漂移，并且星地和星间的通信载体之间的相对运动在光波段可能导致数十GHz的多普勒频移起伏，一般采用光锁相环使本地激光器的频率和相位与信号激光器保持一致和同步，光锁相环采用平衡探测器探测信号光与本振光的频率差，用误差信号驱动可调谐激光器或者压控振荡器(VCO)构成闭环的各种跟踪系统被广泛研究并实现[参见文献7：KAZOVSKY L G.Balanced phase-locked loops for optical homodyne receivers-performance analysis,designconsiderations,and laser linewidth requirements[J].J Lightwave Technol,1986,4(2):182-195；文献8：KAZOVSKY L G,ATLAS D A.A 1320-nm experimental opticalphase-locked loop-performance investigation and PSK homodyne experiments at140Mb/s and 2Gb/S[J].J Lightwave Technol,1990,8(9):1414-1425.]。上述这些相干激光通信均为独立的相干通信系统，可广泛应用于远距离的星间激光通信中。
对于相干激光雷达，有基于伪随机编码的三维相干激光雷达[参见文献9：JosephBuck,Andrew Malm,Andrew Zakel,Brian Krause,et al.High-resolution 3D CoherentLaser Radar Imaging.SPIE,2007,6550,655002.]，实现了500m的三维室外成像，硬件复杂。有基于调频体制的激光雷达，调频体制是将调制信号加载在激光的频域，较为典型的基于线性调频的三维成像激光雷达体制是NASA-ALHAT项目中的Doppler Lidar。NASA于2007年12年发布了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。通过采用光学相干技术、线性调频技术，研制适用于空间环境的高效率、紧凑可靠的激光雷达。实现了距离和速度的同时测量[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.]。还有Brian W.Krause[参见文献12：BrianW.Krause,Bruce G.Tiemann,and Philip Gatt.Motion compensated frequencymodulated continuous wave 3D coherent imaging ladar with scannerlessarchitecture.Applied Optics,2012,51(36):8745-8761]采用高速CCD面阵接收，通过运动补偿实现了无扫描的室内1m距离的调频连续波相干三维成像，其控制复杂；Guy NPearson[参见文献13：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.]采用的锯齿状的调频连续波实现了8km室外的相干三维激光成像。
相干激光雷达具有远距离高灵敏度的多维度信息探测等优点，特别是在星地或星间的应用中的数据量越来越大，需要更有效便捷地传输下来。其星地和星间激光通信长久以来一直面临着不断增长的数据通信速率和低通信时延的需求。以激光作为载波的相干激光通信由于中心频率高，可以在很宽的带宽上承载传输数据，理论上能够达到极高的传输速率。与甚高频段的射频通信相比，自由空间激光通信(FSO)在天线尺寸、载荷重量以及重复性成本方面具有优势。目前的文献中都是仅有相干通信终端或仅单独为相干激光雷达，在远距离的实时应用中需要将获得的雷达数据直接进行实时传输，因此，相干激光通信与雷达的集成一体化具有重要的迫切需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是融合了相干激光通信与相干激光雷达的共性与差异，提出一种相干激光通信与激光雷达的一体化装置，该装置具有全天候工作的能力、抑制背景光干扰、成像灵敏度高、结构简单、易于集成和小型化的特点，可同时实现目标的高精度相干激光雷达数据获取和实时传输通信，特别适用于远距离雷达目标的信息探测和实时信号传输。
本发明的技术构思是：基于双向雷达回波与通信单向接收探测，在雷达应用中采用与发射信号光相同的激光器实现相干探测，而对应通信应用中采用另外的激光器与接收的通信信号进行锁相相干探测。整个装置的相干通信与相干雷达为相同器件，仅通过开关切换选择不同的本振光源进行相干探测。
本发明的技术解决方案如下：
一种相干激光通信与激光雷达的一体化装置，其特点在于：包括第一单频激光器、电光调制器、激光放大器、收发望远镜、第二单频激光器、开关切换器、光学复数化器、码型发生器、数据存储器、信号采集与处理器和宽带放大器，所述的开关切换器实现相干激光雷达与相干激光通信工作模式的切换，上述部件的位置关系如下：
所述的第一单频激光器输出信号光束和本振光束，沿所述的信号光束方向依次是所述的电光调制器、激光放大器和所述的收发望远镜，该收发望远镜将所述的信号光束发射至雷达目标，雷达目标的散射回波或对方终端发射的通信光束统称为回波通信光束，该回波通信光束经所述的收发望远镜接收后输入所述的光学复数化器的第二输入端；
所述的本振光束输入所述的开关切换器的第一输入端，所述的第二单频激光器的输出端与所述的开关切换器的第二输入端相连，所述的开关切换器的输出端与所述的光学复数化器的第一输入端相连，所述的光学复数化器的输出端与所述的信号采集和处理系统的输入端相连，该信号采集和处理系统的第一输出端与所述的数据存储器相连，所述的信号采集和处理系统的第二输出端与所述的第二单频激光器的控制端相连，所述的码型发生器和所述的数据存储器的输出端经所述的宽带放大器与所述的电光调制器的第二输入端相连，所述的收发望远镜接收的回波通信光束输入所述的光学复数化器的第二输入端。
所述的码型发生器工作在激光雷达功能时，为伪随机码，工作在通信功能时，为通信的数据码。
上述相干激光通信与激光雷达的一体化装置的工作过程如下：
本发明装置的工作模式由所述的开关切换器切换；
当所述的开关切换器与所述的第一单频激光器接通时，装置的工作模式为相干激光雷达工作模式：
所述的第一单频激光器输出的信号光束输入所述的电光调制器，由所述的码型发生器输出的调制信号经所述的宽带放大器放大后输入所述的电光调制器，对所述的第一单频激光器输出的信号光束进行调制，调制后的信号光束经所述的激光放大器和所述的收发望远镜发射至雷达目标，所述的收发望远镜接收的信号为目标漫反射的回波信号输入所述的光学复数化器的第一输入端，所述的第一单频激光器输出的本振光束经所述的开关切换器输入所述的光学复数化器的第二输入端，所述的本振光束与所述的回波信号在所述的光学复数化器进行相干激光雷达探测并输入所述的信号采集与处理器，所述的信号采集与处理器获得相干激光雷达信息，所述的信号采集与处理器将该相干激光雷达信息输入所述的数据存储器里存储；
当所述的开关切换器与所述的第二单频激光器接通时，装置的工作模式为相干激光通信工作模式：
所述的第一单频激光器输出的信号光束输入所述的电光调制器，由所述的码型发生器或者数据存储器里的数据经所述的宽带放大器放大后输入所述的电光调制器对所述的第一单频激光器输出的信号光束进行调制，调制后的信号光束经所述的激光放大器和所述的收发望远镜发射至对方通信终端通信信号，所述的收发望远镜接收的信号为对方通信终端发射的通信信号输入所述的光学复数化器，所述的第二单频激光器在所述的信号采集与处理器输出的数据信号的锁相控制下，所述的第二单频激光器输出的激光信号经所述的所述的开关切换器输入所述的光学复数化器的第二输入端，所述的激光信号与所述的通信信号在所述的光学复数化器进行实现通信相干探测，所述的信号采集与处理器获得相干激光通信信息，所述的信号采集与处理器将该相干激光通信信息一方面输入所述的数据存储器里存储，另一方面输入所述的所述的第二单频激光器，对所述的第二单频激光器的进行锁相跟踪控制。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、采用同一套装置同时实现激光通信与激光雷达探测，具有通信与雷达探测的双重功能，有效避免了通信与雷达系统装置的分离应用，具有结构紧凑、简单、切换方便等优点；
2、本发明可实现在远程激光雷达探测获取数据的实时激光传输，通过切换实现激光雷达数据的激光通信，具有数据探测传输的实时性；
3、本发明装置的相干激光雷达采用伪随机码调制或其他码型调制，具有调制速度快、带宽大的优点，扩展了频谱，可实现高精度的距离速度等信息参数测量。
附图说明
图1是本发明相干激光通信与激光雷达一体化装置结构示意图。
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。
请参阅图1，图1是本发明相干激光通信与激光雷达一体化装置结构示意图。由图可见，本发明相干激光通信与激光雷达的一体化装置，包括第一单频激光器1、电光调制器2、激光放大器3、收发望远镜4、第二单频激光器5、开关切换器6、光学复数化器7、码型发生器8、数据存储器9、信号采集与处理器10和宽带放大器11，所述的开关切换器6实现相干激光雷达与相干激光通信工作模式的切换，上述部件的位置关系如下：
所述的第一单频激光器1输出信号光束和本振光束，沿所述的信号光束方向依次是所述的电光调制器2、激光放大器3和所述的收发望远镜4，该收发望远镜4将所述的信号光束发射至雷达目标，雷达目标的散射回波或对方终端发射的通信光束统称为回波通信光束，该回波通信光束经所述的收发望远镜4接收后输入所述的光学复数化器7的第二输入端；
所述的本振光束输入所述的开关切换器6的第一输入端，所述的第二单频激光器5的输出端与所述的开关切换器6的第二输入端相连，所述的开关切换器6的输出端与所述的光学复数化器7的第一输入端相连，所述的光学复数化器7的输出端与所述的信号采集和处理系统10的输入端相连，该信号采集和处理系统10的第一输出端与所述的数据存储器9相连，所述的信号采集和处理系统10的第二输出端与所述的第二单频激光器5的控制端相连，所述的码型发生器8和所述的数据存储器9的输出端经所述的宽带放大器11与所述的电光调制器2的第二输入端相连，所述的收发望远镜4接收的通信光束输入所述的光学复数化器7的第二输入端。
所述的码型发生器8工作在激光雷达功能时，为伪随机码，工作在通信功能时，为通信的数据码。
上述相干激光通信与激光雷达的一体化装置的工作过程如下：
本发明装置的工作模式由所述的开关切换器6切换；
当所述的开关切换器6与所述的第一单频激光器1接通时，装置的工作模式为相干激光雷达工作模式：
所述的第一单频激光器1输出的信号光束输入所述的电光调制器2，由所述的码型发生器8输出的调制信号经所述的宽带放大器11放大后输入所述的电光调制器2，对所述的第一单频激光器1输出的信号光束进行调制，调制后的信号光束经所述的激光放大器3和所述的收发望远镜4发射至雷达目标，所述的收发望远镜4接收的信号为目标漫反射的回波信号输入所述的光学复数化器7的第一输入端，所述的第一单频激光器1输出的本振光束经所述的开关切换器6输入所述的光学复数化器7的第二输入端，所述的本振光束与所述的回波信号在所述的光学复数化器7进行相干激光雷达探测并输入所述的信号采集与处理器10，所述的信号采集与处理器10获得相干激光雷达信息，所述的信号采集与处理器10将该相干激光雷达信息输入所述的数据存储器9里存储；
当所述的开关切换器6与所述的第二单频激光器5接通时，装置的工作模式为相干激光通信工作模式：
所述的第一单频激光器1输出的信号光束输入所述的电光调制器2，由所述的码型发生器8或者数据存储器9里的数据经所述的宽带放大器11放大后输入所述的电光调制器2对所述的第一单频激光器1输出的信号光束进行调制，调制后的信号光束经所述的激光放大器3和所述的收发望远镜4发射至对方通信终端通信信号，所述的收发望远镜4接收的信号为对方通信终端发射的通信信号输入所述的光学复数化器7，所述的第二单频激光器5在所述的信号采集与处理器10输出的数据信号的锁相控制下，所述的第二单频激光器5输出的激光信号经所述的所述的开关切换器6输入所述的光学复数化器7的第二输入端，所述的激光信号与所述的通信信号在所述的光学复数化器7实现通信相干探测，所述的信号采集与处理器10获得相干激光通信信息，所述的信号采集与处理器10将该相干激光通信信息一方面输入所述的数据存储器9里存储，另一方面输入所述的所述的第二单频激光器5，对所述的第二单频激光器5的进行锁相跟踪控制。
所述第一单频激光器1输出信号光束和本振光束，信号光束经过电光调制器2、激光放大器3，并由收发望远镜4发射至目标位置。
假设光束经过电光调制器2、激光放大器3、收发望远镜4后为平面波，则激光发射至目标距离Z位置的光场为：
Figure BDA0002364444580000061
其中，ω0代表光波频率，L为发射的光学孔径的尺寸，TL为调制时间周期，θ(t)代表相位调制项，其相位调制编码为：
Figure BDA0002364444580000062
其中，τp表示子脉冲宽度，N表示子脉冲数目，a,b由码型发生器产生控制。
上述波形既可以作为对方接收的通信信号光，也可以作为激光雷达发射的信号光。而回波或是对方发射的通信光束经过收发望远镜4，进入所述的光学复数化器7；本振光束由所述的第一单频激光器1分束的本振光束与第二单频激光器5输出的激光束经过开关切换器6进行选取切换，并与接收的信号光束一同进入光学复数化器7，最终的信号经过信号采集和处理器10获得所需的数据，并放置在所述的数据存储器9，该数据又输入所述的第二单频激光器5，进行第二单频激光器5的锁相控制，实现通信过程的相干探测。由码型发生器8或数据存储器9存储的数据进行宽带放大器11的放大后输入所述的电光调制器2，对所述的电光调制器2实现线性的调制；所述的码型发生器8工作在激光雷达功能时为伪随机码，工作在通信功能时为通信的数据码。
通信与雷达一体化的最终接收回波为：
Figure BDA0002364444580000071
其中，τ′为时间延时长度，应用于激光雷达模式时，
Figure BDA0002364444580000072
应用于通信模式时，
Figure BDA0002364444580000073
Z为目标距离。
上述回波的信号光场与本振光进行相干干涉，对于激光雷达模式时，本振光为第一单频激光器1输出的，对于通信模式时，本振光为第二单频激光器5，并进行锁频和相位锁定，为分析方便，这里的本振光的信号写为统一锁频锁相后的信号光场，即为：
Figure BDA0002364444580000074
最终，目标回波与本振光经过所述的光学复数化器7的2×4光学桥接器复数化正交平衡探测及模数转换后，得到去除直流分量的复数化数字信号：
SIF＝CE0Eloexp{jθ(t-τ′)}
其中，C代表包括相干激光通信与激光雷达一体化装置的目标界面反射/透射和光电转换系数的复常数，在激光雷达模式中，将数字信号分别和m(t)＝exp{-jθ(t)}的匹配滤波器进行匹配滤波，即能得到聚焦的信号，从而提取目标的距离、速度等信息。
图1是本发明相干激光通信与激光雷达一体化装置结构示意图。本发明最佳实施例的结构参数如下：
第一单频激光器1发射激光波长1.55μm，所述的电光调制器2的调制速率为3GHz，发射光脉冲持续时间设计约为100μs，序列子脉冲长度为0.33ns，激光脉冲重复率为5kHz，A/D转换器的采样率为6GHz，工作距离100km，发射与接收口径为50cm。
实验表明，本发明装置具有全天候工作能力、抑制背景光干扰、成像灵敏度高、结构简单、易于集成和小型化的特点，可同时实现目标的高精度相干激光雷达数据获取和实时传输通信，特别适用于远距离目标的信息探测和实时信号传输。

Claims (2)

1.一种相干激光通信与激光雷达的一体化装置，其特征在于：包括第一单频激光器(1)、电光调制器(2)、激光放大器(3)、收发望远镜(4)、第二单频激光器(5)、开关切换器(6)、光学复数化器(7)、码型发生器(8)、数据存储器(9)和信号采集与处理系统 (10)和宽带放大器(11)，所述的开关切换器(6)实现相干激光雷达与相干激光通信工作模式的切换，上述部件的位置关系如下：
所述的第一单频激光器(1)输出信号光束和本振光束，沿所述的信号光束方向依次是所述的电光调制器(2)、激光放大器(3)和所述的收发望远镜(4)，该收发望远镜(4)将所述的信号光束发射至雷达目标或对方终端，雷达目标的散射回波或对方终端发射的通信光束统称为回波通信光束，该回波通信光束经所述的收发望远镜(4)接收后输入所述的光学复数化器(7)的第二输入端；
所述的本振光束输入所述的开关切换器(6)的第一输入端，所述的第二单频激光器(5)的输出端与所述的开关切换器(6)的第二输入端相连，所述的开关切换器(6)的输出端与所述的光学复数化器(7)的第一输入端相连，所述的光学复数化器(7)的输出端与所述的信号采集和处理系统(10)的输入端相连，该信号采集和处理系统(10)的第一输出端与所述的数据存储器(9)相连，所述的信号采集和处理系统(10)的第二输出端与所述的第二单频激光器(5)的控制端相连，所述的码型发生器(8)和所述的数据存储器(9)的输出端经所述的宽带放大器(11)与所述的电光调制器(2)的第二输入端相连，所述的收发望远镜(4)接收的回波通信光束输入所述的光学复数化器(7)的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的相干激光通信与激光雷达的一体化装置，其特征在于，所述的码型发生器(8)工作在激光雷达功能时，为伪随机码，工作在通信功能时，为通信的数据码。
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