CN111693988A - 一种激光毫米波一体化测距测速雷达方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光毫米波一体化测距测速雷达方法，调制后的光信号通过滤波分别在两个通道产生宽带线性调频激光信号和宽带线性调频毫米波信号。激光信号分为激光本振信号和激光发射信号，将激光发射信号发射并接收激光回波信号，激光回波信号和激光本振信号进行相干光混频，经过滤波、模数转换和傅里叶变换，获得激光通道测距测速数据；毫米波信号分为毫米波本振信号和毫米波发射信号；将毫米波发射信号发射并接收毫米波回波信号，毫米波回波信号和毫米波本振信号进行混频相干接收，再经过傅里叶变换获得毫米波通道测距测速数据。最后将两个通道数据进行数据融合处理。本发明结构紧凑，兼容性更强，能够适应更复杂的环境，而且扫频带宽和重复频率可以大幅度提高，带宽设置更自由。

Description

一种激光毫米波一体化测距测速雷达方法及装置

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种激光毫米波一体化测距测速雷达方法及装置。

背景技术

随着探测环境的日益复杂以及探测目标的多元化发展，实现多传感器融合，是雷达技术发展的必然趋势。多传感器融合就是将多种传感器获取的数据、信息集中在一起综合分析，以便更加准确可靠地描述外界环境，从而提高系统决策的正确性。一方面，任何单一探测体制都自带局限性，是无法很好的适应未来复杂的工作要求。比如激光雷达，激光雷达具有方向性好，波束窄，测距、测速和测角精度高等优点，但存在受大气的光传输效应影响大，遇浓雾、雨、雪天气无法不能全天候工作，搜索范围小等缺点；再比如毫米波雷达环境适应性良好穿透雾、霾、烟、灰尘的能力强，其测距精度受雨、雪、雾、阳光等天气因素和杂声、污染等环境的影响较小，可以保证车辆在恶劣天气下的正常运行，但是空间分辨率低，探测距离受到频段损耗的直接制约。另一方面，目前的多传感器融合仅局限在信息融合层面，而多传感器相结合过程中，必然会引起频谱的展宽，进而导致系统设计复杂化、电子学设计要求更高化，因此实际应用中很难满足兼容性，极大地限制了实用性。因此，下一代雷达系统需要实现激光-毫米波一体化来适应复杂易变的环境，实现高分辨率成像。这里的“一体化”是指雷达系统中同时实现激光信号发射接收和毫米波信号发射接收的两种探测模式。

随着微波光子学技术的发展，能够提供高精度、超宽带、抗电磁干扰、稳定的任意波形毫米波长射频信号，为激光-毫米波一体化雷达的发展提供了可行性。2015年，意大利的Bogoni团队(Valeria Vercesi等，Frequency-agile dual-frequency lidar forintegrated coherent radar-lidar architectures，Optics Letters，Vol.40，No.7，1358，2015)首次提出了微波雷达和激光雷达的集成一体化系统，利用同一个锁模激光器分别为激光雷达和微波雷达提供高稳定的光源，锁模激光器输出光学频率梳，通过控制F-P腔滤波器的腔长使其选出的锁模激光器的纵模不断发生周期性的变化形成锯齿波调频模式进而输出准调频连续波信号。但是基于锁模激光器和可调谐F-P腔滤波器产生准调频连续波信号发射模块，对激光器等硬件提出了过高要求。2016年，哈尔滨工业大学的董美慧等(董美慧，微波激光雷达一体化系统性能仿真及实验研究，哈尔滨工业大学硕士论文，2016)提出了双平行马赫增德尔调制器(DPMZM)产生频率梳，验证了光学频率梳+可调谐F-P腔滤波器结构可以得到微波波段、激光波段的频点阶跃变化的准调频连续波信号。但是DPMZM存在直流偏置漂移问题，降低了系统的鲁棒性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种激光毫米波一体化测距测速雷达方法及装置。本发明可以实现激光毫米波雷达一体化，不仅结构紧凑，兼容性更强，能够适应更复杂的环境，而且扫频带宽和重复频率可以大幅度提高，带宽设置更自由，在机载、车载和星载雷达领域具有良好的发展前景。

本发明的技术方案：一种激光毫米波一体化测距测速雷达方法，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过相位调制器，调频信号发生器产生的调频信号和基频信号发生器产生的基频信号经过混频、滤波和放大后得到混频信号，混频信号作为相位调制器的射频驱动信号对光信号进行相位调制，调制后的光信号通过第一分束器分成两束光，并分别进入激光雷达通道和毫米波雷达通道；在激光雷达通道内，调制后的光信号经带通滤波产生宽带线性调频激光信号，再经过放大，然后由第二分束分为激光本振信号和激光发射信号，将激光发射信号发射至目标并接收目标的激光回波信号，激光回波信号和激光本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过滤波和模数转换，使用现场可编程门阵列对获得的采样进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，同步获得激光雷达通道的测距测速数据；在毫米波雷达通道内，调制后的光信号经带阻滤波和高速光电接收，产生宽带线性调频毫米波电信号，再经过射频放大，然后由毫米波分束器分为毫米波本振信号和毫米波发射信号；将毫米波发射信号发射至目标并接收目标的毫米波回波信号，毫米波回波信号和毫米波本振信号通过毫米波混频器进行混频相干接收，接收信号经过模数转换后由现场可编程门阵列获得毫米波雷达通道的测距测速数据，最后将激光雷达通道的测距测速数据与毫米波雷达通道的测距测速数据在主控计算机中进行数据融合处理。

上述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号表示为：

E₀(t)＝E₀exp[j2πf₀t+jφ₀]；

式中，E₀是光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

f₀为激光频率；t是时间；φ₀为光信号初始相位。

前述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法，调频信号发生器产生的调频信号与基频信号发生器产生的基频信号经过混频、滤波和放大后，得到的混频信号为：

其中，M是电路放大倍数，V_{RF_M}是调频信号的振幅，V_{RF_B}是基频信号的振幅，

是调频信号的调频速率，表示为

f_{RF_B}是基频信号的频率，f_{RF_H}是调频信号的高频截止频率，f_{RF_L}是调频信号的低频截止频率，T是调频信号的周期，B是调频带宽；φ_{N_RF}(t)是混频后的噪声位相；

混频信号作为相位调制器的射频驱动信号对光信号进行相位调制，调制后的光信号为：

；

其中，E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；E₀是光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

f₀为激光频率；t是时间；φ₀为光信号初始相位；E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；V_π是相位调制器的半波电压；φ₀是激光器输出的初始位相；φ_{N_PM}(t)是相位调制器输出的噪声位相；β是相位调制器的调相系数，

上式通过贝塞尔函数展开得：

其中，J_n是第一类n阶贝塞尔函数，n＝0,1,2…；上式J₀表示光载波，其余J_n项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。

前述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法，在激光雷达通道，首先采用带通滤波器对残余载波和双边带对调制后的光信号进行滤波，使k阶单边带激光信号通过，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变化，在一个周期内，前半部分称之为正向调频，后半部分称为负向调频，表示为：

其中，E_k是k阶激光信号振幅，表示为E_k＝J_k(β)E_{0_PM}；j_k(β)是参数为β的k阶第一类贝塞尔函数；E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

φ_N(t)是激光信号初始位相，表示为

t是时间，T为调频周期，f₀为激光频率，

为调频速率，B为调频带宽；f_{RF_B}是基频信号的频率；φ_{N_RF}(t)是混频后的噪声位相，k是边带级次；φ₀为光信号初始相位；φ_{N_PM}(t)是相位调制器输出的噪声位相；

调制后的光信号经过放大后，再经过第二分束器分为激光本振光束和激光发射光束；

激光本振信号为时间延迟τ_L的线性调频信号，表示为：

其中，E_L是激光本振信号的振幅，φ_LO是激光本振信号的噪声位相；

激光发射信号经过光学环形器，再通过光学扫描器和光学望远镜发射至目标，并由光学望远镜接收目标的激光回波信号，激光回波信号为时间延迟τ_S的线性调频信号，表示为：

其中，E_S是激光回波信号的振幅，φ_S是激光回波信号的噪声位相；

激光回波信号和激光本振信号合束后表示为：

激光回波信号的时间延迟τ_S和激光本振信号的时间延迟τ_L表示为：

其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，f₀是激光频率，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；

合束后经2×4 90°光学桥接器混频后的四路输出分别为：

其中，φ_N-n是混频噪声位相，I_S是和激光回波信号有关的直流量；I_o是和激光本振光束有关的直流量；

光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，获得中频信号，光电平衡探测器输出的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

其中，k_in是接收同相信号的光电探测器响应率，k_qu是接收正交信号的光电探测器响应率，φ_i是同相信号的噪声相位，φ_q是正交信号的噪声位相；

为了简化，同相信号和正交信号的振幅用下式来代替：

得到：

具有正交特性的同相信号和正交信号分别经过滤波，再经过第一模数转换器完成模数转换，由现场可编程门阵列采集，进行多普勒频移测量：

首先，同相信号和正交信号方便进行快速傅里叶变换；

同相信号傅里叶变换表示为：

正交信号傅里叶变换表示为：

然后互谱处理；

^*表示共轭，·表示相乘运算；

取其虚部得到：

Img＝δ²(f-f_IF)-δ²(f+f_IF)；

通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频f_IF：

由上式可以得到：

由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为：

式中，λ₀为激光波长；

根据上式得到雷达平台与目标的距离：

因此，激光信号的测距测速数据中的测距分辨率表示为：

激光信号的测距测速数据中的测速分辨率表示为：

式中，λ₀为激光波长。

前述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法，在毫米波雷达通道内，用带阻滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k阶双边带光信号通过，表示为：

因此得到两束相位相关的频差为

的光边带；

两束光信号入射至高速光电探测器上，通过差拍产生的毫米波电信号为：

由于两束光信号相位是相关的，产生的毫米波噪声相位噪声仅取决用于相位调制器的驱动电噪声；然后对毫米波电信号采用对称三角波线性频率调制，经过毫米波放大器放大后经过毫米波分束器分为毫米波本振信号和毫米波发射信号两路，毫米波发射信号经过毫米波环形器和毫米波天线发射，并由毫米波天线接收目标的毫米波回波信号，毫米波回波信号经过滤波放大后与毫米波本振信号进行混频产生中频信号，接收信号经过第二模数转换器模数转换后输入现场可编程门阵列进行傅里叶变换，获得毫米波雷达通道的测距测速数据。

前述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法的装置，包括窄线宽单频连续激光器，窄线宽单频连续激光器经起偏器连接有相位调制器；所述相位调制器的驱动端依次连接有射频放大器和射频混频器；所述射频混频器连接有调频信号发射器和基频信号发生器；所述相位调制器的输出端连接有第一分束器，第一分束器分别连接有激光雷达通道和毫米波雷达通道；

所述激光雷达通道包括与第一分束器连接的光学带通滤波器，光学带通滤波器经激光放大器连接有第二分束器，第二分束器连接有光学环形器；所述光学环形器的输出端依次连有光学扫描器和光学望远镜；所述光学环形器和第二分束器一同连接有光学桥接器，光学桥接器的输出端经光电平衡探测器连接有第一模数转换器；

所述激光激光雷达通道包括与第一分束器连接的光学带阻滤波器，光学带阻滤波器经高速光电平衡探测器连接有毫米波放大器，毫米波放大器连接有毫米波分束器；所述毫米波分束器的输出端依次连接有毫米波环形器和毫米波天线；所述毫米波环形器经滤波放大电路和毫米波分束器一同连接有毫米波混频器，毫米波混频器的输出端连接有第二模数转换器；

所述第一模数转换器和第二模数转换器一同连接有现场可编程门阵列，现场可编程门阵列的输出端连接有主控计算机。

与现有技术相比，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过相位调制器，调频信号发生器产生的调频信号和基频信号发生器产生的基频信号经过混频、滤波和放大后得到混频信号，混频信号作为相位调制器的射频驱动信号对光信号进行相位调制，调制后的光信号通过第一分束器分成两束光，并分别进入激光雷达通道和毫米波雷达通道；在激光雷达通道内，调制后的光信号经带通滤波产生宽带线性调频激光信号，再经过放大，然后由第二分束分为激光本振信号和激光发射信号，将激光发射信号发射至目标并接收目标的激光回波信号，激光回波信号和激光本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过滤波和模数转换，使用现场可编程门阵列对获得的采样进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，同步获得激光雷达通道的测距测速数据；在毫米波雷达通道内，调制后的光信号经带阻滤波和高速光电接收，产生宽带线性调频毫米波电信号，再经过射频放大，然后由毫米波分束器分为毫米波本振信号和毫米波发射信号；将毫米波发射信号发射至目标并接收目标的毫米波回波信号，毫米波回波信号和毫米波本振信号通过毫米波混频器进行混频相干接收，接收信号经过模数转换后由现场可编程门阵列获得毫米波雷达通道的测距测速数据，最后将激光雷达通道的测距测速数据与毫米波雷达通道的测距测速数据在主控计算机中进行数据融合处理，以此获取更为准确的测距和测速结果。由此本发明雷达可以采用共同的相位调制器进行相位调制，以及后续同一个现场可编程门阵列及主控计算机进行数据处理，从而实现了激光毫米波雷达一体化，因此本发明综合两种不同类型探测方式的优点，实现优势互补，使雷达系统性能达到最优化，能够适应更复杂的环境；进一步地，本发明采用了激光雷达通道和毫米波雷达通道双通道发射接收构造，结构更加的紧凑，器件的兼容性也越强；再进一步地，本发明雷达平台的带宽可以通过改变调频信号发生器、基频信号发生器以及滤波器实现，设置更自由，而且扫频带宽和重复频率可以大幅度提高。本发明在车载、机载和星载激光雷达领域具有良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明的雷达框架结构示意图；

图2是相位调制器输出的调频载波和边带信号原理示意图；

图3是对称三角波线性调频激光信号示意图；

图4是采用带通滤波器的滤波原理示意图；

图5是对称三角波线性调频毫米波信号示意图；

图6是带阻滤波器的滤波原理示意图。

附图中的标记为：

1、窄线宽单频连续激光器；2、起偏器；3、相位调制器；4、射频放大器；5、射频混频器；6、调频信号发射器；7、基频信号发生器；8、第一分束器；9、光学带通滤波器；10、激光放大器；11、第二分束器；12、光学环形器；13、光学扫描器；14、光学望远镜；15、光学桥接器；16、光电平衡探测器；17、第一模数转换器；18、光学带阻滤波器；19、高速光电平衡探测器；20、毫米波放大器；21、毫米波分束器；22、毫米波环形器；23、毫米波天线；24、滤波放大电路；25、毫米波混频器；26、第二模数转换器；27、现场可编程门阵列；28、主控计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过相位调制器，调频信号发生器产生的调频信号和基频信号发生器产生的基频信号经过混频、滤波和放大后得到混频信号，混频信号作为相位调制器的射频驱动信号对光信号进行相位调制，调制后的光信号通过第一分束器分成两束光，并分别进入激光雷达通道和毫米波雷达通道；在激光雷达通道内，调制后的光信号经带通滤波产生宽带线性调频激光信号，再经过放大，然后由第二分束分为激光本振信号和激光发射信号，将激光发射信号发射至目标并接收目标的激光回波信号，激光回波信号和激光本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过滤波和模数转换，使用现场可编程门阵列对获得的采样进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，同步获得激光雷达通道的测距测速数据；在毫米波雷达通道内，调制后的光信号经带阻滤波和高速光电接收，产生宽带线性调频毫米波电信号，再经过射频放大，然后由毫米波分束器分为毫米波本振信号和毫米波发射信号；将毫米波发射信号发射至目标并接收目标的毫米波回波信号，毫米波回波信号和毫米波本振信号通过毫米波混频器进行混频相干接收，接收信号经过模数转换后由现场可编程门阵列获得毫米波雷达通道的测距测速数据，最后将激光雷达通道的测距测速数据与毫米波雷达通道的测距测速数据在主控计算机中进行数据融合处理，该处的数据融合处理为常规的技术手段，以结合激光雷达通道的测距测速数据与毫米波雷达通道的测距测速数据进行得到更为准确的测距和测速结果。

实现上述方法的装置，如图1所示，包括窄线宽单频连续激光器，窄线宽单频连续激光器经起偏器连接有相位调制器；所述相位调制器的驱动端依次连接有射频放大器和射频混频器；所述射频混频器连接有调频信号发射器和基频信号发生器；所述相位调制器的输出端连接有第一分束器，第一分束器分别连接有激光雷达通道和毫米波雷达通道；

所述激光雷达通道包括与第一分束器连接的光学带通滤波器，光学带通滤波器经激光放大器连接有第二分束器，第二分束器连接有光学环形器；所述光学环形器的输出端依次连有光学扫描器和光学望远镜；所述光学环形器和第二分束器一同连接有光学桥接器，光学桥接器的输出端经光电平衡探测器连接有第一模数转换器；

所述激光激光雷达通道包括与第一分束器连接的光学带阻滤波器，光学带阻滤波器经高速光电平衡探测器连接有毫米波放大器，毫米波放大器连接有毫米波分束器；所述毫米波分束器的输出端依次连接有毫米波环形器和毫米波天线；所述毫米波环形器经滤波放大电路和毫米波分束器一同连接有毫米波混频器，毫米波混频器的输出端连接有第二模数转换器；

所述第一模数转换器和第二模数转换器一同连接有现场可编程门阵列，现场可编程门阵列的输出端连接有主控计算机。

实施例2：一种激光毫米波一体化测距测速雷达方法，如图1所示，采用人眼安全的1550.148nm(相应频率为193397.0GHz)单模窄线宽光纤激光器1，激光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生首先经过起偏器2，确保偏振消光比大于25dB，光信号表示为：

E₀(t)＝E₀exp[j2πf₀t+jφ₀]；

式中，E₀是光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

f₀为激光频率；t是时间；φ₀为光信号初始相位；

采用调频信号发生器6产生的调频信号和基频信号发生器7产生的基频信号经过射频混频器5混频，然后滤波，在经过射频放大器7放大后得到的混频信号，混频信号作为相位调制器3的射频驱动信号对光信号进行相位调制，其中调频信号发生器信号带宽2.5GHz，基频信号发生器频率10GHz，输出驱动射频信号驱动带宽为10GHz的相位调制器(铌酸锂电光调制器)；

调频信号发生器产生的调频信号与基频信号发生器产生的基频信号经过混频、滤波和放大后，得到的混频信号为：

其中，M是电路放大倍数，V_{RF_M}是调频信号的振幅，V_{RF_B}是基频信号的振幅，

是调频信号的调频速率，表示为

f_{RF_B}是基频信号的频率，f_{RF_H}是调频信号的高频截止频率，f_{RF_L}是调频信号的低频截止频率，T是调频信号的周期，B是调频带宽；φ_{N_RF}(t)是混频后的噪声位相；

混频信号作为相位调制器的射频驱动信号对光信号进行相位调制，调制后的光信号为：

其中，E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；E₀是光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

f₀为激光频率；t是时间；φ₀为光信号初始相位；E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；V_π是相位调制器的半波电压；φ₀是激光器输出的初始位相；φ_{N_PM}(t)是相位调制器输出的噪声位相；β是相位调制器的调相系数，

上式通过贝塞尔函数展开得：

其中，J_n是第一类n阶贝塞尔函数，n＝0,1,2…；如图2所示，相位调制器3输出的调频载波和边带信号。上式J₀表示光载波，其余J_n项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带；单频激光源的功率扩展到了n个调制边带上，这些调制边带的幅度由参数为β的第一类贝塞尔函数的相应阶数控制，并且可以通过改变微波调频信号和微波基频信号的振幅来实现载波抑制双边带调制，以得到性能优良的可调谐光学频率。

调制后的光信号通过第一分束器8分为激光信号和毫米波信号，并分别进入激光雷达通道和毫米波雷达通道；

在激光雷达通道，首先采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k阶单边带激光信号通过，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变化，在一个周期内，前半部分称之为正向调频，后半部分称为负向调频，表示为：

其中，E_k是k阶激光信号振幅，表示为E_k＝J_k(β)E_{0_PM}；j_k(β)是参数为β的k阶第一类贝塞尔函数；E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

φ_N(t)是激光信号初始位相，表示为

t是时间，T为调频周期，f₀为激光频率，

为调频速率，B为调频带宽；f_{RF_B}是基频信号的频率；φ_{N_RF}(t)是混频后的噪声位相，k是边带级次；φ₀为光信号初始相位；φ_{N_PM}(t)是相位调制器输出的噪声位相；

如图4所示，激光信号首先采用带通滤波器9对残余载波和双边带进行滤波，使k阶单边带激光信号通过；具体地，带通滤波器9采用反射模式的热调谐光纤布拉格光栅滤波器，设置其中心波长为1549.968nm(相应频率为193419.5GHz)，带通滤波器9的3dB通带带宽约为6GHz，边摸抑制比大于20dB；因此可以获得正二阶调制边带，调频带宽5GHz，调频速率1PHz/s，调频周期5μs，重复频率100kHz，即每秒钟发射10万个啁啾脉冲；

然后激光信号激光放大器10(掺铒光纤放大器)放大至300mW，再经过第二分束器11(1×2光纤保偏分束器)按光强1∶99的比例分为激光本振光束和激光发射光束；

激光本振信号为时间延迟τ_L的线性调频信号，表示为：

其中，E_L是激光本振信号的振幅，φ_LO是激光本振信号的噪声位相；

激光发射信号经过光学环形器12(光纤三端口环形器)，再通过光学扫描器13和光学望远镜14发射至目标，并由光学望远镜14接收目标的激光回波信号，激光回波信号为时间延迟τ_S的线性调频信号，表示为：

其中，E_S是激光回波信号的振幅，φ_S是激光回波信号的噪声位相；

激光回波信号和激光本振信号合束后表示为：

激光回波信号的时间延迟τ_S和激光本振信号的时间延迟τ_L表示为：

其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，f₀是激光频率，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；

合束后经2×4 90°光学桥接器15混频后的四路输出分别为：

其中，φ_N-n是混频噪声位相，I_S是和激光回波信号有关的直流量；I_o是和激光本振光束有关的直流量；

光学桥接器15输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器16进行接收，带宽100MHz，交流耦合，获得中频信号，光电平衡探测器16输出的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

其中，k_in是接收同相信号的光电探测器响应率，k_qu是接收正交信号的光电探测器响应率，φ_i是同相信号的噪声相位，φ_q是正交信号的噪声位相；

为了简化，同相信号和正交信号的振幅用下式来代替：

得到：

具有正交特性的同相信号和正交信号分别经过滤波，再经过第一模数17转换器完成模数转换，由现场可编程门阵列27采集，进入主控计算机28内进行多普勒频移测量：

首先，同相信号和正交信号方便进行快速傅里叶变换；

同相信号傅里叶变换表示为：

正交信号傅里叶变换表示为：

然后互谱处理；

^*表示共轭，·表示相乘运算；

取其虚部得到：

Img＝δ²(f-f_IF)-δ²(f+f_IF)；

通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频f_IF：

由上式可以得到：

由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为：

式中，λ₀为激光波长；

根据上式得到雷达平台与目标的距离：

因此，激光信号的测距测速数据中的测距分辨率表示为：

激光信号的测距测速数据中的测速分辨率表示为：

式中，λ₀为激光波长。

在毫米波雷达通道，如图5所示，采用对称三角波线性频率调制后的毫米波信号，如图6所示，用带阻滤波器18对残余载波和双边带进行滤波，使k阶双边带光信号通过，具体地，采用透射模式的热调谐光纤布拉格光栅滤波器，设置其中心波长为1550.148nm(相应频率为193397.0GHz)，滤波器的3dB阻带带宽约为30GHz，边摸抑制比大于20dB。因此可以同时获得正负二阶调制边带，调制频率40GHz，调频带宽10GHz，调频速率2PHz/s，调频周期5μs，重复频率100kHz，即每秒钟发射10万个啁啾脉冲；表示为：

因此得到两束相位相关的频差为

的光边带；

两束光信号入射至高速光电探测器19上，通过差拍产生的毫米波电信号为：

因此更高阶次的差拍信号可以通过滤波予以消除，而且由于两束光信号相位是相关的，产生的毫米波噪声相位噪声仅取决用于相位调制器的驱动电噪声；然后对毫米波电信号采用对称三角波线性频率调制，经过毫米波放大器19放大，再经毫米波分束器21分为毫米波本振信号和毫米波发射信号两路，毫米波发射信号经过毫米波环形器22和毫米波天线23发射，并由毫米波天线23接收目标的毫米波回波信号，毫米波回波信号经过滤波放大电路24滤波放大后与毫米波本振信号进入毫米波混频器25混频相干接收，得到接收信号，接收信号经过第二模数转换器24模数转换后输入现场可编程门阵列27进行傅里叶变换，获得毫米波雷达通道的测距测速数据。

最后将激光信号的测距测速数据与毫米波的测距测速数据在主控计算机中进行数据融合处理。

综上所述，本发明可以实现激光毫米波雷达一体化，不仅结构紧凑，兼容性更强，能够适应更复杂的环境，而且扫频带宽和重复频率可以大幅度提高，带宽设置更自由，在机载、车载和星载雷达领域具有良好的发展前景。

Claims (6)

1.一种激光毫米波一体化测距测速雷达方法，其特征在于：雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过相位调制器，调频信号发生器产生的调频信号和基频信号发生器产生的基频信号经过混频、滤波和放大后得到混频信号，混频信号作为相位调制器的射频驱动信号对光信号进行相位调制，调制后的光信号通过第一分束器分成两束光，并分别进入激光雷达通道和毫米波雷达通道；在激光雷达通道内，调制后的光信号经带通滤波产生宽带线性调频激光信号，再经过放大，然后由第二分束分为激光本振信号和激光发射信号，将激光发射信号发射至目标并接收目标的激光回波信号，激光回波信号和激光本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过滤波和模数转换，使用现场可编程门阵列对获得的采样进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，同步获得激光雷达通道的测距测速数据；在毫米波雷达通道内，调制后的光信号经带阻滤波和高速光电接收，产生宽带线性调频毫米波电信号，再经过射频放大，然后由毫米波分束器分为毫米波本振信号和毫米波发射信号；将毫米波发射信号发射至目标并接收目标的毫米波回波信号，毫米波回波信号和毫米波本振信号通过毫米波混频器进行混频相干接收，接收信号经过模数转换后由现场可编程门阵列获得毫米波雷达通道的测距测速数据，最后将激光雷达通道的测距测速数据与毫米波雷达通道的测距测速数据在主控计算机中进行数据融合处理。

2.根据权利要求1所述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法，其特征在于：雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号表示为：

E₀(t)＝E₀exp[j2πf₀t+jφ₀]；

式中，E₀是光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

f₀为激光频率；t是时间；φ₀为光信号初始相位。

3.根据权利要求1所述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法，其特征在于：调频信号发生器产生的调频信号与基频信号发生器产生的基频信号经过混频、滤波和放大后，得到的混频信号为：

其中，M是电路放大倍数，V_{RF_M}是调频信号的振幅，V_{RF_B}是基频信号的振幅，

是调频信号的调频速率，表示为

f_{RF_B}是基频信号的频率，f_{RF_H}是调频信号的高频截止频率，f_{RF_L}是调频信号的低频截止频率，T是调频信号的周期，B是调频带宽；φ_{N_RF}(t)是混频后的噪声位相；

混频信号作为相位调制器的射频驱动信号对光信号进行相位调制，调制后的光信号为：

其中，E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；E₀是光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

f₀为激光频率；t是时间；φ₀为光信号初始相位；E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；V_π是相位调制器的半波电压；φ₀是激光器输出的初始位相；φ_{N_PM}(t)是相位调制器输出的噪声位相；β是相位调制器的调相系数，

上式通过贝塞尔函数展开得：

其中，J_n是第一类n阶贝塞尔函数，n＝0,1,2…；上式J₀表示光载波，其余J_n项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。

4.根据权利要求3所述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法，其特征在于：在激光雷达通道，首先采用带通滤波器对残余载波和双边带对调制后的光信号进行滤波，使k阶单边带激光信号通过，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变化，在一个周期内，前半部分称之为正向调频，后半部分称为负向调频，表示为：

其中，E_k是k阶激光信号振幅，表示为E_k＝J_k(β)E_{0_PM}；j_k(β)是参数为β的k阶第一类贝塞尔函数；E_{0_PM}是相位调制器调制后的光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；

φ_N(t)是激光信号初始位相，表示为

t是时间，T为调频周期，f₀为激光频率，

为调频速率，B为调频带宽；f_{RF_B}是基频信号的频率；φ_{N_RF}(t)是混频后的噪声位相，k是边带级次；φ₀为光信号初始相位；φ_{N_PM}(t)是相位调制器输出的噪声位相；

调制后的光信号经过放大后，再经过第二分束器分为激光本振光束和激光发射光束；

激光本振信号为时间延迟τ_L的线性调频信号，表示为：

其中，E_L是激光本振信号的振幅，φ_LO是激光本振信号的噪声位相；

激光发射信号经过光学环形器，再通过光学扫描器和光学望远镜发射至目标，并由光学望远镜接收目标的激光回波信号，激光回波信号为时间延迟τ_S的线性调频信号，表示为：

其中，E_S是激光回波信号的振幅，φ_S是激光回波信号的噪声位相；

激光回波信号和激光本振信号合束后表示为：

激光回波信号的时间延迟τ_S和激光本振信号的时间延迟τ_L表示为：

其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，f₀是激光频率，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；

合束后经2×4 90°光学桥接器混频后的四路输出分别为：

其中，φ_N-n是混频噪声位相，I_S是和激光回波信号有关的直流量；I_o是和激光本振光束有关的直流量；

光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，获得中频信号，光电平衡探测器输出的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

其中，k_in是接收同相信号的光电探测器响应率，k_qu是接收正交信号的光电探测器响应率，φ_i是同相信号的噪声相位，φ_q是正交信号的噪声位相；

为了简化，同相信号和正交信号的振幅用下式来代替：

得到：

具有正交特性的同相信号和正交信号分别经过滤波，再经过第一模数转换器完成模数转换，由现场可编程门阵列采集，进行多普勒频移测量：

首先，同相信号和正交信号方便进行快速傅里叶变换；

同相信号傅里叶变换表示为：

正交信号傅里叶变换表示为：

然后互谱处理；

^*表示共轭，·表示相乘运算；

取其虚部得到：

Img＝δ²(f-f_IF)-δ²(f+f_IF)；

通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频f_IF：

由上式可以得到：

由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为：

式中，λ₀为激光波长；

根据上式得到雷达平台与目标的距离：

因此，激光信号的测距测速数据中的测距分辨率表示为：

激光信号的测距测速数据中的测速分辨率表示为：

式中，λ₀为激光波长。

5.根据权利要求3所述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法，其特征在于：在毫米波雷达通道内，用带阻滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k阶双边带光信号通过，表示为：

因此得到两束相位相关的频差为

的光边带；

两束光信号入射至高速光电探测器上，通过差拍产生的毫米波电信号为：

由于两束光信号相位是相关的，产生的毫米波噪声相位噪声仅取决用于相位调制器的驱动电噪声；然后对毫米波电信号采用对称三角波线性频率调制，经过毫米波放大器放大后经过毫米波分束器分为毫米波本振信号和毫米波发射信号两路，毫米波发射信号经过毫米波环形器和毫米波天线发射，并由毫米波天线接收目标的毫米波回波信号，毫米波回波信号经过滤波放大后与毫米波本振信号进行混频产生中频信号，接收信号经过第二模数转换器模数转换后输入现场可编程门阵列进行傅里叶变换，获得毫米波雷达通道的测距测速数据。

6.根据权利要求1-6任一项所述的激光毫米波一体化测距测速雷达方法的装置，其特征在于：包括窄线宽单频连续激光器(1)，窄线宽单频连续激光器(1)经起偏器(2)连接有相位调制器(3)；所述相位调制器(3)的驱动端依次连接有射频放大器(4)和射频混频器(5)；所述射频混频器(5)连接有调频信号发射器(6)和基频信号发生器(7)；所述相位调制器(3)的输出端连接有第一分束器(8)，第一分束器(8)分别连接有激光雷达通道和毫米波雷达通道；

所述激光雷达通道包括与第一分束器(8)连接的光学带通滤波器(9)，光学带通滤波器(9)经激光放大器(10)连接有第二分束器(11)，第二分束器(11)连接有光学环形器(12)；所述光学环形器(12)的输出端依次连有光学扫描器(13)和光学望远镜(14)；所述光学环形器(12)和第二分束器(11)一同连接有光学桥接器(15)，光学桥接器(15)的输出端经光电平衡探测器(16)连接有第一模数转换器(17)；

所述激光激光雷达通道包括与第一分束器(8)连接的光学带阻滤波器(18)，光学带阻滤波器(18)经高速光电平衡探测器(19)连接有毫米波放大器(20)，毫米波放大器(20)连接有毫米波分束器(21)；所述毫米波分束器(21)的输出端依次连接有毫米波环形器(22)和毫米波天线(23)；所述毫米波环形器(22)经滤波放大电路(24)和毫米波分束器(21)一同连接有毫米波混频器(25)，毫米波混频器(25)的输出端连接有第二模数转换器(26)；

所述第一模数转换器(17)和第二模数转换器(26)一同连接有现场可编程门阵列(27)，现场可编程门阵列(27)的输出端连接有主控计算机(28)。

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