CN111751844B - 一种基于频域编码技术的相干激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于频域编码技术的相干激光雷达。本发明通过设置N个声光调制器分别对入射的激光调制，每个声光调制器产生的频移量vM均不同，从而产生N个不同频率的激光信号。由于受激布里渊散射阈值与入射激光的频率相关，通过设置每个频率的激光信号功率都小于该频率对应的受激布里渊散射阈值，从而实现在不引起受激布里渊散射的同时，使激光雷达整体出射功率成为每一单独的声光调制器支路出射功率的叠加，实现出射激光功率的倍增效应，解决了激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达的信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达大气遥感领域，尤其涉及一种基于频域编码技术的相干激光雷达。
背景技术
激光雷达作为近年快速发展的新型光波主动式遥感技术，由于具有高精度及高时空分辨率的遥测特性,已经在大气及海洋环境探测等领域得到广泛的应用。
随着光纤激光技术的发展，光纤在激光雷达中的使用越来越普遍，光纤的应用极大地推动了激光雷达技术的发展。近年来，已经出现了全光纤激光雷达，大大提高了激光雷达的小型化、集成化程度。
本发明的发明人经研究发现：与传统的测风手段相比，由于激光在大气传输过程中，受大气衰减及各种复杂天气状况影响，相干激光雷达接收的回波信号具有很低的信噪比和很大的随机性。多普勒激光雷达信号可以描述为一个零均值复高斯随机过程的信号光附加一个统计独立的白噪声。目前，最常用的多普勒频移估计算法是周期图最大值法，即直接提取每个距离门激光雷达时域信号功率谱的最大值对应的频率值。当信噪比(SNR)较低时，频率估计存在偏差，从而增大了测量误差。提高雷达回波信号的信噪比是雷达接收机从噪声中提取回波信号的关键，也是进行后续数据分析处理的前提。
本发明的发明人进一步经研究发现：为提高信噪比，目前采用方法有增加光纤激光器的发射脉冲功率，增大望远镜口径等。采取增大望远镜口径的方法，会大大提高成本。而采用增加发射脉冲功率的方法，虽然在一定程度上能够提高信噪比，但光功率超过受激布里渊散射的阈值时，会激发强烈的受激布里渊散射，降低激光功率，损坏光纤器件。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于频域编码技术的相干激光雷达，能够克服受激布里渊散射对激光功率的限制，有效提高激光雷达的发射功率和信噪比。
为实现本发明的上述目的，本发明提出了一种基于频域编码技术的相干激光雷达，包括：连续光激光器、分束器、N个声光调制器、第一耦合器、光纤放大器、光学收发模块、第二耦合器和平衡光电探测器；N为大于1的自然数；其中，
所述连续光激光器用于输出频率为v0的连续激光；
所述连续光激光器的输出端与分束器的输入端通过光纤连接；
所述分束器包括N+1个输出端，用于将连续光激光器输出的激光分成N+1路；分束器的其中一个输出端与第二耦合器的一个输入端连接，剩余的每一个输出端分别与一个声光调制器通过光纤连接；
每个声光调制器用于将输入的连续激光调制为脉冲光并改变输入的连接激光的频率；声光调制器输出的激光频率为v0+vM，其中，vM为声光调制器调制产生的频移量；每个声光调制器根据预设的编码规则对入射激光调制产生对应的频移量vM，且每个声光调制器对应的频移量vM均不同；
N个声光调制器输出的激光信号经第一耦合器耦合后输出到光纤放大器；
光纤放大器用于对输入的激光放大后输出到光学收发模块；
光学收发模块用于将输入的激光发射到目标物，并接收从目标物返回的回波信号；光学收发模块还用于将接收到的回波信号输出到第二耦合器的另一输入端；第二耦合器的输出端与平衡光电探测器的输入端连接。
进一步的，每个声光调制器根据预设的编码规则产生对应的频移量vM，包括：根据预设的编码规则使每个声光调制器的频移量vM为：vMi＝vM0+mΔvM；其中，i为vM的下标，代表每个声光调制器的序号；i∈[1,N]，vM0为预设的基底频移量；ΔvM为预设的动态频移量；m为编码系数，m为整数。
进一步的，所述连续光激光器用于输出频率为v0为1.5微米波段，所述光纤放大器为EDFA。
进一步的，所述光学收发模块包括光纤环形器和收发望远镜；所述光纤环形器用于将输入的光信号输出至收发望远镜，并将收发望远镜接收的信号输出至第二耦合器；所述收发望远镜用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号。
进一步的，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于将输入的光信号输出至目标物；所述接收望远镜用于接收目标物返回的信号，并将接收到的信号输出至第二耦合器。
进一步的，还包括数据采集模块，数据采集模块用于采集平衡光电探测器输出的射频信号，并将其转换为数字信号。
进一步的，还包括数据处理模块，所述数据处理模块包括：
第一图像生成模块，用于根据每个声光调制器对应的频移量vM，获得所述频移量vM对应的回波信号功率谱分布函数Sp0，并生成对应的Sp0函数图像；
第二图像生成模块，用于对所述回波信号(即平衡光电探测器输出RF信号)对应的第j个距离门内的时域信号实施快速FFT变化，获得该距离门内的实际功率谱分布函数Sp1，并生成对应的Sp1函数图像；其中，j为回波信号对应的距离门的序号；
相关分析模块，用于对Sp0函数图像和Sp1函数图像做相关性分析，根据分析结果得到相关最大位置；
多普勒频移计算模块，用于根据得到的相关最大位置计算目标物产生的多普勒频移Δvd。
进一步的，所述数据处理模块还包括：
速度计算模块，用于根据目标物产生的多普勒频移Δvd计算目标物携带的速度信息。
相应的，一种多普勒频移获取方法，基于上述频域编码技术的相干激光雷达，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据每个声光调制器对应的频移量vM，获得所述频移量vM对应的回波信号功率谱分布函数Sp0，并生成对应的Sp0函数图像；
S2、对所述回波信号(即平衡光电探测器输出RF信号)对应的第j个距离门内的时域信号实施快速FFT变化，获得该距离门内的实际功率谱分布函数Sp1，并生成对应的Sp1函数图像；其中，j为回波信号对应的距离门的序号；
S3、对Sp0函数图像和Sp1函数图像做相关性分析，根据分析结果得到相关最大位置；
S4、根据得到的相关最大位置计算目标物产生的多普勒频移Δvd。
进一步的，上述方法还包括以下步骤：
S5、根据目标物产生的多普勒频移Δvd计算目标物携带的速度信息。
综上所述，本发明通过设置N个声光调制器分别对入射的激光调制，每个声光调制器产生的频移量vM均不同，从而产生N个不同频率的激光信号，这些不同频率的激光信号在频域上分散开，各自独立。由于受激布里渊散射阈值与入射激光的频率相关，通过设置每个频率的激光信号功率都小于该频率对应的受激布里渊散射阈值，从而实现在不引起受激布里渊散射的同时，使激光雷达整体出射功率成为每一单独的声光调制器支路出射功率的叠加，实现出射激光功率的倍增效应，解决了激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达的信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于频域编码技术的相干激光雷达的结构框图；
图2为本发明实施例提供的受激布里渊散射的示意图；
图3为本发明实施例提供的受激布里渊散射的又一示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于频域编码技术的相干激光雷达的另一结构框图；
图5为本发明实施例提供的一种基于频域编码技术的相干激光雷达的又一结构框图；
图6为本发明实施例提供的一种基于频域编码技术的相干激光雷达的数据处理模块的结构框图；
图7为本发明实施例提供的一个应用场景中的Sp0函数图像；
图8为本发明实施例提供的一次相干激光雷达实测的回波信号的时域信号数据；
图9为本发明实施例提供的根据现有技术中多普勒频率的测量图；
图10为本发明实施例提供的一个应用场景中的Sp1函数图像；
图11为本发明实施例提供的一种多普勒频移获取方法的流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例1仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供了一种基于频域编码技术的相干激光雷达，包括：连续光激光器10、分束器11、N个声光调制器12、第一耦合器13、光纤放大器14、光学收发模块15、第二耦合器16和平衡光电探测器17；N为大于1的自然数；其中，
所述连续光激光器10用于输出频率为v0的连续激光。连续激光也成为CW激光。
所述连续光激光器10的输出端与分束器11的输入端通过光纤连接。
所述分束器11包括N+1个输出端，用于将连续光激光器10输出的激光分成N+1路；分束器11的其中一个输出端与第二耦合器16的一个输入端连接，剩余的每一个输出端分别与一个声光调制器12通过光纤连接。
每个声光调制器12用于将输入的连续激光调制为脉冲光并改变输入的连接激光的频率；声光调制器12输出的激光频率为v0+vM，其中，vM为声光调制器12调制产生的频移量；每个声光调制器12根据预设的编码规则对入射激光调制产生对应的频移量vM，且每个声光调制器12对应的频移量vM均不同。
具体的，声光调制器12(Acousto-optic modulator，简称AOM)是利用声光效应将信息加载于光频载波上的光调制器。调制信号是以电信号(调幅)形式作用于电声换能器上,再转化为以电信号形式变化的超声场，形成超声光栅。激光通过声光介质被超声光栅衍射时，其传播方向和频率都将发生变化。衍射光的频率在原输入激光频率上叠加了一个超声频率，这就是声光移频。光频的改变量等于外加射频功率信号的频率。输出光取正一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率加电信号频率，当输出光取负一级衍射光时，输出光的频率为原激光频率减电信号频率。通过改变输入电信号的频率，就可以控制输出光的移频量。声光调制器12由于受晶体材料尺寸限制，移频量通常在几十兆赫。在光纤放大器14的带宽范围内，由声光调制器12输出的激光信号可由同一个光纤放大器14进行放大。
可以理解的是，在具体的实施过程中，每个声光调制器12的频移量是可以随意设置的，只要每个声光调制器12调制后的激光频率不同，都可实现本发明的目的。为了进一步提高编码效率和调制精度，在一个实施例中，每个声光调制器12根据预设的编码规则产生对应的频移量vM，包括：根据预设的编码规则使每个AOM的频移量vM为：vMi＝vM0+mΔvM；其中，i为下标，i∈[1,N]，代表N个AOM的序号；vM0为预设的基底频移量；ΔvM为预设的动态频移量；m为编码系数，m为整数。具体的，m可为正整数、负整数，还可以是0。这样一来，不同AOM的频移量的差值均为单位频移量ΔvM的整数倍；因此，调制时，只需对每个AOM对应的编码系数m进行编码，就可产生一个频率序列。例如，若AOM的数目为3，即N＝3，将编码系数m设为-1、0、2时，可产生vM1＝vM0-ΔvM、vM1＝vM0、vM1＝vM0+2ΔvM三种不同频率的激光脉冲，如图7所示。具体应用时，通过改变AOM的调制信号(电信号)来改变AOM的频移量。
N个声光调制器12输出的激光信号经第一耦合器13耦合后输出到光纤放大器14。
光纤放大器14用于对输入的激光放大后输出到光学收发模块15。
为了避免发生受激布里渊散射，光纤放大器14输出的每个频率的激光信号功率都小于该频率对应的受激布里渊散射的阈值光功率。
光学收发模块15用于将输入的激光发射到目标物，并接收从目标物返回的回波信号；光学收发模块15还用于将接收到的回波信号输出到第二耦合器16的另一输入端；第二耦合器16的输出端与平衡光电探测器17的输入端连接。
需要说明的是，本发明中所述的连接，若涉及到光学器件，若无特殊说明，均指用光纤连接。
为了便于理解本发明的技术方案，下面简要阐述相干激光雷达的基本工作原理：连续光激光器10产生中心频率为v0的线偏振光，经分束器11后分为出射激光和本振光，出射激光经声光调制器12AOM调制为脉冲光，并产生vM的频移，再由放大器进行功率放大，经望远镜出射。若需要探测大气风速，则目标物为大气粒子，设大气粒子因运动对脉冲光产生的多普勒频移为vd，则回波信号中心频率为v0+vM+vd。在接收机模块，回波信号与本振光两者的拍频信号经平衡光电探测器17转换为频率为vM+vd的射频电信号，再经采集卡采样和后续电路数据处理分析得到速度信息。使用基于出射激光脉冲的飞行时间法，可以得到不同距离处的风场信息。
本发明的目的之一在于克服光纤中受激布里渊散射对激光功率的限制。为了更清楚地阐述本发明的技术方案，下面对布里渊散射进行详细说明。布里渊散射是介质的非线性引起的效应，尤其是与声学声子相关的非线性部分。入射的声子能够转化为一个具有更低能量的散射声子，通常是背向传播，还有另一个声子。光场与声波通过电致伸缩发生相互耦合。即使在很低的光功率情况下，这一效应也会发生，然后反射产生声子场。光功率更高时，会发生受激效应，这时主要由光场产生声子。当介质中的光束超过某一临界功率时，受激布里渊散射会反射大部分入射的光功率。这时背向反射波得到很强的非线性光学增益：即初始非常弱的相反方向传播的光在某一光纤频率时会被放大很多倍。两个相反方向的波会形成一个移动的折射率光栅；反射功率越大，折射率光栅越强，有效反射率越大。
反射光的频率略小于入射光的频率，频率差vB等于辐射声子的频率。该频率差称为布里渊频移，由相位匹配条件决定。只存在背向布里渊散射时，布里渊频移可以通过折射率n，声学速度va，以及入射光的真空波长λ计算得到：
由于纤芯中声波的指数衰减，布里渊增益谱gB(v)具有洛伦兹线型：
gB(v)＝g0[1+(v-vB)2/(wB/2)2]-1， (2)
其中，wB为半高全宽FWHM。布里渊增益谱的峰值在布里渊频移vB处，峰值由布里渊增益系数给出：
其中，p12是纵向弹性光学系数，ρ0是密度，λp是泵浦波长，c是真空中的光速。在有限的动态范围中，vB和wB可表示为压力ε和温度T的线性函数如下：
窄带光学信号(例如，单频激光器产生的)在光纤放大器14中被放大或者在无源光纤中传播时常产生受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering，简称SBS)。受激布里渊散射是光纤中一种常见的非线性现象。
与自发布里渊散射不同，受激布里渊散射的产生过程是：在激光的电场作用下，通过电致伸缩效应，使介质发生周期性密度和介电常数的变化，感生声波场，而导致入射光与声波场间发生相干散射过程。
强泵浦激光场射入介质时，光波场的电致伸缩效应开始起作用，使介质内某些状态的声频振动(声子)得到极大增强，增强了的声波场又反过来增强对入射激光的散射作用，声波场、激光波场、激光的散射光波场在介质中同时存在，互相耦合。当入射激光的强度达到阈值后，使介质内声波场与散射光波场的增强作用补偿各自的损耗作用，产生感应声波场与布里渊散射光波场的受激放大或振荡效应，散射光具有发散角小、线宽窄等受激发射的特性，故称为受激布里渊散射。
受激布里渊散射的阈值光功率为：
其中，gB为布里渊增益系数，Ae为有效光纤纤芯截面积、Le为光纤有效作用长度；Δvp为光源线宽，ΔvB为SBS带宽，K为偏振因子(1＜＜K＜＜2)，在保偏光纤中，若抽运光和斯托克斯光沿相同方向偏振，则K＝1，在常规单模光纤中，抽运光和斯托克斯光之间的相对偏振角随机变化，则K＝2。
对线宽极窄的入射光，有：
本发明的发明人经实验测量，得到在1.5微米波段，布里渊散射频移约为11GHz，具体频移量与入射光的波长有关。图2中，曲线的中心较高的峰为入射激光，中心左右两侧的两个小峰由受激布里渊散射产生。
一旦输入的信号光功率达到或超过受激布里渊散射的阈值，将会发生很强的受激布里渊散射。受激布里渊散射会把绝大部分输入功率转换为反向斯托克斯波，反向斯托克斯波会消耗传输中的激光能量，造成正向传输的激光功率的显著损失，并会造成透射信号抖动，如图3所示。图3中，上面的虚线为理想情况下透射的泵浦功率，下面的实线为发生受激布里渊散射后的透射泵浦功率，很明显，受激布里渊散射导致透射的泵浦功率急剧下降。更为严重的是，强烈的反向斯托克斯波还可能会损害激光器，进而对整个激光雷达系统造成危害。
本发明通过设置N个声光调制器12分别对入射的激光调制，每个声光调制器12产生的频移量vM均不同，从而产生N个不同频率的激光信号，这些不同频率的激光信号在频域上分散开，各自独立。由于受激布里渊散射阈值与入射激光的频率相关，通过设置每个频率的激光信号功率都小于该频率对应的受激布里渊散射阈值，从而实现在不引起受激布里渊散射的同时，使激光雷达整体出射功率成为每一单独的声光调制器12支路出射功率的叠加，实现出射激光功率的倍增效应，解决了激光器脉冲峰值功率受限的问题，显著地提高了相干激光雷达的信噪比，有效提高了探测距离，且不需要脉冲积累时间，不牺牲探测时间和距离分辨率。
为了避免发生受激布里渊散射，光纤放大器14输出的每个频率的激光信号功率都小于该频率对应的受激布里渊散射的阈值光功率。
即，其中，Pout为光纤放大器14输出的每个频率的激光信号功率。
在一个实施例中，所述连续光激光器10用于输出频率为0为1.5微米波段，所述光纤放大器14为EDFA。
如图4所示，在一个实施例中，所述光学收发模块15包括光纤环形器151和收发望远镜152；所述光纤环形器151用于将输入的光信号输出至收发望远镜152，并将收发望远镜152接收的信号输出至第二耦合器16；所述收发望远镜152用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号。
如图5所示，在一个实施例中，所述光学收发模块15包括发射望远镜153和接收望远镜154；所述发射望远镜153用于将输入的光信号输出至目标物；所述接收望远镜154用于接收目标物返回的信号，并将接收到的信号输出至第二耦合器16。
进一步的，还包括数据采集模块18，数据采集模块18用于采集平衡光电探测器17输出的射频信号，并将其转换为数字信号。
进一步的，如图6所示，还包括数据处理模块20，所述数据处理模块20包括：
第一图像生成模块，用于根据每个声光调制器12对应的频移量vM，获得所述频移量vM对应的回波信号功率谱分布函数Sp0，并生成对应的Sp0函数图像。
具体的，第一图像生成模块中，功率谱分布函数也称为功率谱密度函数，它定义为单位频带内的信号功率。它表示了信号功率随着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况。功率谱表示信号功率随着频率的变化关系。
本发明生成的Sp0函数图像，包括功率随频移量vM变化的关系曲线，曲线的横坐标为频移量，纵坐标为功率。
作为示例，图7为一个应用场景中的Sp0函数图像，设定三个AOM的频移量分别为70MHz、80MHz、100MHz。为了便于后续做图像的相关性分析，可以选取包含特征频移量部分的图像作为Sp0函数图像，例如图中的阴影部分。
第二图像生成模块，用于对所述回波信号(即平衡光电探测器输出RF信号)对应的第j个距离门内的时域信号实施快速FFT变化，获得该距离门内的实际功率谱分布函数Sp1，并生成对应的Sp1函数图像；其中，j为回波信号对应的距离门的序号。
具体的，距离门也称为距离单元，距离门与激光雷达距离分辨率对应。实际的探测距离是连续的，对于不同的作用距离，常通过距离分辨率(即距离门)进行划分，离散化之后便于处理。对激光雷达的回波信号根据探测距离和距离门划分为K个距离门，每个距离门的序号用j表示，则j∈[1,K]；K＝R/ΔR；其中，R为激光雷达的探测距离，ΔR为激光雷达的距离分辨率。其中，对所述回波信号对应的第j个距离门内的时域信号实施快速FFT变化中所说的回波信号即平衡光电探测器17输出的射频信号。快速FFT变化即快速傅里叶变换。
图8为具体的应用场景中，一次相干激光雷达实测的回波信号的时域信号数据，图中包含了激光雷达载噪比随距离变化的情况。
图9为根据现有技术中多普勒频率的测量图。如图9所示，光源输出的本振光和信号光的频率相同时，对回波信号实施快速FFT变化，得到如图9中的曲线。图中的小峰为特征峰，代表拍频信号的频移量；除了目标峰外，信号曲线中还存在多个频率的噪声信号。在实际测量中，特别是在弱信号检测中，若噪声水平稍有提高，则包含多普勒频移的有用测量信号很容易淹没在噪声中，难以识别；从而为风速反演带来较大的误差，甚至无法准确反演风速。
图10为根据本发明的技术方案，多个AOM产生多个不同频移量，得到的实际功率谱分布函数Sp1图像，图中，出现了多个与AOM数量对应、频率间隔对应的包含有用信号的目标峰。Sp1图像的横坐标为频移量，即平衡光电探测器输出的拍频信号频率，纵坐标为强度信息。由于预先设定了多个AOM之间的频率间隔，即频率编码，多个目标峰之间的频率间隔也是已知的，而噪声没有规律；因此，通过识别频率间隔，本发明很容易识别多个目标峰。
相关分析模块，用于对Sp0函数图像和Sp1函数图像做相关性分析，根据分析结果得到相关最大位置。
本发明采用预设的图像相关性分析方法(例如图像互相关算法)，对Sp0函数图像和Sp1函数图像进行相关性分析和匹配。由于Sp0函数图像包含的关键信息是不同频移量的差值，即频率编码，图像匹配的特征参量优选为频率编码信息。多个回波信号的频率差值，基于频率编码信息，对Sp0函数图像和Sp1函数图像做相关性分析，根据分析结果得到两幅图像相关度最大的位置，即最匹配的位置，该位置对应回波信号的频移量，从而实现频移量的准确锁定和提取。
多普勒频移计算模块，用于根据得到的相关最大位置计算目标物产生的多普勒频移Δvd。
相干激光雷达中，回波信号与本振光两者的拍频信号经平衡光电探测器转换为频率为vM+vd的射频电信号。多普勒频移Δvd由步骤S3中获得的频移量与AOM的频移量相减得到。
再经采集卡采样和后续电路数据处理分析得到速度信息。使用基于出射激光脉冲的飞行时间法，可以得到不同距离处的风场信息。
进一步的，所述数据处理模块还包括：
速度计算模块，用于根据目标物产生的多普勒频移Δvd计算目标物携带的速度信息。
目标物的多普勒频移与其速度的对应关系是：
其中，V为目标物的移动速度，λ0为连续光的波长。根据公式(8)可计算目标物的速度。
如图11所示，本发明还提供了一种多普勒频移获取方法，基于上述基于频域编码技术的相干激光雷达，包括以下步骤：
S1、根据每个声光调制器对应的频移量vM，获得所述频移量vM对应的回波信号功率谱分布函数Sp0，并生成对应的Sp0函数图像；
S2、对所述回波信号(即平衡光电探测器输出RF信号)对应的第j个距离门内的时域信号实施快速FFT变化，获得该距离门内的实际功率谱分布函数Sp1，并生成对应的Sp1函数图像；其中，j为回波信号对应的距离门的序号；
S3、对Sp0函数图像和Sp1函数图像做相关性分析，根据分析结果得到相关最大位置；
S4、根据得到的相关最大位置计算目标物产生的多普勒频移Δvd。
进一步的，还包括以下步骤：
S5、根据目标物产生的多普勒频移Δvd计算目标物携带的速度信息。
需要说明的是，本发明的步骤S1-S5的顺序，并不是唯一的，仅用于标识。在不同的实施过程中，步骤顺序可以根据需要调制。例如，本发明的S1可以在S2之后。
本发明对多个AOM的频移量按照预设的模式进行编码，生成多峰模型组成的功率谱分布函数图像；同时，对回波信号对应的第j个距离门内的时域信号实施快速FFT变化，获得该距离门内的实际功率谱分布函数图像；通过将多峰模型组成的功率谱分布函数图像与实测图像做图像相关性分析，根据匹配结果能够精确锁定目标信号的多普勒频移，实现小信号的有效检索和识别。
特别地，由于相干激光雷达反演风速中需要提取的信号为频移量信号，通过对多个AOM的频移量间隔编码，基于频移量间隔作为图形匹配分析的特征，不需要很高的信噪比就能迅速锁定频移量，从而准确地提取多普勒频移。本发明能够大大提高相干激光雷达在弱信号中提取信号的能力。
本发明采用频域编码技术，能够显著提高相干激光雷达的抗干扰能力。在某一支信号受到干扰后，利用其余几支光路信号依然能够准确识别目标频率。
以往的激光雷达编码技术都聚焦在时域编码，即对发射脉冲的时间间隔进行编码，让激光器按照预定的时间间隔发射脉冲，仅改变激光脉冲的发射方式，并没有改变出射激光的功率和激光雷达的硬件结构，其本质上是一种软件编码方法。而本发明则通过对多个声光调制器的频移量进行控制和编码，产生多组不同频率的脉冲信号，不同频率的脉冲信号相互分散、独立工作，互不干扰。本发明属于硬件编码技术，可靠性和抗干扰性更强。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于频域编码技术的相干激光雷达，包括：连续光激光器、分束器、N个声光调制器、第一耦合器、光纤放大器、光学收发模块、第二耦合器和平衡光电探测器；N为大于1的自然数；其中，
所述连续光激光器用于输出频率为v0的连续激光；
所述连续光激光器的输出端与分束器的输入端通过光纤连接；
所述分束器包括N+1个输出端，用于将连续光激光器输出的激光分成N+1路；分束器的其中一个输出端与第二耦合器的一个输入端连接，剩余的每一个输出端分别与一个声光调制器通过光纤连接；
每个声光调制器用于将输入的连续激光调制为脉冲光并改变输入的连接激光的频率；声光调制器输出的激光频率为v0+vM，其中，vM为声光调制器调制产生的频移量；每个声光调制器根据预设的编码规则对入射激光调制产生对应的频移量vM，且每个声光调制器对应的频移量vM均不同；
N个声光调制器输出的激光信号经第一耦合器耦合后输出到光纤放大器；
光纤放大器用于对输入的激光放大后输出到光学收发模块；
光学收发模块用于将输入的激光发射到目标物，并接收从目标物返回的回波信号；光学收发模块还用于将接收到的回波信号输出到第二耦合器的另一输入端；第二耦合器的输出端与平衡光电探测器的输入端连接；
还包括数据处理模块，所述数据处理模块包括：
第一图像生成模块，用于根据每个声光调制器对应的频移量vM，获得所述频移量vM对应的回波信号功率谱分布函数Sp0，并生成对应的Sp0函数图像；
第二图像生成模块，用于对平衡光电探测器输出RF信号对应的第j个距离门内的时域信号实施快速FFT变化，获得该距离门内的实际功率谱分布函数Sp1，并生成对应的Sp1函数图像；其中，j为回波信号对应的距离门的序号；
相关分析模块，用于对Sp0函数图像和Sp1函数图像做相关性分析，根据分析结果得到相关最大位置；
多普勒频移计算模块，用于根据得到的相关最大位置计算目标物产生的多普勒频移Δvd。
2.根据权利要求1所述的一种基于频域编码技术的相干激光雷达，其特征在于，每个声光调制器根据预设的编码规则产生对应的频移量vM，包括：根据预设的编码规则使每个声光调制器的频移量vM为：vMi＝vM0+mΔvM；其中，i为vM的下标，代表每个声光调制器的序号；i∈[1，N]，vM0为预设的基底频移量；ΔvM为预设的动态频移量；m为编码系数，m为整数。
3.根据权利要求1所述的一种基于频域编码技术的相干激光雷达，其特征在于，所述连续光激光器用于输出频率为v0为1.5微米波段，所述光纤放大器为EDFA。
4.根据权利要求1所述的一种基于频域编码技术的相干激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括光纤环形器和收发望远镜；所述光纤环形器用于将输入的光信号输出至收发望远镜，并将收发望远镜接收的信号输出至第二耦合器；所述收发望远镜用于将光信号输出到目标物，并接收目标物返回的信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于频域编码技术的相干激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括发射望远镜和接收望远镜；所述发射望远镜用于将输入的光信号输出至目标物；所述接收望远镜用于接收目标物返回的信号，并将接收到的信号输出至第二耦合器。
6.根据权利要求1所述的一种基于频域编码技术的相干激光雷达，其特征在于，还包括数据采集模块，数据采集模块用于采集平衡光电探测器输出的射频信号，并将其转换为数字信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于频域编码技术的相干激光雷达，其特征在于，所述数据处理模块还包括：
速度计算模块，用于根据目标物产生的多普勒频移Δvd计算目标物携带的速度信息。
8.一种多普勒频移获取方法，基于权利要求1-7中任一基于频域编码技术的相干激光雷达，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据每个声光调制器对应的频移量vM，获得所述频移量vM对应的回波信号功率谱分布函数Sp0，并生成对应的Sp0函数图像；
S2、对平衡光电探测器输出RF信号对应的第j个距离门内的时域信号实施快速FFT变化，获得该距离门内的实际功率谱分布函数Sp1，并生成对应的Sp1函数图像；其中，j为回波信号对应的距离门的序号；
S3、对Sp0函数图像和Sp1函数图像做相关性分析，根据分析结果得到相关最大位置；
S4、根据得到的相关最大位置计算目标物产生的多普勒频移Δvd。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S5、根据目标物产生的多普勒频移Δvd计算目标物携带的速度信息。
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