CN112068107B - 一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，属激光雷达技术领域。本发明针对传统连续光相控阵激光雷达系统体积大、探测距离近及其传统相控阵激光雷达回波探测灵敏度低等难题，提出了一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统。本发明可使N路脉冲子光束在设定方向上实现相干合成，确保N路脉冲子光束能够在远场实现高光强扫描，从而满足远距离、高精度、无惯性的目标探测需求。利用外差相干探测系统探测微弱回波时，通过增加探测器个数同时提高本振光功率即可实现微弱信号探测，因此，该接收系统具有更高的灵敏度。

Description

一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统

技术领域

本发明涉及一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，属激光雷达技术领域。

背景技术

与传统光纤相控阵连续光激光雷达相比，光纤相控阵脉冲激光雷达由于其发射光源具有单色性好、相干性好、光斑亮度高等优点，被广泛应用在国防军工与民用领域。但是，要兼顾高功率发射、高灵敏回波探测以及整体系统小型化，却成为了当今光纤相控阵脉冲激光雷达应用于光电探测领域的技术难题。

高功率脉冲光纤相控阵发射系统(如专利《一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法》)，采用主振荡功率放大技术方案，可根据远距离目标探测需求，通过增加相干合成光纤数量，从而提高光纤相控阵脉冲激光雷达发射系统的光源功率。然而，当高功率脉冲光束穿过大气时，大气折射率会因为大气湍流发生随机变化产生散斑，以至光纤相控阵脉冲激光雷达接收到的回波信号及其微弱，信噪比非常低。由此可见，即使提高光纤相控阵脉冲激光雷达发射系统的发射功率，仍然难以探测到脉冲回波信号，导致其无法满足远距离、无惯性、高灵敏、高精度的探测需求。

当前，被广泛应用于光纤相控阵脉冲激光雷达目标微弱回波探测的多采用面阵盖革模式雪崩光电二极管(Gm-APD)作为探测器，但Gm-APD的触发受背景光影响较大，导致在白天强背景光条件下信号检测及提取效率不高，致使重构三维点云图像目标还原度低，图像信噪比受限，直接影响了后续的目标提取与识别。另外，目标所处环境的强杂波也会影响回波的信噪比，甚至会淹没目标信号。因此，无法对可疑目标进行实时高灵敏探测，从而导致光纤相控阵脉冲激光雷达的探测性能下降，使其在诸多领域的应用受到了严重障碍。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有光纤相控阵脉冲激光雷达无法兼顾高功率发射、高灵敏回波探测的问题，提供一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，该系统能够提高光纤相控阵脉冲激光雷达接收系统对微弱回波的探测灵敏度，同时解决传统采用面阵盖革模式雪崩光电二极管对目标微弱回波探测时受环境及背景光影响的难题，增强光纤相控阵脉冲激光雷达的综合性能。

本发明的目的是通过下述技术方案实现。

一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，包括本机振荡器、光纤分束器、光纤耦合器、信号合成器、鉴相器、锁相控制电路、电脑、光纤和探测器。

将M个探测器进行编号后按二维方形阵列排布，根据探测需求可无限量的扩展探测器的个数；当脉冲回波阵列相干探测系统启动工作后，本机振荡器产生与发射系统中各个子光源具有相同频率的光波信号，由光纤分束器分成M路经过光纤相位延迟线进入对应的M个2×2光纤耦合器；由M个探测器收到的目标反射回波信号也进入与之相连的光纤耦合器，二者形成中频信号，为后续同相M路中频信号做准备；从光纤耦合器输出的中频信号分为两部分，大部分输入信号合成器进行叠加，小部分用于相位鉴别、调制与锁定；通常选取第1路中频信号的相位为基准参考，分别与其他M-1路中频信号的相位通过鉴相器进行鉴相后输出一组误差信号传给锁相控制电路；锁相控制电路经分析比对后，将其变换为一组电压信号传给电脑；利用电脑对电压信号进一步处理计算，得出M-1路的相位补偿信息，最终使M路中频信号同相后在信号合成器中进行叠加。

采用如权利要求1所述的系统实现高功率发射、高灵敏回波探测的方法，包括如下步骤：

步骤一、相控阵激光雷达接收系统中，将M个探测器编号后按二维方形排布；相控阵激光雷达发射系统中N个子光源也按二维方形排布。根据扫描角度及所需功率等扫描探测要求信息，N路脉冲子光束在远场相干合成后形成一束高功率脉冲激光，用于远距离目标探测。

步骤二、基于外差锁相的脉冲光激光雷达系统启动工作，当N路子光源工作发出脉冲光时，也启动接收系统。

步骤三、由于大气湍流和目标场景引起的散斑效应的影响，导致脉冲光从目标反射回到雷达接收系统时信号发生畸变与展宽，造成脉冲回波信号微弱难以探测。因此，利用M个探测器对目标的脉冲回波信号进行相干叠加解决信号微弱问题。

步骤3.1：本机振荡器产生与发射系统中N个子光源具有相同频率的高斯脉冲光作为本振光，与M个探测器收到的M路目标的反射回波信号在相应的光纤耦合器内外差拍频后形成中频信号。

步骤3.2：建立相干高斯光束外差探测系统的数学模型如下：

反射回波信号与本振光在光纤耦合器内的两光场为：

U₁(p,t)＝U₁₀(p,t)exp(jω₁₀t) (1)

U₂(p,t)＝U₂₀(p,t)exp(jω₂₀t) (2)

公式中U₁₀、U₂₀表示本振光和回波信号的最初光场分布；ω₁₀、ω₂₀表示二者的最初光场频率，根据外差探测原理，在光纤耦合器的复合光场可表示为：

U(p,t)＝U₁₀(p,t)exp(jω₁₀t)+U₂₀(p,t)exp(jω₂₀t) (3)

反射回波信号与本振光两光场的相干过程会产生混频电流，可表示为：

公式中，η(p)表示量子效率，e为电子电荷，hv为光子能量，*为复共轭。将(3)代入(4)中，得到总的中频电流为：

中频信号功率可表示为：

上式中，横线表示对中频信号求时间平均，R表示负载电阻。

相干高斯光束的外差探测系统信噪比可表示为：

其中，P_N表示外差探测系统噪声功率，P_IF表示中频信号功率。

因此，要想增加外差探测系统的信噪比，系统噪声一般变化不大，则需增加中频信号功率。而中频信号功率大小由本振光与反射回波信号二者共同决定。由于本振光的功率相对较高，其数量级一般为mW，然而接收系统接收到的信号光功率一般为nW数量级。由此可见，本振光在相干接收系统中具有放大中频信号幅值的作用，相比于直接探测具有更高的探测灵敏度。所以，通过增加本振光功率即可使外差探测系统实现微弱回波探测。

步骤四、对步骤三中由外差拍频方式得到的M路中频信号进行相位鉴别、调制与锁定，为后续M路中频信号同相作准备。

步骤4.1：从M个光纤耦合器输出的多路中频信号每1路均被分为两部分，大部分输入信号合成器进行叠加，小部分输入鉴相器用于M路中频信号之间的相位鉴别。

步骤4.2：选取第1路中频信号作为基准参考，利用鉴相器分别对其他M-1路中频信号的相位与第1路中频信号进行比对，若存在相位差时，鉴相器输出一组误差信号传给锁相控制电路，锁相控制电路经分析比对后，将其变换为一组电压信号传给电脑。

步骤五、利用电脑再次对该组电压信号作进一步处理计算，得出M-1路的相位补偿信息，最终使M路中频信号同相在信号合成器中合成叠加。

步骤5.1：电脑对电压信号处理解算后得到相应M-1路的相位补偿信息并显示，然后根据电脑显示的每路光纤相位延迟线的调节量。通过光纤分束器分成M-1路去补偿调节相应M-1路的光纤相位延迟线的长度，可使鉴相器输出的M-1路中频信号的相位不断发生变化，朝着第1路中频信号的相位不断靠拢。最终使其他M-1路中频信号与第1路中频信号(参考信号)的相位差为零达到相位补偿目的，使M路中频信号同相。

步骤5.2：同相后的M路中频信号在信号合成器中进行叠加，这样很好地解决了大气湍流和探测目标引起散斑效应而造成信号微弱的问题，满足了对远距离目标无惯性、高灵敏的探测需求。

有益效果

1、本发明公开的一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，不仅在远场能实现无惯性扫描，还能对脉冲回波实现高灵敏探测，解决了传统光纤相控阵脉冲激光雷达难以兼顾远距离、无惯性、高灵敏、高精度的探测难题。

2、本发明公开的相干高斯光束外差探测系统，得到的目标反射回波与本振光的中频信号，该中频信号大小与本振光功率、探测器个数成正相关。尤其在远距离目标探测应用中，当反射回波及其微弱时，通过提高本振光功率或者增加探测器个数即可实现微弱信号探测，所以该相干高斯光束外差探测系统比传统直接探测具有更高的灵敏度。另外，该探测系统在工作过程中，中频信号以外的背景杂散光不能进入该系统，不对反射回波信号和本振光信号相干产生影响，因此，该相干高斯光束外差探测系统还具有良好的滤波性能。

3、本发明公开的一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，可在大气湍流和场景散斑效应等恶劣环境中对目标进行快速探测，解决了传统采用面阵盖革模式雪崩光电二极管对目标微弱回波探测时受环境及背景光影响较大的问题。设计的全相控同轴发射与接收布局结构，尤其是所设计的采用外差相干探测结构布局省去了传统激光雷达接收系统中复杂的光学镜组，因此在很大程度上简化了激光雷达的整体布局结构，同时减小了激光雷达的重量和体积，有效提高了相控阵激光雷达的综合性能。

附图说明

图1收发一体化阵列排布右视图；

图2为49路光纤阵列方形排布示意图；

图3为49路脉冲子光束远场相干合成的一束高功率脉冲激光仿真图；

图4为基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统原理图。

其中：1—本机振荡器、2—光纤分束器、3—光纤耦合器、4—信号合成器、5—鉴相器、6—锁相控制电路、7—电脑、8—光纤分束器、9—光纤相位延迟线、10—探测器、11—目标、12—反射回波信号、13—脉冲光、14—光源。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本实施例的一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，如图4所示，根据远距离探测需求不断增加合成光束的路数N和探测器单元数M，实现对目标的远距离、无惯性、高灵敏探测。利用外差算法对N路功率放大的脉冲光进行相位闭环反馈调节与实时补偿，达到锁相的目的，为实现某一特定角度下的目标探测，同时结合脉冲回波阵列相干探测系统，可增强由于大气湍流引起的信号衰弱的强度，对基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统工作的步骤进行详细解释。

实施例1

一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，包括本机振荡器、光纤分束器、光纤耦合器、信号合成器、鉴相器、锁相控制电路、电脑、光纤和探测器。

将M个探测器进行编号后按二维方形阵列排布，根据探测需求可无限量的扩展探测器的个数；当脉冲回波阵列相干探测系统启动工作后，本机振荡器产生与发射系统中各个子光源具有相同频率的光波信号，由光纤分束器分成M路经过光纤相位延迟线进入对应的M个2×2光纤耦合器；由M个探测器收到的目标反射回波信号也进入与之相连的光纤耦合器，二者形成中频信号，为后续同相M路中频信号做准备；从光纤耦合器输出的中频信号分为两部分，大部分输入信号合成器进行叠加，小部分用于相位鉴别、调制与锁定；通常选取第1路中频信号的相位为基准参考，分别与其他M-1路中频信号的相位通过鉴相器进行鉴相后输出一组误差信号传给锁相控制电路；锁相控制电路经分析比对后，将其变换为一组电压信号传给电脑；利用电脑对电压信号进一步处理计算，得出M-1路的相位补偿信息，最终使M路中频信号同相后在信号合成器中进行叠加。

本实施例的一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，如图4所示，具体实现步骤如下：

步骤一、将20个探测器进行编号后按二维方形排布，具体排布方式如图1所示。高功率脉冲光纤相控阵发射系统中49个子光源按7×7二维方形排布，具体排布方式如图2所示，根据扫描角度及所需功率等扫描探测要求信息，49路脉冲子光束在远场相干合成后形成一束高功率脉冲激光如图3所示，用于远距离目标探测。

步骤二、基于外差锁相的脉冲光激光雷达系统如图4所示，各子光源14工作发出脉冲光13时一并启动接收系统。当脉冲光照射到目标反射回到雷达接收系统后，由于受到大气湍流和目标场景引起的散斑效应的影响，导致脉冲光波信号发生畸变与展宽，此时的反射回波信号12已不具有光束相干性，造成脉冲回波信号微弱难以探测。

步骤三、利用20个探测器对目标的脉冲回波信号进行相干叠加解决信号微弱问题。

本机振荡器1产生与发射系统各子光源14具有相同频率的高斯脉冲光作为本振光，经光纤分束器2分成20路经过光纤相位延迟线9进入对应的20个2×2光纤耦合器3。此时，由20个探测器10收到的20路目标11的反射回波信号12也进入与之相连的20个光纤耦合器3，二者形成中频信号。下面建立相干高斯光束外差探测系统的数学模型。

反射回波信号12与本振光在光纤耦合器3内的两光场可表示成：

U₁(p,t)＝U₁₀(p,t)exp(jω₁t) (8)

U₂(p,t)＝U₂₀(p,t)exp(jω₂t) (9)

公式中U₁₀、U₂₀表示本振光和回波信号的最初光场分布；ω₁₀、ω₂₀表示二者的最初光场频率，根据外差探测原理，在光纤耦合器3的复合光场可表示为：

U(p,t)＝U₁₀(p,t)exp(jω₁t)+U₂₀(p,t)exp(jω₂t) (10)

反射回波信号与本振光两光场的相干过程会产生混频电流，可表示为：

公式中，η(p)表示量子效率，e为电子电荷，hv为光子能量，*为复共轭。将(10)代入(11)中，得到总的中频电流为：

中频信号功率可表示为：

上式中，横线表示对中频信号求时间平均，R表示负载电阻。

相干高斯光束的外差探测系统信噪比可表示为：

其中，P_N表示外差探测系统噪声功率，P_IF表示中频信号功率。

因此，要想增加外差探测系统的信噪比，系统噪声一般变化不大，则需增加中频信号功率。而中频信号功率大小由本振光与反射回波信号二者共同决定。由于本振光的功率相对较高，其数量级一般为mW，然而接收系统接收到的信号光功率一般为nW数量级。由此可见，本振光在相干接收系统中具有放大中频信号幅值的作用，相比于直接探测具有更高的探测灵敏度。所以，通过增加本振光功率即可使外差探测系统实现微弱回波探测。

步骤四、对步骤三中由外差拍频方式得到的20路中频信号进行相位鉴别、调制与锁定，为后续20路中频信号同相作准备。

从20个光纤耦合器3输出的20路中频信号每1路均被分为两部分，大部分输入信号合成器4进行叠加，小部分输入鉴相器5用于20路中频信号之间的相位鉴别。首先，选取第1路频率为f₁的中频信号作为基准参考，其他19路中频信号的频率分别记为(f₂…f₂₀)，鉴相器5分别对其他19路中频信号的相位与第1路中频信号进行比对，记作：(f₁,f₂)…(f₁,f₂₀)。当(f₁,f₂)…(f₁,f₂₀)存在相位差时，鉴相器5输出一组误差信号(S₁…S₁₉)传给锁相控制电路6，锁相控制电路6经分析比对后，将其变换为一组电压信号(U₁…U₁₉)传给电脑7。

步骤五、利用电脑7对电压信号(U₁…U₁₉)进一步处理计算，得出19路的相位补偿信息，最终使20路中频信号同相。

电脑7对电压信号(U₁…U₁₉)处理解算后得到相应19路的相位补偿信息并显示，然后根据电脑7显示的每路光纤相位延迟线的调节量。通过光纤分束器8分成19路去补偿调节相应19路的光纤相位延迟线9的长度，可使鉴相器5输出的19路中频信号的相位不断发生变化，朝着第1路频率为f₁的中频信号的相位不断靠拢。最终使其他19路中频信号与第1路中频信号(参考信号)的相位差为零达到相位补偿目的，使20路中频信号同相。同相后的20路中频信号在信号合成器4中进行叠加，这样很好地解决了大气湍流和探测目标引起散斑效应而造成信号微弱的问题，从而解决了传统光纤相控阵脉冲激光雷达难以兼顾远距离、无惯性、高灵敏、高精度的探测难题。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于外差锁相的脉冲光相控阵激光雷达系统，其特征在于：包括本机振荡器、光纤分束器、光纤耦合器、信号合成器、鉴相器、锁相控制电路、电脑和光纤和探测器；

将M个探测器进行编号后按二维方形阵列排布，根据探测需求可无限量的扩展探测器的个数；当脉冲回波阵列相干探测系统启动工作后，本机振荡器产生与发射系统中各个子光源具有相同频率的光波信号，由光纤分束器分成M路经过光纤相位延迟线进入对应的M个2×2光纤耦合器；由M个探测器收到的目标反射回波信号也进入与之相连的光纤耦合器，二者形成中频信号，为后续同相M路中频信号做准备；从光纤耦合器输出的中频信号分为两部分，大部分输入信号合成器进行叠加，小部分用于相位鉴别、调制与锁定；通常选取第1路中频信号的相位为基准参考，分别与其他M-1路中频信号的相位通过鉴相器进行鉴相后输出一组误差信号传给锁相控制电路；锁相控制电路经分析比对后，将其变换为一组电压信号传给电脑；利用电脑对电压信号进一步处理计算，得出M-1路的相位补偿信息，最终使M路中频信号同相后在信号合成器中进行叠加；

采用所述的系统实现高功率发射、高灵敏回波探测的方法包括如下步骤：

步骤一、相控阵激光雷达接收系统中，将M个探测器编号后按二维方形排布；相控阵激光雷达发射系统中N个子光源也按二维方形排布；根据扫描角度及所需功率等扫描探测要求信息，N路脉冲子光束在远场相干合成后形成一束高功率脉冲激光，用于远距离目标探测；

步骤二、基于外差锁相的脉冲光激光雷达系统启动工作，当N路子光源工作发出脉冲光时，也启动接收系统；

步骤三、由于大气湍流和目标场景引起的散斑效应的影响，导致脉冲光从目标反射回到雷达接收系统时信号发生畸变与展宽，造成脉冲回波信号微弱难以探测；因此，利用M个探测器对目标的脉冲回波信号进行相干叠加解决信号微弱问题；

步骤3.1：本机振荡器产生与发射系统中N个子光源具有相同频率的高斯脉冲光作为本振光，与M个探测器收到的M路目标的反射回波信号在相应的光纤耦合器内外差拍频后形成中频信号；

步骤3.2：建立相干高斯光束外差探测系统的数学模型如下：

反射回波信号与本振光在光纤耦合器内的两光场为：

U₁(p,t)＝U₁₀(p,t)exp(jω₁₀t) (1)

U₂(p,t)＝U₂₀(p,t)exp(jω₂₀t) (2)

公式中U₁₀、U₂₀表示本振光和回波信号的最初光场分布；ω₁₀、ω₂₀表示二者的最初光场频率，根据外差探测原理，在光纤耦合器的复合光场可表示为：

U(p,t)＝U₁₀(p,t)exp(jω₁₀t)+U₂₀(p,t)exp(jω₂₀t) (3)

反射回波信号与本振光两光场的相干过程会产生混频电流，可表示为：

公式中，η(p)表示量子效率，e为电子电荷，hv为光子能量，*为复共轭；将(3)代入(4)中，得到总的中频电流为：

中频信号功率可表示为：

上式中，横线表示对中频信号求时间平均，R表示负载电阻；

相干高斯光束的外差探测系统信噪比可表示为：

其中，P_N表示外差探测系统噪声功率，P_IF表示中频信号功率；

因此，要想增加外差探测系统的信噪比，系统噪声一般变化不大，则需增加中频信号功率；而中频信号功率大小由本振光与反射回波信号二者共同决定；由于本振光的功率相对较高，其数量级一般为mW，然而接收系统接收到的信号光功率一般为nW数量级；由此可见，本振光在相干接收系统中具有放大中频信号幅值的作用，相比于直接探测具有更高的探测灵敏度；所以，通过增加本振光功率即可使外差探测系统实现微弱回波探测；

步骤四、对步骤三中由外差拍频方式得到的M路中频信号进行相位鉴别、调制与锁定，为后续M路中频信号同相作准备；

步骤4.1：从M个光纤耦合器输出的多路中频信号每1路均被分为两部分，大部分输入信号合成器进行叠加，小部分输入鉴相器用于M路中频信号之间的相位鉴别；

步骤4.2：选取第1路中频信号作为基准参考，利用鉴相器分别对其他M-1路中频信号的相位与第1路中频信号进行比对，若存在相位差时，鉴相器输出一组误差信号传给锁相控制电路，锁相控制电路经分析比对后，将其变换为一组电压信号传给电脑；

步骤五、利用电脑再次对该组电压信号作进一步处理计算，得出M-1路的相位补偿信息，最终使M路中频信号同相在信号合成器中合成叠加；

步骤5.1：电脑对电压信号处理解算后得到相应M-1路的相位补偿信息并显示，然后根据电脑显示的每路光纤相位延迟线的调节量；通过光纤分束器分成M-1路去补偿调节相应M-1路的光纤相位延迟线的长度，可使鉴相器输出的M-1路中频信号的相位不断发生变化，朝着第1路中频信号的相位不断靠拢；最终使其他M-1路中频信号与第1路中频信号的相位差为零达到相位补偿目的，使M路中频信号同相；

步骤5.2：同相后的M路中频信号在信号合成器中进行叠加，这样很好地解决了大气湍流和探测目标引起散斑效应而造成信号微弱的问题，满足了对远距离目标无惯性、高灵敏的探测需求。

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