CN112363146B - 双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法及装置 - Google Patents

双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法及装置，窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器后由第一光学分束器分束为第一光信号和第二光信号，第一光信号和第二光信号分别经过相位调制和带通滤波后合束，再分为本振信号和发射信号，将发射信号发射并接收回波信号和本振信号进行相干光混频，经过滤波和模数转换，使用数字信号处理单元对获得的采样进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，实现雷达平台与目标之间距离和速度的并行同步测量。本发明可以有效克服大气湍流和散斑噪声的影响，具有激光探测精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的优点，在机载、车载和星载雷达领域具有良好的发展前景。

Description

双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法及装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法及装置。
背景技术
调频连续波激光雷达将现代雷达技术中的调频连续波体制与激光外差探测体制相结合，采用线性调频信号对发射激光的频率进行线性调制，并通过比较回波光信号和本振光信号的瞬时频差获得目标距离信息，同时利用多普勒效应对目标进行实时测速，具有探测灵敏度高、测距测速分辨率高等优势，并具有集成化、小型化、低能耗的潜力，对未来高精度、高分辨率空间探测需求具有很强的竞争力。
调频连续波激光雷达的测速和测距均依赖于回波光信号和本振光信号的拍频信号频谱提取，对相位扰动是非常敏感的。在不考虑调频非线性等内部因素的理想情况下，一定距离的恒定速度运动目标差拍信号频谱应是一条狭窄的谱线。但是，由于大气湍流噪声、散斑噪声等外界因素的影响，拍频信号的频率不再是单频的，而是具有一定的频谱展宽，导致测量信噪比下降和中频抖动，最终导致系统测量精度和分辨率恶化。因此，必须采取措施消除大气湍流噪声和散斑噪声对调频连续波激光雷达的影响。
大气湍流引起的光学特性变化表现在大气折射率的随机变化，使得传输光波的振幅和相位产生随机起伏，造成传输中的光波闪烁、扩展、弯曲和空间相干性降低等一系列光学现象。大气湍流变化随时间、空间和波长而变化，湍流长度具有一定的尺寸，从几毫米到几十米，称为湍流尺度。大气湍流对光束传播的影响根据湍流尺度的不同可以分为光束漂移、到达角起伏和光束扩展。当湍流尺度大于光束直径时，激光光束通过同一个湍流漩涡，从而导致光束在传播方向上发生随机偏折，宏观上主要表现为接收端的光束漂移，光束的中心位置将随机变化；当湍流尺度几乎等于光束直径时，光束也会发生随即偏折，主要表现为到达角起伏。光波在湍流大气中传输时,由于光束截面内不同部分的大气折射率起伏将导致光束波前的不同部位具有不同的相移,这些相移又导致光波等相面的随机起伏、光束波前到达角的起伏；当湍流尺度小于光束直径时，激光光束截面内有大量大气湍流的小湍涡旋，照射在每个小湍窝的光束都产生独立的衍射和散射，宏观上表现为光束衍射，造成接收光功率起伏变化、光束相干性下降，称之为光束扩展。大气湍流一方面会降低激光雷达系统相干接收信号的外差效率，另一方面会对相干接收信号引入严重的随机相位噪声。
散斑噪声有目标的粗糙表面引起。当相干激光光束入射在粗糙表面时，粗糙表面会引起回波光的波前相位发生畸变，回波光的波前相位畸变不但导致与本征光的混频效率降低，从而降低系统的外差效率，还会使得回波光彼此之间发生建设性和破坏性的干涉，从而导致回波光斑呈现为亮斑和暗斑随机分布的形状。这些亮斑和暗斑随机分布的回波光斑具有颗粒状斑点外观，因此称之为散斑。当被测物体与激光雷达系统之间存在除光轴方向外的相对运动时，由于这种相对运动会改变出射光斑在粗糙表面处的位置，从而使得回波散斑模式发生变化，称之为动态散斑。由于散斑的模式随时间发生变化，因此回波光的振幅和粗糙表面而引入的相位畸变也随时间的变化而发生变化。将这种由于散斑模式的改变而引入的噪声称之为散斑噪声。
目前，能够消除大气湍流噪声和散斑噪声影响，实现对实现远距离散射目标的高精度测距和测速的线性调频连续波激光雷达装置还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法及装置。本发明可以有效克服大气湍流和散斑噪声的影响，具有激光探测精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的优点。
本发明的技术方案：双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器后由第一光学分束器分束为第一光信号和第二光信号，然后分别进入第一相位调制器和第二相位调制器；利用第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制；利用第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制；调制后的第一光信号和第二光信号分别通过光学带通滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大后进入第三分束器分成本振信号和发射信号，将发射信号发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号和本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，光学低通滤波后采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过模数转换获得采样数据，使用数字信号处理单元对获得的采样数据进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，实现雷达平台与目标之间距离和速度的并行同步测量。
上述的双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器表示为：
E0(t)E0 exp[j2πf0t+jφN0+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；
Figure GDA0003688011450000031
f0为光信号频率；t是时间；φN0为光信号噪声相位；φ0为光信号初始相位。
前述的双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法，第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，表示为：
Figure GDA0003688011450000032
其中，M1是第一射频电路放大倍数，VRF1_M是第一微波调频信号的振幅，VRF1_B是第一微波基频信号的振幅，
Figure GDA0003688011450000033
是第一微波调频信号的调频速率，表示为
Figure GDA0003688011450000034
fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，fRF1_L是第一微波调频信号的低频截止频率，T1是第一微波调频信号的周期，B1是第一调频带宽，fRF1_B是第一微波基频信号的频率，φN_RF1(t)是第一混频信号的噪声相位；t是时间；
第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制，调制后的光信号为：
Figure GDA0003688011450000041
其中，E0_PM1是第一相位调制器调制后的第一光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure GDA0003688011450000042
β1是第一相位调制器的调相系数，
Figure GDA0003688011450000043
Vπ_1是第一相位调制器的半波电压，φN_PM1(t)是第一相位调制器输出的噪声相位；
将式1通过贝塞尔函数展开得：
Figure GDA0003688011450000044
其中，Jn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Jn项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。
前述的双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法，调制后的第一光信号采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k1阶单边带激光信号通过，表示为：
Figure GDA0003688011450000051
其中，Eout1(t)是经过调制和滤波的第一光信号，
Figure GDA0003688011450000052
是参数为β1的k1阶第一类贝塞尔函数；
采用对称三角波线性调制，调制后的第一光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：
Figure GDA0003688011450000053
其中，E1是调制后的第一光信号振幅，表示为：
Figure GDA0003688011450000055
，φN1(t)是调制后的第一光信号噪声和残余相位，表示为：
Figure GDA0003688011450000054
k1是第一带通滤波单边带级次。
前述的双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法，所述第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，表示为：
Figure GDA0003688011450000061
其中，M2是第二射频电路放大倍数，VRF2_M是第二微波调频信号的振幅，VRF2_B是第二微波基频信号的振幅，
Figure GDA0003688011450000062
是第二微波调频信号的调频速率，表示为
Figure GDA0003688011450000063
fRF2_H是第二微波调频信号的高频截止频率，fRF2_L是第二微波调频信号的低频截止频率，T2是第二微波调频信号的周期，B2是第二调频带宽，fRF2_B是第二微波基频信号的频率，φN_RF2(t)是第二混频信号的噪声相位；t是时间；
第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制，调制后的光信号为：
Figure GDA0003688011450000064
其中，E0_PM2是第二相位调制器调制后的第二光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure GDA0003688011450000065
β2是第二相位调制器的调相系数，
Figure GDA0003688011450000066
Vπ_2是第二相位调制器的半波电压，φN_PM2(t)是第二相位调制器输出的噪声相位；
将式2通过贝塞尔函数展开得：
Figure GDA0003688011450000071
其中，Jn是第二类n阶贝塞尔函数，n＝0，1，2…；上式J0表示光载波，其余Jn项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。
前述的双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法，调制后的第二光信号采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k2阶单边带激光信号通过，表示为：
Figure GDA0003688011450000072
其中，Eout2(t)是经过调制和滤波的第二光信号，
Figure GDA0003688011450000074
是参数为β2的k2阶第一类贝塞尔函数；
采用对称三角波线性调制，调制后的第二光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：
Figure GDA0003688011450000073
其中，E2是调制后的第二光信号振幅，表示为：
Figure GDA0003688011450000081
φN2(t)是调制后的第二光信号噪声和残余相位，表示为：
Figure GDA0003688011450000082
k2是第二带通滤波单边带级次。
前述的双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法，调制后的第一光信号和第二光信号分别通过滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大后进入第三分束器分成本振信号和发射信号；
本振信号为时间延迟τL的线性调频信号，表示为：
Figure GDA0003688011450000083
其中，ELO是本振信号的振幅，exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure GDA0003688011450000084
f0为光信号频率；k1是第一带通滤波单边带级次；t是时间；
Figure GDA0003688011450000085
是第一微波调频信号的调频速率，表示为
Figure GDA0003688011450000086
fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，fRF1_L是第一微波调频信号的低频截止频率，T1是第一微波调频信号的周期，B1是第一调频带宽；fRF1_B是第一微波基频信号的频率；φN1(t)是调制后的第一光信号噪声和残余相位；k2是第二带通滤波单边带级次；
Figure GDA0003688011450000087
fRF2_H是第二微波调频信号的高频截止频率，fRF2_L是第二微波调频信号的低频截止频率，T1是第二微波调频信号的周期，B2是第二调频带宽，fRF2_B是第二微波基频信号的频率；φN2(t)是调制后的第二光信号噪声和残余相位；
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回波信号，回波信号为时间延迟τS的线性调频信号，表示为：
Figure GDA0003688011450000091
其中，ES是回波信号的振幅，φN1_speckle是调制后的第一光信号由于目标散斑造成的噪声相位，φN2 speckle是调制后的第二光信号由于目标散斑造成的噪声相位；φN1 turbulence是第一光信号由于大气湍流造成的噪声相位，φN2 turbulence是第二光信号由于大气湍流造成的噪声相位；
回波信号和本振信号合束后表示为：
E(t)＝ES(t)+ELO(t)；
正向调频过程中：
Figure GDA0003688011450000101
回波信号的时间延迟τS和本振信号的时间延迟τL表示为：
Figure GDA0003688011450000102
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；
回波信号和本振信号合束后的光强表示为：
Figure GDA0003688011450000103
式中：Eup(t)是正向调频过程中的相干接收信号，
Figure GDA0003688011450000104
是共轭表达式；*表示共轭，·表示相乘运算；
光强表达式中的外差干涉项共有6项，其中4项的频率为
(k2fRF2_B-k1fRF1_B)，通过设置调制参量，将这4个高频项通过光学低通滤波器予以消除，剩余2个低频项分别为：
Figure GDA0003688011450000111
经过在探测器表面叠加混合之后可得：
Figure GDA0003688011450000112
负向调频过程中：
Figure GDA0003688011450000113
回波信号和本振信号合束后的光强表示为：
Figure GDA0003688011450000121
式中：Edown(t)是正向调频过程中的相干接收信号，
Figure GDA0003688011450000122
是共轭表达式；*表示共轭，·表示相乘运算；
光强表达式中的外差干涉项共有6项，其中4项的频率为
(k2fRF2_B-k1fRF1_B+2k2B2-2k1B1)，通过设置调制参量，将这4项通过光学低通滤波器予以消除，剩余2个低频项分别为：
Figure GDA0003688011450000123
经过在探测器表面叠加混合之后可得：
Figure GDA0003688011450000124
令φN2 speckle≈φN1 speckle，φN2_turblence≈φN1_turbulence，
因此正向调频和负向调频过程的相干接收输出光信号表示为：
Figure GDA0003688011450000125
经2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure GDA0003688011450000131
Figure GDA0003688011450000132
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正向调频中的中频信号的同相信号和正交信号分别为：
Figure GDA0003688011450000133
光电平衡探测器输出负向调频中的中频信号的同相信号和正交信号分别为：
Figure GDA0003688011450000134
其中，kin是接收同相信号的光电探测器响应率，kqu是接收正交信号的光电探测器响应率，φi是同相信号的噪声相位，φq是正交信号的噪声相位；
为了简化，同相信号和正交信号的振幅用下式来代替：
Figure GDA0003688011450000141
得到：
Figure GDA0003688011450000142
Figure GDA0003688011450000143
具有正交特性的同相信号和正交信号分别经过模数转换器完成模数转换，由数字信号处理单元采集，进行多普勒频移测量：
首先，同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换；
同相信号傅里叶变换表示为：
Figure GDA0003688011450000144
式中，fIF代表中频；
正交信号傅里叶变换表示为：
Figure GDA0003688011450000145
然后互谱处理；
Figure GDA0003688011450000151
*表示共轭，·表示相乘运算；
取其虚部得到：
Img＝δ2(f-fIF)-δ2(f+fIF)；
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fIF：
Figure GDA0003688011450000152
由上式得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向：
Figure GDA0003688011450000153
正值代表雷达平台与目标相向运动，负值代表雷达平台与目标相背运动，c为光速；
还可以得到目标点的距离：
Figure GDA0003688011450000154
测距分辨率表示为：
Figure GDA0003688011450000155
测速分辨率表示为：
Figure GDA0003688011450000161
其中，T为调频周期，c是光速，B1为第一调频带宽，B2为第二调频带宽，fRF1_B是第一微波基频信号的频率，fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，k1是第一带通滤波单边带级次，k2是第二带通滤波单边带级次。
前述的双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法的装置，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第一光学分束器，第一光学分束器分别连接有第一光学相位调制器和第二光学相位调制器；所述第一光学相位调制器的驱动端依次连接有第一射频放大器和第一射频混频器；所述第一射频混频器分别连接有第一微波调频信号发射器和第一微波基频信号发生器；所述第二光学相位调制器的驱动端依次连接有第二射频放大器和第二射频混频器；所述第二射频混频器分别连接有第二微波调频信号发射器和第二微波基频信号发生器；所述第一相位调制器的输出端连接有第一光学带通滤波器；所述第二相位调制器的输出端连接有第二光学带通滤波器；所述第一光学带通滤波器和第二光学带通滤波器一同连接有第二光学分束器，第二光学分束器经激光放大器连接有第三光学分束器，第三光学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三光学分束器一同连接有光学桥接器，光学桥接器的输出端连接有光学低通滤波器，光学低通滤波器经光电平衡探测器连接有模数转换器，模数转换器的输出端连接有数字信号处理单元；所述数字信号处理单元连接有主控计算机，主控计算机与光学扫描器连接。
与现有技术相比，本发明采用第一相位调制器和第二相位调制器的双调制共光路，使第一光信号和第二光信号的拍频处于微波波段，由于光信号的波长是影响散斑噪声和湍流噪声的主要因素，因此如果第一光信号和第二光信号的波长差非常小，并且传输通道完全相同，通过差分处理就可以将散斑噪声和大气湍流噪声消除，从而有效克服大气湍流噪声和散斑噪声对激光雷达的影响，具有激光探测精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的优点，能够实现远距离散射目标的高精度测距和测速。进一步地，本发明可以通过改变调频信号和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梳。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是采用第一带通滤波器的滤波原理示意图；
图4是采用第二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、第一光学分束器；4、第一光学相位调制器；5、第二光学相位调制器；6、第一射频放大器；7、第一射频混频器；8、第一微波调频信号发射器；9、第一微波基频信号发生器；10、第二射频放大器；11、第二射频混频器；12、第二微波调频信号发射器；13、第二微波基频信号发生器；14、第一光学带通滤波器；15、第二光学带通滤波器；16、第二光学分束器；17、激光放大器；18、第三光学分束器；19、光学环形器；20、光学扫描器；21、光学望远镜；22、光学桥接器；23、光电平衡探测器；24、光学低通滤波器；25、模数转换器；26、数字信号处理单元；27、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：双调制共光路线性调频测距测速激光雷达方法，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器后由第一光学分束器分束为第一光信号和第二光信号，然后分别进入第一相位调制器和第二相位调制器；利用第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制；利用第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制；调制后的第一光信号和第二光信号分别通过光学带通滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大后进入第三分束器分成本振信号和发射信号，将发射信号发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号和本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，光学低通滤波后采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过模数转换获得采样数据，使用数字信号处理单元对获得的采样数据进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，实现雷达平台与目标之间距离和速度的并行同步测量。
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1，窄线宽单频连续激光器1经起偏器2连接有第一光学分束器3，第一光学分束器3分别连接有第一光学相位调制器4和第二光学相位调制器5；所述第一光学相位调制器4的驱动端依次连接有第一射频放大器6和第一射频混频器7；所述第一射频混频器7分别连接有第一微波调频信号发射器8和第一微波基频信号发生器9；所述第二光学相位调制器5的驱动端依次连接有第二射频放大器10和第二射频混频器11；所述第二射频混频器11分别连接有第二微波调频信号发射器12和第二微波基频信号发生器13；所述第一相位调制器4的输出端连接有第一光学带通滤波器14；所述第二相位调制器5的输出端连接有第二光学带通滤波器15；所述第一光学带通滤波器14和第二光学带通滤波器15一同连接有第二光学分束器16，第二光学分束器16经激光放大器17连接有第三光学分束器18，第三光学分束器18连接有光学环形器19；所述光学环形器19的输出端依次连有光学扫描器20和光学望远镜21；所述光学环形器19和第三光学分束器18一同连接有光学桥接器22，光学桥接器22的输出端连接有光学低通滤波器24，光学低通滤波器24经光电平衡探测器23连接有模数转换器25，模数转换器25的输出端连接有数字信号处理单元26；所述数字信号处理单元26连接有主控计算机27，主控计算机27与光学扫描器20连接。
实施例2：在实施例1的基础上，具体的，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，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，确保偏振消光比大于25dB，表示为：
E0(t)E0exp[j2πf0t+jφN0+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；
Figure GDA0003688011450000191
f0为光信号频率；t是时间；φN0为光信号噪声相位；φ0为光信号初始相位；
采用第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号的经过混频和放大后的得到第一混频信号作为光纤相位调制器的驱动信号，其中第一微波调频信号发生器信号带宽2.5GHz，第一微波基频信号发生器频率10GHz，输出射频信号驱动带宽为10GHz的铌酸锂电光调制器；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1550.060nm(相应频率为193408GHz)，滤波器的3dB通带带宽约为3GHz，边摸抑制比大于20dB。因此可以获得正一阶调制边带，调频带宽2.5GHz，调频速率0.05THz/s，调频周期0.05s，重复频率10Hz；所述第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，表示为：
Figure GDA0003688011450000192
其中，M1是第一射频电路放大倍数，VRF1_M是第一微波调频信号的振幅，VRF1_B是第一微波基频信号的振幅，
Figure GDA0003688011450000193
是第一微波调频信号的调频速率，表示为
Figure GDA0003688011450000194
fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，fRF1_L是第一微波调频信号的低频截止频率，T1是第一微波调频信号的周期，B1是第一调频带宽，fRF1_B是第一微波基频信号的频率，φN_RP1(t)是第一混频信号的噪声相位；t是时间；
第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制，调制后的光信号为：
Figure GDA0003688011450000201
其中，E0_PM1是第一相位调制器调制后的第一光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure GDA0003688011450000202
β1是第一相位调制器的调相系数，
Figure GDA0003688011450000203
Vπ_1是第一相位调制器的半波电压，φN_PM1(t)是第一相位调制器输出的噪声相位；
将式1通过贝塞尔函数展开得：
Figure GDA0003688011450000204
其中，Jn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Jn项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。
调制后的第一光信号采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k1阶单边带激光信号通过，如图3所示，表示为：
Figure GDA0003688011450000211
其中，Eout1(t)是经过调制和滤波的第一光信号，
Figure GDA0003688011450000212
是参数为β1的k1阶第一类贝塞尔函数；
如图5所示，采用对称三角波线性调制，调制后的第一光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：
Figure GDA0003688011450000213
其中，E1是调制后的第一光信号振幅，表示为：
Figure GDA0003688011450000214
φN1(t)是调制后的第一光信号噪声和残余相位，表示为：
Figure GDA0003688011450000215
k1是第一带通滤波单边带级次。
因此可以获得正一阶调制边带，调频带宽2.5GHz，调频周期0.05s，重复频率10Hz。
采用第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号的经过混频和放大后得到第二混频信号作为光纤相位调制器的驱动信号，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，输出射频信号驱动带宽为10GHz的铌酸锂电光调制器。采用反射模式的热之间的相位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)，滤波器的3dB通带带宽约为6GHz，边摸抑制比大于20dB；所述第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，表示为：
Figure GDA0003688011450000221
其中，M2是第二射频电路放大倍数，VRF2_M是第二微波调频信号的振幅，VRF2_B是第二微波基频信号的振幅，
Figure GDA0003688011450000222
是第二微波调频信号的调频速率，表示为
Figure GDA0003688011450000223
fRF2_H是第二微波调频信号的高频截止频率，fRF2_L是第二微波调频信号的低频截止频率，T2是第二微波调频信号的周期，B2是第二调频带宽，fRF2_B是第二微波基频信号的频率，φN_RF2(t)是第二混频信号的噪声相位；t是时间；
第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制，调制后的光信号为：
Figure GDA0003688011450000224
其中，E0_PM2是第二相位调制器调制后的第二光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure GDA0003688011450000225
β2是第二相位调制器的调相系数，
Figure GDA0003688011450000226
Vπ_2是第二相位调制器的半波电压，φN_RM2(t)是第二相位调制器输出的噪声相位；
将式2通过贝塞尔函数展开得：
Figure GDA0003688011450000231
其中，Jn是第二类n阶贝塞尔函数，n＝0，1，2…；上式J0表示光载波，其余Jn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梳；
调制后的第二光信号采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k2阶单边带激光信号通过，如图4所示，表示为：
Figure GDA0003688011450000232
其中，Eout2(t)是经过调制和滤波的第二光信号，
Figure GDA0003688011450000233
是参数为β2的k2阶第一类贝塞尔函数；
如图5所示，采用对称三角波线性调制，调制后的第二光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：
Figure GDA0003688011450000241
其中，E2是调制后的第二光信号振幅，表示为：
Figure GDA0003688011450000242
φN2(t)是调制后的第二光信号噪声和残余相位，表示为：
Figure GDA0003688011450000243
k2是第二带通滤波单边带级次。
因此可以获得正二阶调制边带，调频带宽5GHz，调频速率0.1THz/s，调频周期0.05s，重复频率10Hz。确保两调制光通道的调频周期相同，调制相位同步，可以通过对第一和第二驱动信号之间的相位调谐来实现。
调制后的第一光信号和第二光信号分别通过滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大至300mW，再进入第三分束器分成本振信号和发射信号，强度比为1∶99，
本振信号为时间延迟τL的线性调频信号，表示为：
Figure GDA0003688011450000244
其中，ELO是本振信号的振幅，exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure GDA0003688011450000245
f0为光信号频率；k1是第一带通滤波单边带级次；t是时间；
Figure GDA0003688011450000246
是第一微波调频信号的调频速率，表示为
Figure GDA0003688011450000251
fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，fRF1_L是第一微波调频信号的低频截止频率，T1是第一微波调频信号的周期，B1是第一调频带宽；fRF1_B是第一微波基频信号的频率；φN1(t)是调制后的第一光信号噪声和残余相位；k2是第二带通滤波单边带级次；
Figure GDA0003688011450000252
fRF2_H是第二微波调频信号的高频截止频率，fRF2_L是第二微波调频信号的低频截止频率，T2是第二微波调频信号的周期，B2是第二调频带宽，fRF2_B是第二微波基频信号的频率；φN2(t)是调制后的第二光信号噪声和残余相位；
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回波信号，回波信号为时间延迟τS的线性调频信号，表示为：
Figure GDA0003688011450000261
其中，ES是回波信号的振幅，φN1_speckle是调制后的第一光信号由于目标散斑造成的噪声相位，φN2 speckle是调制后的第二光信号由于目标散斑造成的噪声相位；φN1 turbulence是第一光信号由于大气湍流造成的噪声相位，φN2 turbulence第二光信号由于大气湍流造成的噪声相位；
回波信号和本振信号合束后表示为：
E(t)＝ES(t)+ELO(t)；
正向调频过程中：
Figure GDA0003688011450000271
回波信号的时间延迟τS和本振信号的时间延迟τL表示为：
Figure GDA0003688011450000272
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；
回波信号和本振信号合束后的光强表示为：
Figure GDA0003688011450000273
式中：Eup(t)是正向调频过程中的相干接收信号，
Figure GDA0003688011450000274
是共轭表达式；*表示共轭，·表示相乘运算；
光强表达式中的外差干涉项(不含直流项)共有6项，但是其中4项的频率为(k2fRF2_B-k1fRF1_B)，如果能适当设置调制参量，就可以确保这4个高频项通过光学低通滤波器予以消除，剩余2个低频项分别为：
Figure GDA0003688011450000281
经过在探测器表面叠加混合之后可得：
Figure GDA0003688011450000282
负向调频过程中：
Figure GDA0003688011450000283
回波信号和本振信号合束后的光强表示为：
Figure GDA0003688011450000291
式中：Edown(t)是正向调频过程中的相干接收信号，
Figure GDA0003688011450000292
是共轭表达式；*表示共轭，·表示相乘运算；
光强表达式中的外差干涉项(不含直流项)共有6项，但是其中4项的频率为(k2fRF2_B-k1fRF1_B+2k2B2-2k1B1)如果能适当设置调制参量，就可以确保这4项通过光学低通滤波器予以消除，剩余2个低频项分别为：
Figure GDA0003688011450000293
经过在探测器表面叠加混合之后可得：
Figure GDA0003688011450000294
由于光信号的波长是影响散斑噪声和湍流噪声的主要因素，由于第一光信号和第二光信号的波长差非常小，因此
φN2_speckle≈φN1_speckle，φN2_turbulence≈φN1_turbulence，因此正向调频和负向调频过程的相干接收输出光信号表示为：
Figure GDA0003688011450000301
经2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure GDA0003688011450000302
Figure GDA0003688011450000303
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正向调频中的中频信号的同相信号和正交信号分别为：
Figure GDA0003688011450000304
光电平衡探测器输出负向调频中的中频信号的同相信号和正交信号分别为：
Figure GDA0003688011450000311
其中，kin是接收同相信号的光电探测器响应率，kqu是接收正交信号的光电探测器响应率，φi是同相信号的噪声相位，φq是正交信号的噪声相位；
为了简化，同相信号和正交信号的振幅用下式来代替：
Figure GDA0003688011450000312
得到：
Figure GDA0003688011450000313
Figure GDA0003688011450000314
具有正交特性的同相信号和正交信号分别经过模数转换器完成模数转换，由数字信号处理单元采集，进行多普勒频移测量：
首先，同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换；
同相信号傅里叶变换表示为：
Figure GDA0003688011450000315
式中，fIF代表中频；
正交信号傅里叶变换表示为：
Figure GDA0003688011450000321
然后互谱处理；
Figure GDA0003688011450000322
*表示共轭，·表示相乘运算；
取其虚部得到：
Img＝δ2(f-fIF)-δ2(f+fIF)；
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fIF：
Figure GDA0003688011450000323
由上式得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向：
Figure GDA0003688011450000324
正值代表雷达平台与目标相向运动，负值代表雷达平台与目标相背运动，c为光速；
还可以得到目标点的距离：
Figure GDA0003688011450000331
在计算机分析中，通常对差拍信号做采样处理，对采样处理进行离散傅里叶变换(DFT)来获取频谱。这里不考虑样时间/采样长度的影响，为了简便推导，设定第一微波调频信号的周期T1与第二微波调频信号的周期T2相等，即T1＝T2＝T。采样时间等于调频周期T，频率分辨率
Figure GDA0003688011450000332
根据数字信号处理理论，“频率分辨率”定义为所用的算法能将信号中两个靠的很近的谱峰保持分开的能力。由频率分辨率可以分别得到测距分辨率和测速分辨率。
测距分辨率表示为：
Figure GDA0003688011450000333
测速分辨率表示为：
Figure GDA0003688011450000334
其中，T为调频周期，c是光速，B1为第一调频带宽，B2为第二调频带宽，fRF1_B是第一微波基频信号的频率，fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，k1是第一带通滤波单边带级次，k2是第二带通滤波单边带级次。
本实施例中，测距分辨率为7.2cm，测速分辨率0.24m/s。
综上所述，本发明可以有效克服大气湍流和散斑噪声的影响，具有激光探测精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的优点，在机载、车载和星载雷达领域具有良好的发展前景。

Claims (7)

1.双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法，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起偏器后由第一光学分束器分束为第一光信号和第二光信号，然后分别进入第一相位调制器和第二相位调制器；利用第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制；利用第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制；调制后的第一光信号和第二光信号分别通过光学带通滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大后进入第三分束器分成本振信号和发射信号，将发射信号发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号和本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，光学低通滤波后采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过模数转换获得采样数据，使用数字信号处理单元对获得的采样数据进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，实现雷达平台与目标之间距离和速度的并行同步测量；
调制后的第一光信号和第二光信号分别通过滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大后进入第三分束器分成本振信号和发射信号；
本振信号为时间延迟τL的线性调频信号，表示为：
Figure FDA0003688011440000021
其中，ELO是本振信号的振幅，exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure FDA0003688011440000022
f0为光信号频率；k1是第一带通滤波单边带级次；t是时间；
Figure FDA0003688011440000023
是第一微波调频信号的调频速率，表示为
Figure FDA0003688011440000024
fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，fRF1_L是第一微波调频信号的低频截止频率，T1是第一微波调频信号的周期，B1是第一调频带宽；fRF1_B是第一微波基频信号的频率；φN1(t)是调制后的第一光信号噪声和残余相位；k2是第二带通滤波单边带级次；
Figure FDA0003688011440000025
fRF2_H是第二微波调频信号的高频截止频率，fRF2_L是第二微波调频信号的低频截止频率，T2是第二微波调频信号的周期，B2是第二调频带宽，fRF2_B是第二微波基频信号的频率；φN2(t)是调制后的第二光信号噪声和残余相位；
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回波信号，回波信号为时间延迟τS的线性调频信号，表示为：
Figure FDA0003688011440000031
其中，ES是回波信号的振幅，φN1_speckle是调制后的第一光信号由于目标散斑造成的噪声相位，φN2_speckle是调制后的第二光信号由于目标散斑造成的噪声相位；φN1_turbulence是第一光信号由于大气湍流造成的噪声相位，φN2_turbulence第二光信号由于大气湍流造成的噪声相位；
回波信号和本振信号合束后表示为：
E(t)＝ES(t)+ELO(t)；
正向调频过程中：
Figure FDA0003688011440000041
回波信号的时间延迟τS和本振信号的时间延迟τL表示为：
Figure FDA0003688011440000042
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；
回波信号和本振信号合束后的光强表示为：
Figure FDA0003688011440000043
式中：Eup(t)是正向调频过程中的相干接收信号，
Figure FDA0003688011440000044
是共轭表达式；*表示共轭，·表示相乘运算；
光强表达式中的外差干涉项共有6项，其中4项的频率为(k2fRF2_B-k1fRF1_B)，通过设置调制参量，将这4个高频项通过光学低通滤波器予以消除，剩余2个低频项分别为：
Figure FDA0003688011440000051
经过在探测器表面叠加混合之后可得：
Figure FDA0003688011440000052
负向调频过程中：
Figure FDA0003688011440000053
回波信号和本振信号合束后的光强表示为：
Figure FDA0003688011440000054
式中：Edown(t)是正向调频过程中的相干接收信号，
Figure FDA0003688011440000061
是共轭表达式；*表示共轭，·表示相乘运算；
光强表达式中的外差干涉项共有6项，其中4项的频率为(k2fRF2_B-k1fRF1_B+2k2B2-2k1B1)，通过设置调制参量，将这4项通过光学低通滤波器予以消除，剩余2个低频项分别为：
Figure FDA0003688011440000062
经过在探测器表面叠加混合之后可得：
Figure FDA0003688011440000063
令φN2_speckle≈φN1_speckle，φN2_turbulence≈φN1_turbulence，
因此正向调频和负向调频过程的相干接收输出光信号表示为：
Figure FDA0003688011440000064
经2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：
Figure FDA0003688011440000071
Figure FDA0003688011440000072
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正向调频中的中频信号的同相信号和正交信号分别为：
Figure FDA0003688011440000073
光电平衡探测器输出负向调频中的中频信号的同相信号和正交信号分别为：
Figure FDA0003688011440000074
其中，kin是接收同相信号的光电探测器响应率，kqu是接收正交信号的光电探测器响应率，φi是同相信号的噪声相位，φq是正交信号的噪声相位；
为了简化，同相信号和正交信号的振幅用下式来代替：
Figure FDA0003688011440000081
得到：
Figure FDA0003688011440000082
Figure FDA0003688011440000083
具有正交特性的同相信号和正交信号分别经过模数转换器完成模数转换，由数字信号处理单元采集，进行多普勒频移测量：
首先，同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换；
同相信号傅里叶变换表示为：
Figure FDA0003688011440000084
式中，fIF代表中频；
正交信号傅里叶变换表示为：
Figure FDA0003688011440000091
然后互谱处理；
Figure FDA0003688011440000092
*表示共轭，·表示相乘运算；
取其虚部得到：
Img＝δ2(f-fIF)-δ2(f+fIF)；
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fIF：
Figure FDA0003688011440000093
由上式得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向：
Figure FDA0003688011440000094
正值代表雷达平台与目标相向运动，负值代表雷达平台与目标相背运动，c为光速；
还可以得到目标点的距离：
Figure FDA0003688011440000101
测距分辨率表示为：
Figure FDA0003688011440000102
测速分辨率表示为：
Figure FDA0003688011440000103
其中，T为调频周期，c是光速，B1为第一调频带宽，B2为第二调频带宽，fRF1_B是第一微波基频信号的频率，fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，k1是第一带通滤波单边带级次，k2是第二带通滤波单边带级次。
2.根据权利要求1所述的双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法，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起偏器表示为：
E0(t)＝E0exp[j2πf0t+jφN0+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；
Figure FDA0003688011440000104
f0为光信号频率；t是时间；φN0为光信号噪声相位；φ0为光信号初始相位。
3.根据权利要求2所述的双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法，其特征在于：第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，表示为：
Figure FDA0003688011440000111
其中，M1是第一射频电路放大倍数，VRF1_M是第一微波调频信号的振幅，VRF1_B是第一微波基频信号的振幅，
Figure FDA0003688011440000112
是第一微波调频信号的调频速率，表示为
Figure FDA0003688011440000113
fRF1_H是第一微波调频信号的高频截止频率，fRF1_L是第一微波调频信号的低频截止频率，T1是第一微波调频信号的周期，B1是第一调频带宽，fRF1_B是第一微波基频信号的频率，φN_RF1(t)是第一混频信号的噪声相位；t是时间；
第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制，调制后的光信号为：
Figure FDA0003688011440000114
其中，E0_PM1是第一相位调制器调制后的第一光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure FDA0003688011440000115
β1是第一相位调制器的调相系数，
Figure FDA0003688011440000116
Vπ_1是第一相位调制器的半波电压，φN_PM1(t)是第一相位调制器输出的噪声相位；
将式1通过贝塞尔函数展开得：
Figure FDA0003688011440000121
其中，Jn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Jn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所述的双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法，其特征在于：调制后的第一光信号采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k1阶单边带激光信号通过，表示为：
Figure FDA0003688011440000122
其中，Eout1(t)是经过调制和滤波的第一光信号，
Figure FDA0003688011440000123
是参数为β1的k1阶第一类贝塞尔函数；
采用对称三角波线性调制，调制后的第一光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：
Figure FDA0003688011440000131
其中，E1是调制后的第一光信号振幅，表示为：
Figure FDA0003688011440000132
φN1(t)是调制后的第一光信号噪声和残余相位，表示为：
Figure FDA0003688011440000133
k1是第一带通滤波单边带级次。
5.根据权利要求2所述的双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法，其特征在于：所述第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，表示为：
Figure FDA0003688011440000134
其中，M2是第二射频电路放大倍数，VRF2_M是第二微波调频信号的振幅，VRF2_B是第二微波基频信号的振幅，
Figure FDA0003688011440000135
是第二微波调频信号的调频速率，表示为
Figure FDA0003688011440000136
fRF2_H是第二微波调频信号的高频截止频率，fRF2_L是第二微波调频信号的低频截止频率，T2是第二微波调频信号的周期，B2是第二调频带宽，fRF2_B是第二微波基频信号的频率，φN_RF2(t)是第二混频信号的噪声相位；t是时间；
第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制，调制后的光信号为：
Figure FDA0003688011440000141
其中，E0_PM2是第二相位调制器调制后的第二光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；
Figure FDA0003688011440000142
β2是第二相位调制器的调相系数，
Figure FDA0003688011440000143
Vπ_2是第二相位调制器的半波电压，φN_PM2(t)是第二相位调制器输出的噪声相位；
将式2通过贝塞尔函数展开得：
Figure FDA0003688011440000144
其中，Jn是第二类n阶贝塞尔函数，n＝0，1，2…；上式J0表示光载波，其余Jn项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。
6.根据权利要求5所述的双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法，其特征在于：调制后的第二光信号采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k2阶单边带激光信号通过，表示为：
Figure FDA0003688011440000151
其中，Eout2(t)是经过调制和滤波的第二光信号，
Figure FDA0003688011440000152
是参数为β2的k2阶第一类贝塞尔函数；
采用对称三角波线性调制，调制后的第二光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：
Figure FDA0003688011440000153
其中，E2是调制后的第二光信号振幅，表示为：
Figure FDA0003688011440000155
φN2(t)是调制后的第二光信号噪声和残余相位，表示为：
Figure FDA0003688011440000154
k2是第二带通滤波单边带级次。
7.根据权利要求1-6任一项所述的双调制共光路线性调频激光雷达测距测速方法的装置，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)连接有第一光学分束器(3)，第一光学分束器(3)分别连接有第一光学相位调制器(4)和第二光学相位调制器(5)；所述第一光学相位调制器(4)的驱动端依次连接有第一射频放大器(6)和第一射频混频器(7)；所述第一射频混频器(7)分别连接有第一微波调频信号发射器(8)和第一微波基频信号发生器(9)；所述第二光学相位调制器(5)的驱动端依次连接有第二射频放大器(10)和第二射频混频器(11)；所述第二射频混频器(11)分别连接有第二微波调频信号发射器(12)和第二微波基频信号发生器(13)；所述第一相位调制器(4)的输出端连接有第一光学带通滤波器(14)；所述第二相位调制器(5)的输出端连接有第二光学带通滤波器(15)；所述第一光学带通滤波器(14)和第二光学带通滤波器(15)一同连接有第二光学分束器(16)，第二光学分束器(16)经激光放大器(17)连接有第三光学分束器(18)，第三光学分束器(18)连接有光学环形器(19)；所述光学环形器(19)的输出端依次连有光学扫描器(20)和光学望远镜(21)；所述光学环形器(19)和第三光学分束器(18)一同连接有光学桥接器(22)，光学桥接器(22)的输出端连接有光学低通滤波器(24)，光学低通滤波器(24)经光电平衡探测器(23)连接有模数转换器(25)，模数转换器(25)的输出端连接有数字信号处理单元(26)；所述数字信号处理单元(26)连接有主控计算机(27)，主控计算机(27)与光学扫描器(20)连接。
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