CN112731413A - 一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达，包括主激光器(空间耦合)、可调谐本振激光器、接收光学系统、3dB耦合器、平衡探测器、鉴频鉴相模块(PFD)、电荷泵和环路滤波器。主激光器发射的激光打到高速运动目标反射回来的回波信号与本振光干涉后得到拍频信号，与设定的参考信号经过鉴频鉴相模块得到两信号的相位差，通过环路滤波器产生对应的控制电压，对本振激光器的频率进行调控，使得拍频信号锁定到设定的参考信号相位。此时锁定时拍频信号与回波与本振激光器直接拍频的信号相比，信号频率显著变小，更有利于后续的数据处理，使相干激光雷达更适用于高速目标的探测。

Description

一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达
技术领域
本发明属于相干激光雷达技术领域，特别涉及一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达。
背景技术
相干激光雷具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强、分辨能力强等优势。但相干激光雷达在探测高速运动目标时，由于目标的高速运动会产生很高的多普勒频移，导致拍频信号超过了探测器的可探测带宽范围，且较高的拍频频率增大了信号采集和处理的难度。因此补偿大多普勒频移是相干激光雷达探测高速运动目标的基础。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达，能够以光锁相环的方式补偿多普勒频移实现对高速运动目标的探测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达，该相干激光雷达包括主激光器、可调谐本振激光器、接收光学系统、3dB 耦合器、平衡探测器、鉴频鉴相模块、电荷泵、环路滤波器和信号处理模块，所述的主激光器用于发射空间连续激光信号至被测目标上；所述的可调谐本振激光器用于产生本振光信号，可通过温度和PZT调谐本振光信号频率；所述的接收光学系统用于接收被测目标反射/ 散射的激光回波信号；所述的3dB耦合器用于使回波光信号与本振光信号耦合成相位相差 180°的两路光信号；所述的平衡探测器用于分别响应3dB耦合器输出的两路光信号，并对两个光电流之差做跨阻放大；所述的鉴频鉴相模块用于产生频差信号与参考信号上升沿的脉冲差；所述的电荷泵用于响应鉴频鉴相器模块输出的脉宽差，产生对应的充电/放电电流；所述的环路滤波器用于产生可调谐本振激光器的控制电压，同时也用于滤除高频信号。
进一步地，采用了光锁相技术，既降低了拍频信号的频率，补偿了目标运动带来的大多普勒频移，又保证了拍频信号的相位稳定，在此基础上更有利于后续对拍频信号的探测与采集，降低了相干激光雷达数据处理的难度，可实现相干激光雷达对高速运动目标的探测。
进一步地，采用了鉴频鉴相模块构成光锁相环，通过鉴频鉴相模块中引入参考信号可降低环路的捕获带宽，可更好的抑制环路噪声，保证环路的跟踪性能；此外相较于其他的鉴相器，因鉴频鉴相模块输出的是两信号的脉宽差，所以鉴频鉴相模块既能鉴频又能鉴相，且锁定精度较高。
进一步地，采用经过优化后的环路滤波器，可以使环路带宽和相位裕度优化到合适的值，即实现了环路对大带宽的快速捕获，也保证了环路的锁定稳定性。
与现有技术相比，本发明所述的采用光锁相环补偿多普勒频移的的相干激光雷达的优势在于：
(1)该探测高速运动目标的相干激光雷达，采用了光锁相环，既能降低高速运动目标产生的多普勒频移，又能保障拍频信号的稳定。
(2)该探测高速运动目标的相干激光雷达，采用了鉴频鉴相器，即增大了环路捕获带宽，又保证了环路锁定的精度。
附图说明
图1为本发明一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达的结构示意图。
图中：1为主激光器，2为可调谐本振激光器，3为接收光学系统，4为3dB耦合器，5为平衡探测器，6为鉴频鉴相模块，7为电荷泵，为环路滤波器，9为信号处理模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达，采用光锁相技术补偿多普勒频移的相干激光雷达。该激光雷达包括主激光器1(空间耦合)、可调谐本振激光器2、接收光学系统3、3dB耦合器4、平衡探测器5、鉴频鉴相模块6、电荷泵7、环路滤波器8 和信号处理模块9。
所述的主激光器1用于发射空间连续激光信号至被测运动目标上；
所述的可调谐本振激光器2用于产生本振光信号，可通过温度和PZT调谐本振光信号频率；
所述的接收光学系统3用于接收被测运动目标反射/散射的激光回波信号；
所述的3dB耦合器4用于使回波光信号与本振光信号耦合成相位相差180°的两路光信号；
所述的平衡探测器5用于分别响应3dB耦合器4输出的两路光信号，并对两个光电流之差做跨阻放大；
所述的鉴频鉴相模块6用于产生频差信号与参考信号上升沿的脉冲差；
所述的电荷泵7用于响应鉴频鉴相器模块6输出的脉宽差，产生对应的充电/放电电流；
所述的环路滤波器8用于产生可调谐本振激光器2的控制电压，同时也用于滤除高频信号。
实施例
如图1所示，本发明提出的采用光锁相环补偿多普勒频移的相干激光雷达，包括线宽为 kHz量级的1064nm固体激光器作为主激光器1(空间耦合)；具有温度调谐和PZT调谐功能的1064nm固体激光器作为可调谐本振激光器2，其温度调谐系数可达GHz/℃，PZT调谐系数为几十MHz/V；采用准直器作为接收光学系统3、保偏光纤的3dB耦合器4、高带宽的平衡探测器5、ADI公司的鉴频鉴相模块6、电荷泵7和环路滤波器8，最终构成环路带宽 50kHz，相位裕度为45°的光锁相环路。利用主激光器发射至运动目标反射/散射的回波信号与本振激光器产生的本振光干涉经平衡探测器得到拍频电信号。利用鉴频鉴相模块产生拍频信号与设定的射频参考信号的单边沿的脉宽差，进而控制电荷泵产生对应的充/放电电流。利用环路滤波器产生驱动可调谐本振激光器的控制电压信号，利用PZT调谐的方式实现对本振激光器输出频率的调控。进而降低拍频信号的频率，最终实现拍频信号在相位上与参考信号的锁定，得到稳定的拍频信号，因而可使得相干激光雷达能够在光锁相环的基础上实现对高速运动目标的探测。
未采用光锁相环时，相干激光雷达探测运动目标时，多次采集的拍频信号的频率。而经过采用光锁相环的相干激光雷达输出的拍频信号锁定在鉴频鉴相器模块的射频参考信号的相位上，可以明显看出拍频信号频率得到降低，且频率稳定性得到提高，故可实现对高速运动目标的探测。

Claims (4)

1.一种采用光锁相自适应补偿多普勒频移的相干激光雷达，其特征在于：该相干激光雷达包括主激光器(1)、可调谐本振激光器(2)、接收光学系统(3)、3dB耦合器(4)、平衡探测器(5)、鉴频鉴相模块(6)、电荷泵(7)、环路滤波器(8)和信号处理模块(9)，所述的主激光器(1)用于发射空间连续激光信号至被测目标上；所述的可调谐本振激光器(2)用于产生本振光信号，可通过温度和PZT调谐本振光信号频率；所述的接收光学系统(3)用于接收被测目标反射/散射的激光回波信号；所述的3dB耦合器(4)用于使回波光信号与本振光信号耦合成相位相差180°的两路光信号；所述的平衡探测器(5)用于分别响应3dB耦合器(4)输出的两路光信号，并对两个光电流之差做跨阻放大；所述的鉴频鉴相模块(6)用于产生频差信号与参考信号上升沿的脉冲差；所述的电荷泵(7)用于响应鉴频鉴相器模块(6)输出的脉宽差，产生对应的充电/放电电流；所述的环路滤波器(8)用于产生可调谐本振激光器(2)的控制电压，同时也用于滤除高频信号。
2.根据权利要求1所述的采用光锁相环补偿多普勒频移的相干激光雷达，其特征在于：采用了光锁相技术，即降低了拍频信号的频率，补偿了目标运动带来的大多普勒频移，又保证了拍频信号的相位稳定，在此基础上更有利于后续对拍频信号的探测与采集，降低了相干激光雷达数据处理的难度，可实现相干激光雷达对高速运动目标的探测。
3.根据权利要求1所述的采用光锁相环补偿多普勒频移的相干激光雷达，其特征在于：采用了鉴频鉴相模块(6)构成光锁相环，通过鉴频鉴相模块(6)中引入参考信号可降低环路的捕获带宽，可更好的抑制环路噪声，保证环路的跟踪性能；此外相较于其他的鉴相器，因鉴频鉴相模块(6)输出的是两信号的脉宽差，所以鉴频鉴相模块(6)既能鉴频又能鉴相，且锁定精度较高。
4.根据权利要求1所述的采用光锁相环补偿多普勒频移的相干激光雷达，其特征在于：采用经过优化后的环路滤波器(8)，可以使环路带宽和相位裕度优化到合适的值，即实现了环路对大带宽的快速捕获，也保证了环路的锁定稳定性。
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