CN113281778A - 一种基于光学锁相的相干激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学锁相的相干激光雷达系统，系统由相位调制器对窄线宽激光进行大带宽调制，调制后信号光与本振光通过IQ混频器和平衡探测器完成光电转换，后经过乘法器和低通滤波器实现鉴相，所得到的误差信号反馈给光学调制器用来修正信号光的频率和相位，完成信号光对本振光的光学锁相，锁相后的信号光经过光放大器进行功率放大，用于目标探测。该系统解决了相干激光雷达调制过程及光学传递引起的随机相位，可以用于相干激光雷达相参积累和成像。

Description

一种基于光学锁相的相干激光雷达系统

技术领域

本发明涉及相干激光雷达技术，具体涉及一种基于光学锁相相干激光雷达随机相位补偿技术，解决了电光调制器引入的随机相位的问题。

背景技术

低噪声宽带扫频激光信号在相干光通信、多普勒测距、合成孔径激光雷达等方向具有及其重要的应用前景；目前主要存在两种体制来实现宽频信号：内调制和外调制。在内调制体系中，激光的可调谐性一般通过控制光腔的长度或者改变泵浦获得，然而从激光的原理不难发现，激光的相干性和其宽频可调谐是一对矛盾的个体，高相干性要求较长的光腔，激光的光腔、泵浦源等具有高稳定度和极低的附加噪声，然而宽带可调谐性又要求能够根据需求灵活地改变这些相关参数。如此精密而又灵活的频率要求，对于激光器设计是极其困难的。并且，该方案存在严重的非线性问题，尤其随着调制带宽的增加，该非线性问题更加突出，恶化了距离分辨率。如果将这个难点拆开为两个不同的技术基础，高相干性和大范围频率调谐。因此，外调制体制可以很好的解决上述问题。

目前主流采用线性调频和脉冲编码来实现宽频调制，在线性调频方案中，存在严重的多次谐波干扰和能量利用率低等问题，而脉冲编码可以很好的克服上述问题。随着光通信的发展，相位编码技术已经取得了广泛的应用。同时m序列等拥有良好的自相关性特性，在脉冲压缩方面具有先天的优势，自然而然被应用到激光雷达中来。目前相位编码主要采用电光调制实现，该方案会引入一定的相位误差，为了消除该误差对成像的影响，本专利设计一套基于光学锁相相干激光雷达系统。

发明内容

本发明的目的是在现有的相干成像雷达的技术上，提出了一种基于光学锁相的随机相位补偿技术。在系统上，激光相干性和宽频调谐性不太容易同时满足高指标要求，可调谐激光器的相干性较差，若将上述分拆成窄线宽激光器和宽频调制两种技术可以解决此问题。相比于传统雷达，采用相位调制来实现激光宽频信号调制，由于采用直接调频率而不是波长，拥有更好的调谐线性度。同时加入光学锁相环，消除电光调制器等器件引入的随机相位。

基于光学锁相相干激光雷达原理图如图1所示，该系统由三部分组成：信号调制模块、光学锁相模块、发射和接收模块。半导体激光器出射的激光信号首先经过一个光纤分束器分成两路，下臂信号经过一个第二声光移频器作为本振光，上臂信号经过由编码信号驱动的电光相位调制器和第一声光移频器后作为信号光。在信号调制模块中，激光信号被任意波形发生器产生的相位编码信号驱动的电光相位调制器调制。两个声光移频器的主要作用是构建一个光学锁相环路。

在光学锁相模块中，锁相环主要目的是为了消除电光相位调制器产生的随机相位。锁相环主要由光鉴相器、滤波器、光压控振荡器三部分组成。其中，光鉴相器由第二IQ混频器、第二平衡探测器和乘法器构成；光压控振荡器由压控振荡器和第一声光移频器组成；第二声光移频器和发射信号模块一起构成一个光学参考信号。最终，信号光与本振光相位同步并锁定。

信号光可以表示为：

其中，w_c是激光中心角频率，V_pi是电光调制器半波电压，

是电光调制器引入的随机相位，p_c是编码信号。当驱动电压V_p近似等于半波电压V_pi时，此时信号可以表示为：

锁相环的本质是一个非线性微分系统，借助线性小信号模型对其辅助分析。系统中信号光可以表示为：

本振信号可以表示为：

l_o＝u_lcos(w_ct+w_lot) (4)

w_c是激光的角频率，u_s是信号光的幅值，p_c是m序列码，

是由电光相位调制器引入的随机相位，w_s是信号光用来跟踪本振光的角频率，u_l是本振光幅值，w_lo是本振光引入的参考角频率。

经IQ平衡探测后，I路信号可以表示为：

Q路信号可以表示为：

IQ两路信号通过乘法器可以实现鉴相输出：

p_c是0，1码，2π·p_c因其是2π的整数倍而被差掉，所以公式(8)可以记作：

其中，Δw＝(w_s-w_lo)是信号光相对于本振的频差，由于采用零差锁相技术，Δw近似在0频附近，鉴相器工作在线性区间，此时误差信号可以采用线性近似：

鉴相器的输出经过环路滤波器，g(t)是该滤波器的时域表达式，则开环状态下可以表示为：

经过锁相环路的信号光的相位可以表示为：

环路锁相之后，信号光可以表示为：

在发射端，锁相后信号光经过掺铒光纤放大器放大之后由发射望远镜发射出去用于探测。在接收端，回波信号与本振光完成IQ混频和平衡探测后，包含目标信息IQ信号由数据采集卡完成采样。

据此，本专利提出的一种基于光学锁相合成孔径激光雷达系统，如图1所示，系统组成及功能如下：

1.该系统由窄线宽激光器1、任意波形发生器2、电光相位调制器3、第一声光移频器4、掺铒光纤放大器5、发射望远镜6、接收望远镜7、第一IQ混频器8、第一平衡探测器9、数据采集卡10、第二IQ混频器11、第二平衡探测器12、乘法器13、低通滤波器14、锁相环控制器15、压控振荡器16、第二声光移频器17、发射信号模块18；其特征在于。

窄线宽激光器信号首先分成两束，下臂信号经过由发射信号模块驱动的第二声光移频器后作为本振光，上臂信号经过一个由任意波形发生器驱动的电光相位调制器和第一声光移频器后作为信号光。该系统包含锁相光路和信号光路两部分，锁相光路用来消除电光相位调制器产生的随机相位，信号光路用于探测。在锁相光路中，信号光和本振光经过第二IQ混频器完成正交混频，混频后的IQ信号由第二平衡探测器完成光电转换。在信号光路中，信号光经过掺铒光纤放大器放大后耦合到发射望远镜用于探测。由接收望远镜接收到的回波信号与本振光依次经过第一IQ混频器和第一平衡探测器完成光电转换，包含目标信号的IQ信号由数据采集卡完成数据采集。其中，窄线宽激光器的线宽为1KHz，波长为1550nm，功率为13dbm。任意波形发生器输出信号最大带宽为5GHz，输出功率为16dbm。电光相位调制器的3db带宽为10GHz。

在锁相环路中，由第二平衡探测器得到的IQ两路电信号首先经过一个乘法器完成鉴相，再由一个低通滤波器滤除干扰得到误差信号，该误差信号反馈给锁相环控制器作为压控振荡器的驱动信号，最后由压控振荡器去修改第一声光移频器频率和相位，使其跟踪本振光，达到锁相的目的。

基于光学锁相的具体工作流程如下：

1)在锁相环路中，信号光和本振光经第二IQ混频器和第二平衡探测器完成光电转换得到IQ两路信号，然后IQ两路信号经乘法器相乘，即可完成鉴相。其中，第二IQ混频器、第二平衡探测器和乘法器构成一个光学鉴相器。

2)鉴相器输出经过一个低通滤波器，滤除高频信号，得到低频信号，完成对误差信号的实时跟踪。

3)误差信号经过锁相环控制器之后反馈给压控振荡器，实时修改输出信号的频率和相位，同时，压控振荡器又作为第一声光移频器的驱动信号，从而使信号光达到来跟踪本征光的目的，频率锁定后再完成相位锁定。其中，压控振荡器和第一声光移频器一起构成一个光学压控振荡器。

4)本振光路中的第二声光移频器和发射信号模块一起构成一个光学参考源。

5)步骤1)-4)，构成一个闭环回路，实现了以本振路为光学参考信号，消除了电光相位调制器的引入的随机相位。

本系统的优点

1.采用脉冲信号作为调制信号，相对于线性调频，没有多次谐波的干扰。

2.相对于内调制调谐激光器波长方案，由于是直接调制相位而不是调制波长，线性度较好，调谐速率高。

3.增加了锁相环路，消除了电光调制器引入的随机相位，系统拥有更好的鲁棒性。

4.由于无需对激光器进行调谐，降低了对激光器的需求，并且固定波长的激光器可以做到更窄的线宽，拥有更远的相干长度。

附图说明

图1是基于光学锁相相干激光雷达原理图，其中1是窄线宽激光器、2是任意波形发生器、3是电光相位调制器、4是第一声光移频器、5是掺铒光纤放大器、6是发射望远镜、7是接收望远镜、8是第一IQ混频器、9是第一平衡探测器、10是数据采集卡、11是第二IQ混频器、12是第二平衡探测器、13是乘法器、14是低通滤波器、15是锁相环控制器、16是压控振荡器、17是第二声光移频器、18是射频信号发射模块。

图2是环路锁定后残余相位噪声图。

图3是两点目标距离向测试图。

图4是有无锁相环路下，1s内相位测试图。

具体实施方式

基于光学锁相脉冲编码相干激光雷达系统具体实施如下。该系统主要由扫频调制模块、复合光学锁相模块和收发模块。该系统由窄线宽激光器、任意波形发生器、电光相位调制器、第一声光移频器、掺铒光纤放大器、发射望远镜、接收望远镜、第一IQ混频器、第一平衡探测器、数据采集卡、第二IQ混频器、第二平衡探测器、鉴相器、低通滤波器、锁相环控制器、压控振荡器、第二声光移频器、射频信号发射模块组成。

其中窄线宽激光器为半导体激光器，波长1550nm，线宽1KHz，输出功率13dbm。激光信号首先经过一个光纤分束器分成两路，下臂信号经过第二声光移频器作为本振光，上臂信号经过由编码信号驱动的相位调制器和第一声光移频器后作为信号光。两个声光移频器的主要作用是构建一个零差光学锁相环，其中，本振路中由发射信号模块驱动的第二声光移频器作为光学参考信号，信号路中的第一声光移频器用于跟踪本振路中的参考信号，两个声光移频器的中心频率都为400MHz。

在信号调制模块中，激光信号相位编码信号驱动的电光相位调制器完成相位调制。其中，编码信号由任意波形发生器产生的m序列，该信号发生器输出信号最大带宽为5GHz。电光相位调制器3db带宽为10GHz。受制于数据采集卡采样率的限制，我们设置m序列带宽为1.25GHz，码元长度511bits。

在锁相模块中，第二IQ混频器、第二平衡探测器和乘法器组成一个光学鉴相器，用于锁相的信号光与本振光首先经过该鉴相器完成鉴相功能。信号路中的第一声光移频器和压控振荡器一起构成一个光学压控振荡器，鉴相器的输出误差信号经过一个低通滤波器后作为该压控振荡器的驱动信号。以上够成一个闭环回路，由于误差一直存在，鉴相器就会不断的产生补偿信号，最终信号光路锁定在本振光路上。本振路的第二声光移频器和射频信号发射模块一起组成一个光学参考源。

在发射端，锁相后信号光经过掺铒光纤放大器放大之后由发射望远镜发射出去用于探测。其中掺铒光纤放大器输出光功率为27dbm。在接收端，回波信号与本振光完成IQ混频和平衡探测后，包含目标信息IQ信号由一个数据采集系统完成数据采集。其中双通道采集卡的最大采样率为1.25Ga/s。IQ接收数据可以表示为：

其中，A_i表示目标i的相对反射系数，

表示目标i与雷达相对运动引入的相位值，s_i表示接收到的回波信号。

由于m序列具有良好的自相关特性，可以采用相干运算来是实现距离压缩。

s_i是接收到的回波信号，s_r＝exp(jp_c)是由编码信号构建的匹配滤波器。

S_xcorr＝∑_iA_is_xcorr(i) (20)

通过公式(19-20)，即可完成对目标的测量。其中两点目标的幅度谱如图3所示，该图表示目标的测距结果，两目标可区分最小间隔即为测距分辨率。有无锁相环路下，静止目标的相位谱如图4所示，相位信息表示目标与雷达相对运动引入的相位。

图2是环路锁定后，残余相位噪声图，由于光压控振荡器、光鉴相器、光参考源等本身也都存在相位噪声，所以环路锁定后，环路还会存在一些残余相位噪声。从图中可以看出，环路锁定后，相位噪声已经很低，环路带宽在1.2MHz时，应该具有最好的相位噪声曲线。

图3是间距15cm的两点目标测距图，从图中可以看出，目标距离雷达大约11m，目标的测距分辨率高于15cm。根据测距分辨率公式ρ＝c/2B可知，实测分辨率与理论值接近，其中，c是光速，B＝1.25GHz是信号带宽。当采用更高的调制带宽，即可实现更高的测距分辨率。

图4是相位测量图，测试时长为1s，其中虚线为锁相后相位值，实线为未锁相相位值。可以看出，在锁相状态下，信号相位稳定度极高，相位波动值小于0.1rad；在未锁定状态时，相位存在一个波动分量，该波动值与具体的测试环境相关。所以，锁相可以很好的消除相位调制器引入的随机相位。

该系统可以用于合成孔径激光雷达成像和相参积累提升信噪比中。

Claims (4)

1.一种基于光学锁相的相干激光雷达系统，包括窄线宽激光器(1)、任意波形发生器(2)、电光相位调制器(3)、第一声光移频器(4)、掺铒光纤放大器(5)、发射望远镜(6)、接收望远镜(7)、第一IQ混频器(8)、第一平衡探测器(9)、数据采集卡(10)、第二IQ混频器(11)、第二平衡探测器(12)、乘法器(13)、低通滤波器(14)、锁相环控制器(15)、压控振荡器(16)、第二声光移频器(17)、发射信号模块(18)，其特征在于：

所述的窄线宽激光器(1)信号首先分成两束，下臂信号经过由发射信号模块(18)驱动的第二声光移频器(17)后作为本振光，上臂信号经过一个由任意波形发生器(2)驱动的电光相位调制器(3)和第一声光移频器(4)后作为信号光；该系统包含锁相光路和信号光路两部分，锁相光路用来消除电光相位调制器(3)产生的随机相位，信号光路用于探测；在锁相光路中，信号光和本振光经过第二IQ混频器(11)完成正交混频，混频后的IQ信号由第二平衡探测器(12)完成光电转换；在信号光路中，信号光经过掺铒光纤放大器(5)放大后耦合到发射望远镜(6)用于探测；由接收望远镜(7)接收到的回波信号与本振光依次经过第一IQ混频器(8)和第一平衡探测器(9)完成光电转换，包含目标信号的IQ信号由数据采集卡(10)完成数据采集；

在锁相环路中，由第二平衡探测器(12)得到的IQ两路电信号首先经过一个乘法器(13)完成鉴相，再由一个低通滤波器(14)滤除干扰得到误差信号，该误差信号反馈给锁相环控制器(15)作为压控振荡器(16)的驱动信号，最后由压控振荡器去修改第一声光移频器(4)频率和相位，使其跟踪本振光，达到锁相的目的。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学锁相的相干激光雷达系统，其特征在于：所述的窄线宽激光器(1)的线宽为1KHz，波长为1550nm，功率为13dbm。

3.根据权利要求1所述的一种基于光学锁相的相干激光雷达系统，其特征在于：所述的任意波形发生器(2)输出信号最大带宽为5GHz，输出功率为16dbm。电光相位调制器(3)的3db带宽为10GHz。

4.一种基于权利要求1所述的一种基于光学锁相的相干激光雷达系统的光学锁相处理方法，其特征在于方法步骤如下：

1)在锁相环路中，信号光和本振光经第二IQ混频器(11)和第二平衡探测器(12)完成光电转换得到IQ两路信号，然后IQ两路信号经乘法器(13)相乘，即可完成鉴相，其中，第二IQ混频器(11)、第二平衡探测器(12)和乘法器(13)构成一个光学鉴相器；

2)鉴相器输出经过一个低通滤波器(14)，滤除高频信号，得到低频信号，完成对误差信号的实时跟踪；

3)误差信号经过锁相环控制器(15)之后反馈给压控振荡器(16)，实时修改输出信号的频率和相位，同时，压控振荡器(16)又作为第一声光移频器(4)的驱动信号，从而使信号光达到来跟踪本征光的目的，频率锁定后再完成相位锁定，其中，压控振荡器(16)和第一声光移频器(4)一起构成一个光学压控振荡器；

4)本振光路中的第二声光移频器(17)和发射信号模块(18)一起构成一个光学参考源；

5)步骤1)-4)，构成一个闭环回路，实现了以本振路为光学参考信号，消除了电光相位调制器(3)的引入的随机相位。

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