CN114690196B - 一种光双啁啾测距雷达系统 - Google Patents

一种光双啁啾测距雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光双啁啾测距雷达系统，包括：双啁啾光波信号发生装置，用于向目标物体发出双啁啾光波信号；所述双啁啾光波信号包括频率相同的第一光波信号和第二光波信号；所述第一光波信号和所述第二光波信号的相位差为90°；测距装置，用于接收所述双啁啾光波信号在目标物上所反射的回波信号，并根据该回波信号借助双通道的高速锁相放大器，确定目标物与该光双啁啾测距雷达系统之间的距离。双啁啾光波信号照射在目标物上所产生的回波信号同样具有两个频率相同且相位正交的分量，恰好可以通过双相锁相放大器的两个正交输出通道分别解调得到，使得锁相放大器的两路输出都利用了起来，通过两束信号的回波测量对于测距的精度也提高了。

Description

一种光双啁啾测距雷达系统
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种光双啁啾测距雷达系统。
背景技术
现有的FMCW系统依靠基于窗函数的旁瓣抑制来解决自干扰（杂波），为了提供背景信息，一束10微秒的FMCW脉冲可以在1.5公里范围内径向传播，而即使是更短的1微秒FMCW脉冲也可能会被150米外的高强度杂波破坏。其实只要扫描部分用了OPA，则无论收发系统是TOF还是FMCW，都无法避免旁瓣回波问题，导致测距的目标中存在不止一个的距离。此外，FMCW还存在测距的周期性问题，也就是说，任何一个测距都可能是整数倍测量周期与实际测量距离的和，导致测距错误的情况。也就是说现有的雷达测距系统测距精度不高。现有技术中还出现照向目标物的光信号利用不充分，使得有效测量距离较短的问题。
发明内容
（一）要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种光双啁啾测距雷达系统，其解决了啁啾调制存在的测距精度不高且有效测量距离较短的的技术问题。
（二）技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一方面，本发明实施例提供一种光双啁啾测距雷达系统，所述系统包括：
双啁啾光波信号发生装置，用于向目标物体发出双啁啾光波信号；
所述双啁啾光波信号包括频率相同的第一光波信号和第二光波信号；所述第一光波信号和所述第二光波信号的相位差为90°；
测距装置，用于接收所述双啁啾光波信号在目标物上所反射的回波信号，并将该回波信号和预设的参考信号输入至双通道的高速锁相放大器中获取该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号并进一步基于两个正交输出通道的信号的相位延迟分别采用间接测距法确定该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道分别所对应的目标物与该光双啁啾测距雷达系统之间的距离。优选地，所述测距装置包括：
光电探测器，用于检测所述双啁啾光波信号在目标物上所反射的回波信号，并将该回波信号作为输入信号传输至双通道的高速锁相放大器中；
双通道的高速锁相放大器，用于基于所述输入信号和预设的参考信号获取该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号；
处理单元，用于基于该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号分别确定两个正交输出通道的信号的相位延迟，并进一步基于两个正交输出通道的信号的相位延迟分别采用间接测距法确定该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道分别所对应的目标物与该光双啁啾测距雷达系统之间的距离。
优选地，所述双啁啾光波信号发生装置包括：
连续波激光器，用于输出具有第一重复频率的第一啁啾脉冲激光束；
电光调制器，用于针对所述第一啁啾脉冲激光束进行第二预设频率的调制，输出调制后的激光束；
第一偏振选择装置，用于将所述调制后的激光束分成用于直接进入第二偏振选择装置的第三光束和用于经过光回路装置进入第二偏振选择装置的第四光束；
其中，所述第三光束和第四光束的偏振方向垂直，相位相差90°；
光回路装置，用于将所述第四光束传输至第二偏振选择装置，并使得第四光束在该光回路装置的传输时间满足第一预设条件；
所述第一预设条件为所述第四光束在该光回路装置的传输时间比所述第三光束由第一偏振选择装置到第二偏振选择装置的时间长所述第一重复频率的第一啁啾脉冲激光束的一个脉冲周期；
所述第二偏振选择装置，用于将所述第三光束和所述第四光束合并在一起，作为用于向目标物体发出的双啁啾光波信号。
优选地，
所述光回路装置包括多个反射镜和光学延迟线装置。
优选地，
所述第一重复频率为N MHz；
其中，N为预先设定值。
优选地，
所述第二预设频率为N/4 MHz的频率。
优选地，
所述N为80。
优选地，
所述第一偏振选择装置均为第一光极化偏振分束器；
所述第二偏振选择装置均为第二光极化偏振分束器。
优选地，所述双啁啾光波信号发生装置还包括：
设置在所述第二偏振选择装置之后的半波片，以使所述第二偏振选择装置出来的第三光束和第四光束通过该半波片照向目标物体。
优选地，所述预设的参考信号的频率为N/4 MHz。
（三）有益效果
本发明的有益效果是：本发明的一种光双啁啾测距雷达系统，由于采用双啁啾光波信号发生装置，用于向目标物体发出双啁啾光波信号，相对于现有技术而言，所述双啁啾光波信号包括频率相同的第一光波信号和第二光波信号；所述第一光波信号和所述第二光波信号的相位差为90°，这样的双啁啾光波信号照射在目标物上所产生的回波信号同样具有两个频率相同且相位正交的分量，恰好可以通过双相锁相放大器的两个正交输出通道分别解调得到，使得锁相放大器的两路输出都利用了起来，通过两束信号的回波测量对于测距的精度也提高了，同时因为第三光束和第四光束全部都照在了目标物上，因此使得系统的光信号利用率提高，进一步使得有效测量距离也增加了。
附图说明
图1为本发明的一种光双啁啾测距雷达系统；
图2为本发明的一种光双啁啾测距雷达系统中测距装置的结构示意图；
图3为本发明的实施例中的一种双啁啾光波信号发生装置结构示意图；
图4为本发明的实施例中的一种双啁啾光波信号发生装置在使用时的示意图；
图5为本发明的实施例中的第三光束和第四光束分别所对应的波形示意图；
图6为本发明的一种光双啁啾测距雷达系统在同一测距情况下的回波信号与参考信号的时频分布示意图；
图7为本发明的一种光双啁啾测距雷达系统在阶跃测距情况下的回波信号与参考信号的时频分布示意图。
【附图标记说明】
A：第一啁啾脉冲激光束；
EOM：电光调制器；
B：调制后的激光束；
PBS1：第一偏振选择装置；
S1：第三光束；
S2：第四光束；
ODL：光学延迟线装置；
PBS2：第二偏振选择装置；
HW：半波片；
S10：第三光束S1所对应的回波信号的时频；
S20：第四光束S2所对应的回波信号的时频；
S30：参考信号的时频。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
参见图1，本实施例提供一种光双啁啾测距雷达系统，所述系统包括：
双啁啾光波信号发生装置，用于向目标物体发出双啁啾光波信号；
所述双啁啾光波信号包括频率相同的第一光波信号和第二光波信号；所述第一光波信号和所述第二光波信号的相位差为90°。
测距装置，用于接收所述双啁啾光波信号在目标物上所反射的回波信号，并将该回波信号和预设的参考信号输入至双通道的高速锁相放大器中获取该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号并进一步基于两个正交输出通道的信号的相位延迟分别采用间接测距法确定该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道分别所对应的目标物与该光双啁啾测距雷达系统之间的距离。高频锁相放大器就是一个不可或缺的信号检测装置。基于相敏检波的原理，高频锁相放大器可以把淹没在杂乱噪声中的，具有特定频率的微弱信号解析出来。
参见图2，在本实施例的实际应用中，所述测距装置包括：
光电探测器，用于检测所述双啁啾光波信号在目标物上所反射的回波信号，并将该回波信号作为输入信号传输至双通道的高速锁相放大器中。
双通道的高速锁相放大器，用于基于所述输入信号和预设的参考信号获取该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号。
处理单元，用于基于该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号分别确定两个正交输出通道的信号的相位延迟，并进一步基于两个正交输出通道的信号的相位延迟分别采用间接测距法确定该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道分别所对应的目标物与该光双啁啾测距雷达系统之间的距离。
参见图3，在本实施例的实际应用中，所述双啁啾光波信号发生装置包括：
连续波激光器，用于输出具有第一重复频率的第一啁啾脉冲激光束。
电光调制器，用于针对所述第一啁啾脉冲激光束进行第二预设频率的调制，输出调制后的激光束。
第一偏振选择装置，用于将所述调制后的激光束分成用于直接进入第二偏振选择装置的第三光束和用于经过光回路装置进入第二偏振选择装置的第四光束。
其中，所述第三光束和第四光束的偏振方向垂直，相位相差90°。
光回路装置，用于将所述第四光束传输至第二偏振选择装置，并使得第四光束在该光回路装置的传输时间满足第一预设条件。
所述第一预设条件为所述第四光束在该光回路装置的传输时间比所述第三光束由第一偏振选择装置到第二偏振选择装置的时间长所述第一重复频率的第一啁啾脉冲激光束的一个脉冲周期。
所述第二偏振选择装置，用于将所述第三光束和所述第四光束合并在一起，作为用于向目标物体发出的双啁啾光波信号。
参见图4，本实施例中采用连续波激光器充当光源，首先通过光电调节器EOM实现激光光源的啁啾调制，将激光光源转换成一个个啁啾波包也就是具有第一重复频率的第一啁啾脉冲激光束A。在对激光进行调制的时候，光电调制器EOM把其偏振性进行周期性地改变，再通过一个第一偏振选择装置PBS1就可以得到强度周期性变化的激光，也就是对其强度实现了开关调制。
具体的，连续波激光器输出的激光的重复频率为80MHz的第一啁啾脉冲激光束A，被电光调制器EOM进行20MHz的调制后，第一偏振选择装置PBS1可以把它分成偏振方向垂直，调制相位上相差90°的两束激光，也就是第三光束S1和第四光束S2。
参见图5，第一啁啾脉冲激光束A的重复频率为80MHz，而电光调制器EOM的调制频率为20MHz，那么每一个调制周期中就包含4个激光脉冲周期；第三光束S1和第四光束S2在相位上相差90°，那么它们在时间上的相对延迟就是2个脉冲周期。
我们用第二偏振选择装置PBS2让第四光束S2在经过一个带有光学延迟线装置ODL的光回路装置后重新与第三光束S1合并在一起，共同用作激光。并且准确地设置光学延迟线装置的位置，使第三光束S1和第四光束S2从第一偏振选择装置PBS1到第二偏振选择装置PBS2的过程中，在相对时间延迟上产生一个激光脉冲周期的变化，这样以来，激光就包含有两个分量，并且这两个分量具有相同调制频率和正交的调制相位。产生的测距信号同样具有两个频率相同且相位正交的分量，恰好可以通过双相锁相放大器的两个正交输出通道分别解调得到。
在本实施例的实际应用中，所述双啁啾光波信号发生装置还包括：设置在所述第二偏振选择装置PBS2之后的半波片HW，以使所述第二偏振选择装置PBS2出来的第三光束S1和第四光束S2通过该半波片HW照向目标物体。
在本实施例的实际应用中，所述光回路装置包括多个反射镜和光学延迟线装置。
在本实施例的实际应用中，所述第一重复频率为N MHz；其中，N为预先设定值。
在本实施例的实际应用中，所述第二预设频率为N/4 MHz的频率。在本实施例的实际应用中，所述N为80。
在本实施例的实际应用中，所述第一偏振选择装置均为第一光极化偏振分束器；所述第二偏振选择装置均为第二光极化偏振分束器。
在本实施例的实际应用中，所述预设的参考信号的频率为N/4 MHz。
本实施例中的光双啁啾测距雷达系统在使用时，双啁啾光波信号经目标物体反射后回波信号在时域和频域上出现分离，从而可以分辨出目标物距离的连续或者阶跃。回波信号的光强变化被光电探测器检测得并传输给双通道的高速锁相放大器，解调得到两个回波信号。
本实施例中的光双啁啾测距雷达系统系统把锁相放大器的两路输出都利用了起来，通过两束信号的回波测量对于目标物测距的精度提高了。
本实施例中的光双啁啾测距雷达系统在使用时，如果第三光束S1和第四光束S2之间的调制相位差严格精确地相差90°的话，在同一目标物测距情况下，那么它们与泵浦光之间的光子频率差就会一样，参见图6，第三光束S1所对应的回波信号的时频S10和第四光束S2所对应的回波信号的时频S20就会重合，S30为参考信号的时频，本实施例中的光双啁啾测距雷达系统所探测的目标频移就会只有一个，也就是说Ω1=Ω2。其中，Ω1为第三光束S1所对应的回波信号所对应的目标频移，Ω2为第四光束S2所对应的回波信号所对应的目标频移。
本实施例中的光双啁啾测距雷达系统在使用时，在阶跃测距情况下，那么它们与泵浦光之间的光子频率差就会发生跳变，参见图7，第三光束S1所对应的回波信号和第四光束S2所对应的回波信号的两个脉冲就会分离，本实施例中的光双啁啾测距雷达系统所探测的目标频移就会出现两个，也就是说Ω1≠Ω2。
本实施例中的光双啁啾测距雷达系统中的第三光束S1和第四光束S2之间的调制相位差为90°时，它们之间的相对时间延迟为80MHz激光脉冲的一个周期，也就是12.5ns，测距范围为12.5ns*c=1.875m；而周期性20Mhz的调制下，测距范围为5ns*c=7.5m，c为光速；也即双啁啾调制下避免了单啁啾调制周期性的测距问题。也就是说本实施例中的光双啁啾测距雷达系统上的测距d=1.875*n+d0，实现了更远的测距。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征 “上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种光双啁啾测距雷达系统，其特征在于，所述系统包括：
双啁啾光波信号发生装置，用于向目标物体发出双啁啾光波信号；
所述双啁啾光波信号包括频率相同的第一光波信号和第二光波信号；所述第一光波信号和所述第二光波信号的相位差为90°；
所述双啁啾光波信号发生装置包括：
连续波激光器，用于输出具有第一重复频率的第一啁啾脉冲激光束；
电光调制器，用于针对所述第一啁啾脉冲激光束进行第二预设频率的调制，输出调制后的激光束；
第一偏振选择装置，用于将所述调制后的激光束分成用于直接进入第二偏振选择装置的第三光束和用于经过光回路装置进入第二偏振选择装置的第四光束；
其中，所述第三光束和第四光束的偏振方向垂直，相位相差90°；
光回路装置，用于将所述第四光束传输至第二偏振选择装置，并使得第四光束在该光回路装置的传输时间满足第一预设条件；
所述第一预设条件为所述第四光束在该光回路装置的传输时间比所述第三光束由第一偏振选择装置到第二偏振选择装置的时间长所述第一重复频率的第一啁啾脉冲激光束的一个脉冲周期；
所述第二偏振选择装置，用于将所述第三光束和所述第四光束合并在一起，作为用于向目标物体发出的双啁啾光波信号；
测距装置，用于接收所述双啁啾光波信号在目标物上所反射的回波信号，并将该回波信号和预设的参考信号输入至双通道的高速锁相放大器中获取该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号并进一步基于两个正交输出通道的信号的相位延迟分别采用间接测距法确定该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道分别所对应的目标物与该光双啁啾测距雷达系统之间的距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测距装置包括：
光电探测器，用于检测所述双啁啾光波信号在目标物上所反射的回波信号，并将该回波信号作为输入信号传输至双通道的高速锁相放大器中；
双通道的高速锁相放大器，用于基于所述输入信号和预设的参考信号获取该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号；
处理单元，用于基于该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道的信号分别确定两个正交输出通道的信号的相位延迟，并进一步基于两个正交输出通道的信号的相位延迟分别采用间接测距法确定该双通道的高速锁相放大器两个正交输出通道分别所对应的目标物与该光双啁啾测距雷达系统之间的距离。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述光回路装置包括多个反射镜和光学延迟线装置。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述第一重复频率为N MHz；
其中，N为预先设定值。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，
所述第二预设频率为N/4 MHz的频率。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述N为80。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述第一偏振选择装置均为第一光极化偏振分束器；
所述第二偏振选择装置均为第二光极化偏振分束器。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述双啁啾光波信号发生装置还包括：
设置在所述第二偏振选择装置之后的半波片，以使所述第二偏振选择装置出来的第三光束和第四光束通过该半波片照向目标物体。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，
所述预设的参考信号的频率为N/4 MHz。
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