CN116819497A - 一种高线性连续调频光信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的提供一种基于光锁相技术的对激光雷达进行高线性连续调频光信号的方法，包括如下步骤：由三角波发生器103产生幅度随时间线性变化的三角波信号施加在调频连续波光源108的频率控制端上；经过频率控制的调频连续波光源108输出线性调频光信号；将所述误差信号与由时钟信号101控制下的三角波发生器103产生的三角波信号叠加，共同作用在调频连续波激光器108的频率控制端上；经过频率控制的调频连续波光源108再次输出线性调频连续波激光信号这种方法利用自注入锁定态的激光器的输出频率由外腔的谐振频率决定的特性，通过在激光器外腔上施加预失真信号产生线性调频信号；这种方法可以产生成本较低且线性度较高的信号。

Description

一种高线性连续调频光信号的方法

技术领域

本发明属于激光雷达领域，特别涉及一种基于光锁相技术的对激光雷达进行高线性连续调频光信号的方法。

背景技术

随着自动驾驶的快速发展，作为其关键部分的车载雷达得到了越发广泛的关注，其中激光雷达以其高精度，探测距离长等优势成为主流的车载雷达。

现有的激光雷达主要由两种方式，一种为飞行时间(Time of Flight，TOF)雷达，此种TOF雷达应用较为广泛，主要根据测量光脉冲从发出到接收的时间差来判断目标的距离。另外一种方式为线性调频雷达，主要方法为产生频率随时间线性变化的连续或脉冲光信号，通过检测发出信号和接收信号之间频率差来确定目标距离。一般来说，线性调频雷达相较于TOF雷达具有更高的精度，但其对线性度的要求较高，如果光源的线性度较差则会直接恶化测量结果。因此，为了获得精度较高的雷达，产生具有高线性度的线性调频光源就变得非常重要。

现有的产生线性调频光源的方式主要有如下两类：(1)调节半导体激光器的注入电流；(2)采用外部光调制器。第一类方法的局限性在于，由于激光器的输出频率与注入电流相关，因此改变注入电流可以改变输出光的频率，这种方法不仅线性度较差，而且输出光功率也会随注入电流的改变而改变；第二类方法能够产生较高的线性度，但外部调制器成本高昂，由于在实际应用场景受限，因此影响这种方法的广泛推广。

为了平衡现有技术中存在的各种问题，需要一种相对成本较低，同时也可以产生线性度较高信号的线性调频光源的方法，从而使线性调频雷达得到广泛的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光锁相技术的对激光雷达进行高线性连续调频光信号的方法，这种方法利用自注入锁定态的激光器的输出频率由外腔的谐振频率决定的特性，通过在激光器外腔上施加预失真信号产生线性调频信号；这种方法可以产生成本较低且线性度较高的信号。

本发明的一个方面提供一种连续调频光信号的方法，包括如下步骤：设置直流光源109，调频连续波光源108和光锁相环路112；由三角波发生器103产生幅度随时间线性变化的三角波信号施加在调频连续波光源108的频率控制端上；经过频率控制的调频连续波光源108输出线性调频光信号；所述线性调频光信号通过第一光耦合器110均分为两束，所述线性调频光信号中的一束作为输出线性调频光信号进行输出，另外一束和所述直流光源109输出的单频光信号进一步经过第二光耦合器111合波，并将所述合波后的光信号输入所述光锁相环路112中；电线性调谐发生器102产生的电线性调频信号作为参考信号也进入所述光锁相环路112作为线性调频中频信号；将所述合波后的光信号和所述参考信号在所述光锁相环路112内比较后，产生的相位与频率的误差信号进入低通环路滤波器104进行滤波处理；将所述误差信号与由时钟信号101控制下的三角波发生器103产生的三角波信号叠加，共同作用在调频连续波激光器108的频率控制端上；经过频率控制的调频连续波光源108再次输出线性调频连续波激光信号。

本发明另一个方面的连续调频光信号的方法，其中所述光锁相环路112，包括光电探测器107，分频器106，鉴频鉴相器105；所述将所述合波后的光信号输入所述光锁相环路112的步骤为，所述合波后的光信号经过光电探测器107转换，两束光信号被转换为一个线性调频微波信号，其频率为上述两束光的频率差；产生的所述线性调频微波信号为高频信号，所述高频线性调频微波信号通过分频器106，将高频微波信号分为N份，变为中频微波信号；所述中频线性调频微波信号进入鉴频鉴相器105；并且所述电线性调谐发生器102产生的电线性调频信号作为参考信号也进入所述光锁相环路112的步骤为，所述参考信号也进入所述鉴频鉴相器105。

本发明再一个方面的连续调频光信号的方法，其中在鉴频鉴相器105内，将所述中频线性微波信号和所述电线性调谐发生器102产生的线性调频参考信号进行比较。

本发明又一个方面的连续调频光信号的方法，其中当叠加后的误差信号和三角波信号反馈到所述调频连续波激光器108的频率控制端时，由叠加后的误差信号和三角波信号对所述调频连续波激光器108进行频率控制；所述控制步骤中的控制信号为闭环后加入误差信号的频率控制信号。

本发明再一个方面的连续调频光信号的方法，其中调频连续波激光器108本身频率的非线性得到了实时补偿，提升了线性度。

本发明另一个方面的连续调频光信号的方法，其中产生的信号为具有双啁啾的线性调频信号，前半周期为正啁啾，后半周期为负啁啾，信号重复频率为1kHz。线性调频信号的线性度可以由线性回归系数r表示：

其中v(t),v_d(t)和分别表示的是激光器的瞬时频率,理想线性频率和线性调频信号频率平均值。数值1-r²，即可表明线性度。

本发明的连续调频光信号方法在器件内能够即时提供线性度高的调频信号，激光器输出的本身频率的非线性得到了误差信号的实时补偿，其线性度就有了更进一步的提升。采用本发明的方法改变了激光器的输出频率与注入电流之间的直接相关，因此注入电流的改变不会改变输出光的频率的线性度；此外，采用本发明的方法无须采用外部光调制器，因此避免增加外部调制器的高昂成本，有助于本发明的连续调频光信号方法在产业界进行广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创新性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的连续调频光信号的方法示意图。

图2(a)为本发明的连续调频光信号的方法中的将合波输入光电探测器步骤中的信号图示例。

图2(b)为本发明的连续调频光信号的方法中电线性调谐发生器产生的电调频信号步骤中输入鉴频鉴相器的参考信号图示例。

图2(c)为本发明的连续调频光信号的方法中的对误差信号进行滤波处理步骤后的信号图示例。

图2(d)为本发明的连续调频光信号的方法中产生三角波步骤的信号图示例。

图2(e)为本发明的连续调频光信号的方法中频率控制步骤中的控制信号的信号图示例。

图2(f)为本发明的连续调频光信号的方法中线性调频光信号输出步骤中输出信号的信号图示例。

图3为利用本发明的连续调频光信号方法产生的线性调频信号频率随时间的变化图。

图4(a)(b)为利用本发明的连续调频光信号方法的示例产生的线性调频信号频率误差随时间的变化关系图。

图5(a)(b)为利用本发明的连续调频光信号方法的另一个示例产生的线性调频信号频率误差随时间的变化关系图。

具体实施方式

现结合相应的附图，对本发明的具体实施例进行描述。然而，本发明可以以多种不同的形式实施，而不应被解释为局限于此处展示的实施例。提供这些实施例只是为了本发明可以详尽和全面，从而可以将本发明的范围完全地描述给本领域的技术人员。附图中说明的实施例的详细描述中使用的措辞不应对本发明造成限制。

图1为本发明的连续调频光信号的方法示意图。本发明的连续调频光信号的方法设置直流光源109，调频连续波光源108和光锁相环路112；其中所述调频连续波光源108为连续调频激光器，这里所述的连续调频激光器可以是DFB激光器与外腔耦合的自注入锁定激光器等型号的激光器。其中所述光锁相环路112，包括光电探测器107，分频器106，鉴频鉴相器105，通过参考信号控制所述光锁相环路。

在步骤205，由三角波发生器103产生幅度随时间线性变化的三角波信号，施加在调频连续波光源108的频率控制端上。在步骤206，经过频率控制的调频连续波光源108输出线性调频光信号。由于上述线性调频光信号与施加频率控制端上的所述三角波信号并不呈线性对应关系，因此此时所述调频连续波光源108产生的线性调频光信号具有相对较差的线性度。

在步骤206，所述调频连续波光源108产生的线性调频光信号通过第一光耦合器110均分为两束，所述线性调频光信号中的一束作为输出线性调频光信号进行输出，另外一束和直流光源109输出的单频光信号进一步经过第二光耦合器111合波，在步骤201，将合波后的光信号输入光电探测器107中。所述第一光耦合器110和第二光耦合器111为同一种光耦合器。图2(a)为本发明的连续调频光信号的方法中的将合波输入光电探测器107步骤中的信号图示例。输出的线性调频光信号和参考直流光源，两者之间有频率差。

所述线性调频光信号中的另一束与直流光源109输出的单频光信号合波后，经过光电探测器107转换，两束光信号被转换为一个线性调频微波信号，其频率为上述两束光的频率差，所述光电探测器可采用菲尼萨XPDV2120R型号的光电探测器。产生的所述线性调频微波信号为高频信号，所述高频线性调频微波信号通过分频器106，将高频微波信号分为N份，变为中频微波信号；所述中频线性调频微波信号进入鉴频鉴相器105；同时，在步骤202，由电频综信号发生器102产生的电线性调频信号作为参考信号也进入鉴频鉴相器105。图2(b)为本发明的连续调频光信号的方法中由电线性调谐发生器产生的电调频信号步骤中输入鉴频鉴相器的参考信号图示例，所述参考信号为线性调频中频信号。

在鉴频鉴相器105内，将所述中频线性微波信号和所述电线性调谐发生器102产生的线性调频参考信号进行比较。这里，由于输入鉴频鉴相器105的信号为中频线性调频微波信号，因此参考信号也是一个线性调频微波信号，且其线性度极高。该线性调频参考信号由电线性调频发生器102产生。所述中频线性调频微波信号106是分频器分频后产生的，与电线性调频发生器102产生的线性调频参考信号是分别产生，二者分别独立地输入鉴频鉴相器105，然后将两个信号进行比较，产生误差信号；即将所述中频线性微波信号和所述电线性调谐发生器102产生的线性调频参考信号这两个信号在鉴频鉴相器105内比较后，产生的相位与频率的误差信号会首先进入低通环路滤波器104进行滤波处理，之后在步骤203，将通过所述低通环路滤波器104进行滤波后的误差信号，与在步骤204由时钟信号101控制下的三角波发生器103产生的三角波信号叠加，共同作用在调频连续波激光器108的频率控制端上；其中图2(c)为本发明的连续调频光信号的方法中的对误差信号进行滤波处理步骤后的信号图示例，为鉴频误差信号；图2(d)为本发明的连续调频光信号的方法中产生三角波步骤的信号图示例，为调频连续波激光器108的频率控制信号。这里所述的三角波发生器103可采用优利德公司(UNI-T)UTG2062B型号的三角波发生器；低通环路滤波器104可采用现有的环路滤波器。

当叠加后的误差信号和三角波信号反馈到所述调频连续波激光器108的频率控制端时，由叠加后的误差信号和三角波信号对所述调频连续波激光器108进行频率控制，如图2(e)的本发明的连续调频光信号的方法中的频率控制步骤中控制信号的信号图示例，施加在调频连续波光源108的频率控制端上，所述控制信号为闭环后加入误差信号的频率控制信号。经过频率控制的调频连续波光源108输出线性调频光信号，如图2(f)的本发明的连续调频光信号的方法中线性调频光信号输出步骤中输出信号的信号图示例，输出线性调频连续波激光。也就是说，完成一次循环后，作用于调频连续波激光器108的信号为初始三角波信号与误差信号的叠加，因此，调频连续波激光器108本身频率的非线性得到了实时补偿，其线性度就有了更进一步的提升。另外，为了保证初始三角波信号和线性调频参考信号是实时同步的，将时钟源101作为三角波发生器103和电线性调谐发生器102的共同时钟信号。

图3为利用本发明的连续调频光信号方法产生的线性调频信号频率随时间的变化图。其中，随着时间的变化，对误差信号补偿后的调频连续波激光器产生的线性调频信号的频率进行了测试，测试结果显示，产生的信号频率随时间的变化关系呈现三角波状，如图3所示。

图4(a)(b)为利用本发明的连续调频光信号方法的示例产生的线性调频信号频率误差随时间的变化关系图。产生的信号为具有双啁啾的线性调频信号，前半周期为正啁啾，后半周期为负啁啾，信号重复频率为1kHz。线性调频信号的线性度可以由线性回归系数r表示：

其中v(t),v_d(t)和分别表示的是激光器的瞬时频率,理想线性频率和线性调频信号频率平均值。数值1-r²，即可表明线性度。根据上述公式，线性调频光源的正啁啾线性度计算为3.23×10^-6，负啁啾的线性度计算为4.10×10^-6。高线性度标准一般为线性度优于1×10^-5(即1e^-5)，与之相比较可以看出，线性调频光源具有极高的线性度。

图5(a)(b)为利用本发明的连续调频光信号方法的另一个示例产生的线性调频信号频率误差随时间的变化关系图。与图4(a)(b)中的示例相比，产生线性调频信号的周期不同，图4(a)(b)周期为1ms，图5(a)(b)周期为10ms。

由于本发明的线性连续调频光信号方法的产生方式还需有灵活的可重构性，通过改变参考信号的频率就可以实现光线性调频信号重复频率的变化，在另一个实施方式中，测试了重复频率为100Hz时的频率误差，结果如图5(a)(b)所示。同样，根据公式(1)可以计算出线性调频光源的正啁啾线性度计算为8.43×10^-8，负啁啾的线性度计算为8.43×10^-8。在一般产品的线性度高线性度标准一般为线性度优于1×10^-5(即1e^-5)的情况下，图4(a)(b)和图5(a)(b)的实施方式得到的线性度得到了显著提高。

本发明的连续调频光信号方法在器件内能够即时提供线性度高的调频信号，激光器输出的本身频率的非线性得到了误差信号的实时补偿，其线性度就有了更进一步的提升。采用本发明的方法改变了激光器的输出频率与注入电流之间的直接相关，因此注入电流的改变不会改变输出光的频率的线性度；此外，采用本发明的方法无须采用外部光调制器，因此避免增加外部调制器的高昂成本，有助于本发明的连续调频光信号方法在产业界进行广泛应用。

本文中所称的“一个实施例”、“实施例”或者“一个或者多个实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。此外，请注意，这里“在一个实施例中”的词语例子不一定全指同一个实施例。

以上所述仅用于说明本发明的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围应视权利要求范围为准。本发明已结合例子在上面进行了阐述。然而，在本发明公开范围以内的上述实施例以外的其它实施例也同样可行。本发明的不同的特点和步骤可以以不同于所描述的其它方法进行组合。本发明的范围仅受限于所附的权利要求书。更一般地，本领域普通技术人员可以轻易地理解此处描述的所有的参数，尺寸，材料和配置是为示范目的而实际的参数，尺寸，材料和/或配置将取决于特定应用或本发明教导所用于的应用。

Claims (6)

1.一种连续调频光信号的方法，包括如下步骤：

设置直流光源(109)，调频连续波光源(108)和光锁相环路(112)；

由三角波发生器(103)产生幅度随时间线性变化的三角波信号施加在调频连续波光源(108)的频率控制端上；

经过频率控制的调频连续波光源(108)输出线性调频光信号；

所述线性调频光信号通过第一光耦合器(110)均分为两束，所述线性调频光信号中的一束作为输出线性调频光信号进行输出，另外一束和所述直流光源(109)输出的单频光信号进一步经过第二光耦合器(111)合波，并将所述合波后的光信号输入所述光锁相环路(112)中；

电线性调谐发生器(102)产生的电线性调频信号作为参考信号也进入所述光锁相环路(112)作为线性调频中频信号；

将所述合波后的光信号和所述参考信号在所述光锁相环路(112)内比较后，产生的相位与频率的误差信号进入低通环路滤波器(104)进行滤波处理；

将所述误差信号与由时钟信号(101)控制下的三角波发生器(103)产生的三角波信号叠加，共同作用在调频连续波激光器(108)的频率控制端上；经过频率控制的调频连续波光源(108)再次输出线性调频连续波激光信号。

2.如权利要求1所述的连续调频光信号的方法，其中

所述光锁相环路(112)，包括光电探测器(107)，分频器(106)，鉴频鉴相器(105)；

所述将所述合波后的光信号输入所述光锁相环路(112)的步骤为，所述合波后的光信号经过光电探测器(107)转换，两束光信号被转换为一个线性调频微波信号，其频率为上述两束光的频率差；

产生的所述线性调频微波信号为高频信号，所述高频线性调频微波信号通过分频器(106)，将高频微波信号分为N份，变为中频微波信号；

所述中频线性调频微波信号进入鉴频鉴相器(105)；并且

所述电线性调谐发生器102)产生的电线性调频信号作为参考信号也进入所述光锁相环路(112)的步骤为，所述参考信号也进入所述鉴频鉴相器(105)。

3.如权利要求2所述的连续调频光信号的方法，其中在鉴频鉴相器(105)内，将所述中频线性微波信号和所述电线性调谐发生器(102)产生的线性调频参考信号进行比较。

4.如权利要求1所述的连续调频光信号的方法，其中当叠加后的误差信号和三角波信号反馈到所述调频连续波激光器(108)的频率控制端时，由叠加后的误差信号和三角波信号对所述调频连续波激光器(108)进行频率控制；所述控制步骤中的控制信号为闭环后加入误差信号的频率控制信号。

5.如权利要求4所述的连续调频光信号的方法，其中调频连续波激光器(108)本身频率的非线性得到了实时补偿，提升了线性度。

6.如权利要求1-5任何一个所述的连续调频光信号的方法，产生的信号为具有双啁啾的线性调频信号，前半周期为正啁啾，后半周期为负啁啾，信号重复频率为1kHz，线性调频信号的线性度可以由线性回归系数r表示：

其中v(t),v_d(t)和分别表示的是激光器的瞬时频率,理想线性频率和线性调频信号频率平均值，数值1-r²，即可表明线性度。