CN118011416B - 一种基于稳定相位编解码的激光雷达及相位补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于量子激光雷达技术领域，公开了一种基于稳定相位编解码的激光雷达及相位补偿方法，包括激光器、五个分束器、光传输模块、光纤放大器、发射望远镜、接收望远镜、移相器、光电探测器、第一环形器、两个平衡探测模块、差分电路以及主控模块，主控模块用于触发激光器，控制光传输模块进行编码得到编码序列，并采集差分电路输出的信号产生解码序列，以及将所述编码序列和解码序列进行相关运算，获取目标的距离信息。与现有技术相比，本发明可以大幅度降低回波信号中背景噪声，提高系统的信噪比；可以保持编解码的稳定性，不会影响正常编解码过程；另外，使用时间间隔较短的两个子脉冲之间的相对相位进行编码，可以降低大气湍流的影响。

Description

一种基于稳定相位编解码的激光雷达及相位补偿方法
技术领域
本发明涉及量子激光雷达技术领域，特别涉及一种基于稳定相位编解码的激光雷达及相位补偿方法。
背景技术
雷达在军事、民航、自动驾驶等领域具有非常重要的作用。激光雷达由于采用波长较短的激光作为信息载波，因而具有较高的分辨率，可用于对目标进行探测、跟踪和识别，以及进行测距、成像。
信噪比是激光雷达探测中非常重要的一个指标，能够直接影响系统的性能。现有技术中，采用光子计数法的激光雷达可以达到较远的测距范围，这是由于单光子探测器具有较高的灵敏度，但是其工作时需要降温至-30℃以下来降低暗计数，因此成本和复杂度较高，不利于小型化。对于日光背景噪声，只能通过滤波器进行滤波，在滤噪的同时真实信号会有一定的损失，因此在白天信噪比较低，难以正常工作。相干激光雷达具有天然的滤波作用，使用本振光与真实信号进行相干探测，不仅可以滤除不相干的背景噪声，还具有一定的增益。然而，在远距离时由于回波信号的退相干效应较为显著，使得相干探测变得困难，日光下背景噪声的影响增加，使得系统的信噪比较低。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种基于稳定相位编解码的激光雷达及相位补偿方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于稳定相位编解码的激光雷达，包括激光器LD、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5、光传输模块、光纤放大器、发射望远镜、接收望远镜、移相器PS、光电探测器PD、第一环形器CIR1、第一平衡探测模块HD1、第二平衡探测模块HD2、差分电路以及主控模块，
所述激光器LD用于产生窄脉宽的激光脉冲信号；
所述第一分束器BS1和第二分束器BS2构成第一不等臂干涉仪，用于对激光脉冲信号进行分束，产生从第二分束器BS2的两个输出端口分别出射的相位差为0的第一双脉冲信号和相位差为π的第二双脉冲信号；
所述光传输模块的第一端口至第五端口分别对应连接第二分束器BS2的两个输出端口、第三分束器BS3的两个输入端口、第一环形器CIR1的第一端口；
所述光传输模块用于随机地使第一双脉冲信号或第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，输出相位差随机为0或π的编码双脉冲信号；以及若第二双脉冲信号进入第三分束器BS3时，将第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1；
所述光纤放大器用于将编码双脉冲信号放大至预定功率；
所述发射望远镜用于将经放大后的编码双脉冲信号扩束并向目标照射；
所述接收望远镜用于接收从目标反射的回波信号；
所述第四分束器BS4和第五分束器BS5构成第二不等臂干涉仪，用于使回波信号中的编码双脉冲信号进行干涉，产生第一干涉信号和第二干涉信号；以及用于使经第一环形器CIR1进入的第一双脉冲光信号进行干涉，产生第三干涉信号和第四干涉信号；
所述光电探测器PD用于探测第三干涉信号，产生用于相位补偿的反馈信号；
所述移相器PS用于根据反馈信号调节第二不等臂干涉仪两臂光程差，使反馈信号维持在最小值；
所述第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2分别用于对应地探测第一干涉信号和第二干涉信号的幅度；
所述差分电路用于将第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2的输出电信号进行差分，以消除背景噪声信号；
所述主控模块用于触发激光器LD，控制光传输模块进行编码得到编码序列，并采集差分电路输出的信号产生解码序列，以及将所述编码序列和解码序列进行相关运算，获取目标的距离信息。
优选地，所述光传输模块包括第一光开关OS1和第二光开关OS2；
所述第一光开关OS1为1X1光开关；所述第二光开关OS1为1X2光开关；
所述第一光开关OS1的输入端口和两个输出端口分别作为光传输模块的第一端口和第四端口、第五端口；所述第二光开关OS2的输入端口和输出端口分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
优选地，所述光传输模块包括第一强度调制器IM1和第二强度调制器IM2；
所述第一强度调制器IM1包含一个输入端口和两个输出端口，分别作为光传输模块的第一端口和第四端口、第五端口；所述第二强度调制器IM2包含一个输入端口和一个输出端口，分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
优选地，所述光传输模块包括第三强度调制器IM3和第二环形器CIR2；
所述第三强度调制器IM3包括两个输入端口和两个输出端口；
所述第三强度调制器IM3的两个输入端口和一个输出端口分别作为光传输模块的第一端口、第四端口和第五端口；
所述第三强度调制器IM3的另一个输出端口与第二环形器CIR2的第二端口相连；
所述第二环形器CIR2的第一端口和第三端口分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
优选地，所述第三强度调制器IM3的一个输入端口与第二分束器BS2的一个输出端口连接的光路上还设置有光隔离器，
所述光隔离器的通光方向为从第二分束器BS2的一个输出端口到第三强度调制器IM3的一个输入端口。
优选地，所述第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2为单光子级平衡探测器。
优选地，所述激光脉冲信号的时域宽度不大于100ps，所述子脉冲信号之间的时间间隔不大于500ps。
本发明还提供了一种相位补偿方法，包括以下步骤：
S1：激光器LD发出激光脉冲信号，经过第一不等臂干涉仪产生从其两个输出端口出射的相位差为0的第一双脉冲信号和相位差为π的第二双脉冲信号；并通过光传输模块随机地使第一双脉冲信号或第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，输出相位差随机为0或π的编码双脉冲信号，形成发射序列；
S2：光传输模块使第二双脉冲信号进入第三分束器BS3时，第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1，并反向进入第二不等臂干涉仪进行干涉，其中一路干涉结果通过光电探测器PD进行探测，产生用于相位补偿的反馈信号；
S3：根据反馈信号采用反馈控制算法调节第二不等臂干涉仪长臂上的移相器PS电压，使反馈信号稳定在最小值。
优选地，所述反馈控制算法为PID控制算法。
优选地，所述反馈控制算法为梯度下降算法。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提出一种基于稳定相位编解码的激光雷达及相位补偿方法，通过对激光脉冲信号进行随机相位编解码，采用高灵敏度的平衡探测器探测解码后的回波信号并进行差分，可以大幅度降低回波信号中背景噪声，提高系统的信噪比。并且，通过将编码过程中未使用的光信号先后经过编解码干涉仪，进行干涉产生的干涉结果作为反馈信号进行相位补偿，可以保持编解码的稳定性，不会影响正常编解码过程。另外，使用时间间隔较短的两个子脉冲之间的相对相位进行编码，可以降低大气湍流的影响。
附图说明
图1为本发明基于稳定相位编解码的激光雷达的原理框图；
图2为本发明基于稳定相位编解码的激光雷达实施例一的原理框图；
图3为本发明基于稳定相位编解码的激光雷达实施例二的原理框图；
图4为本发明基于稳定相位编解码的激光雷达实施例三的原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于稳定相位编解码的激光雷达，包括激光器LD、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5、光传输模块、光纤放大器、发射望远镜、接收望远镜、移相器PS、光电探测器PD、第一环形器CIR1、第一平衡探测模块HD1、第二平衡探测模块HD2、差分电路以及主控模块，
所述激光器LD用于产生窄脉宽的激光脉冲信号；
所述第一分束器BS1和第二分束器BS2构成第一不等臂干涉仪，用于对激光脉冲信号进行分束，产生从第二分束器BS2的两个输出端口分别出射的相位差为0的第一双脉冲信号和相位差为π的第二双脉冲信号；
所述光传输模块的第一端口至第五端口分别对应连接第二分束器BS2的两个输出端口、第三分束器BS3的两个输入端口、第一环形器CIR1的第一端口；
所述光传输模块用于随机地使第一双脉冲信号或第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，输出相位差随机为0或π的编码双脉冲信号；以及若第二双脉冲信号进入第三分束器BS3时，将第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1；
所述光纤放大器用于将编码双脉冲信号放大至预定功率；
所述发射望远镜用于将经放大后的编码双脉冲信号扩束并向目标照射；
所述接收望远镜用于接收从目标反射的回波信号；
所述第四分束器BS4和第五分束器BS5构成第二不等臂干涉仪，用于使回波信号中的编码双脉冲信号进行干涉，产生第一干涉信号和第二干涉信号；以及用于使经第一环形器CIR1进入的第一双脉冲光信号进行干涉，产生第三干涉信号和第四干涉信号；
所述光电探测器PD用于探测第三干涉信号，产生用于相位补偿的反馈信号；
所述移相器PS用于根据反馈信号调节第二不等臂干涉仪两臂光程差，使反馈信号维持在最小值；
所述第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2分别用于对应地探测第一干涉信号和第二干涉信号的幅度；
所述差分电路用于将第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2的输出电信号进行差分，以消除背景噪声信号；
所述主控模块用于触发激光器LD，控制光传输模块进行编码得到编码序列，并采集差分电路输出的信号产生解码序列，以及将所述编码序列和解码序列进行相关运算，获取目标的距离信息。
具体工作过程如下：
主控模块触发激光器LD产生时域宽度较窄的激光脉冲信号，进入由第一分束器BS1和第二分束器BS2构成的第一不等臂干涉仪，产生相位差分别为0和π的第一双脉冲信号和第二双脉冲信号，分别从第二分束器BS2的两个输出端口出射。
光传输模块随机地使第一双脉冲信号或第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，输出相位差随机为0或π的编码双脉冲信号，得到发射序列。当光传输模块使第二双脉冲信号进入第三分束器BS3时，第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1，反向进入由第四分束器BS4和第五分束器BS5构成的第二不等臂干涉仪进行干涉，产生两路干涉结果。其中一路干涉结果进入接收望远镜，由于功率较低，不会反射进入发射望远镜对编码造成影响。另一路干涉结果进入光电探测器PD进行探测。
将光电探测器PD的探测结果作为相位补偿算法的反馈信号，通过调节移相器PS的电压来调节第二不等臂干涉仪长短臂的光程差，使第一双脉冲信号在第二不等臂干涉仪中进行干涉时产生的相消干干涉结果进入光电探测器PD，从而将反馈信号调节至最小，并采用PID反馈控制算法或梯度下降算法等将反馈信号稳定在最小值。此时，第一不等臂干涉仪与第二不等臂干涉仪之间的相对相位漂移即得到了补偿，从而可以保证稳定的相位编解码。
编码双脉冲信号经光纤放大器放大至预定功率，通过发射望远镜扩束并向目标照射。编码双脉冲信号被目标反射后进入接收望远镜，成为回波信号，随后进入第二不等臂干涉仪进行解码。假设编码双脉冲信号从第三分束器BS3出射时，二者之间的相位差为，由于二者之间的时间间隔不大于500ps，对应在空间中传输的距离差不大于15cm，湍流对两个子脉冲的相位影响相同，因此经历大气传输和反射后到达第二不等臂干涉仪时相位差不变。回波信号中的双脉冲信号在第二不等臂干涉仪中进行干涉，从其两个输出端口出射的干涉结果可分别写为
，
其中，A为进入第二不等臂干涉仪的子脉冲幅度。回波信号中伴随双脉冲信号的背景噪声信号相位随机，不发生干涉，因此第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的噪声幅度相同，即。
当双脉冲之间的相位差为0时，从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的光信号分别为和/>；当二者之间的相位差为π时，从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的光信号分别为/>和/>。
使用第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2分别探测从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射光信号的幅度，并通过差分电路将两个探测结果相减，可得当双脉冲信号的相位差为0时，差分结果为A；当相位差为π时，差分结果为-A。可以看出，差分结果中已经消除了背景噪声，只包含真实的反射信号。将差分结果序列中的A和-A分别替换为0和1，可以得到接收序列。
将发射序列逐位移动与接收序列进行互相关运算，得到每次移动时的互相关值。当互相关值达到峰值时表明收发序列一一对应，通过所移动的位数即可得到相应的目标距离，实现测距功能。
如图2所示，本发明实施例一：
所述光传输模块包括第一光开关OS1和第二光开关OS2；
所述第一光开关OS1为1X1光开关；所述第二光开关OS1为1X2光开关；
所述第一光开关OS1的输入端口和两个输出端口分别作为光传输模块的第一端口和第四端口、第五端口；所述第二光开关OS2的输入端口和输出端口分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
实施例一具体工作过程如下：
主控模块触发激光器LD产生时域宽度较窄的激光脉冲信号，进入由第一分束器BS1和第二分束器BS2构成的第一不等臂干涉仪，产生相位差分别为0和π的第一双脉冲信号和第二双脉冲信号，分别从第二分束器BS2的两个输出端口出射。
第一光开关OS1和第二光开关OS2的控制方式包括两种情况。第一种是控制第一光开关OS1使第一双脉冲信号进入第三分束器BS3，同时控制第二光开关OS2使第二双脉冲信号无法进入第三分束器BS3，此时从第三分束器BS3的输出端口出射相位差为0的编码双脉冲信号；第二种是控制第一光开关OS1使第一双脉冲信号进入第一环形器CIR1，无法进入第三分束器BS3，同时控制第二光开关OS2使第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，此时从第三分束器BS3的输出端口出射相位差为π的编码双脉冲信号。通过主控模块控制上述两种情况随机出现，可以得到相位差随机为0或π的编码双脉冲信号，即发射序列。
对于第二种情况，第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1，反向进入由第四分束器BS4和第五分束器BS5构成的第二不等臂干涉仪进行干涉，产生两路干涉结果。其中一路干涉结果进入接收望远镜，由于功率较低，不会反射进入发射望远镜对编码造成影响。另一路干涉结果进入光电探测器PD进行探测。
将光电探测器PD的探测结果作为相位补偿算法的反馈信号，通过调节移相器PS的电压来调节第二不等臂干涉仪长短臂的光程差，使第一双脉冲信号在第二不等臂干涉仪中进行干涉时产生的相消干干涉结果进入光电探测器PD，从而将反馈信号调节至最小，并采用PID反馈控制算法或梯度下降算法等将反馈信号稳定在最小值。此时，第一不等臂干涉仪与第二不等臂干涉仪之间的相对相位漂移即得到了补偿，从而可以保证稳定的相位编解码。
编码双脉冲信号经光纤放大器放大至预定功率，通过发射望远镜扩束并向目标照射。编码双脉冲信号被目标反射后进入接收望远镜，成为回波信号，随后进入第二不等臂干涉仪进行解码。假设编码双脉冲信号从第三分束器BS3出射时，二者之间的相位差为，由于二者之间的时间间隔不大于500ps，对应在空间中传输的距离差不大于15cm，湍流对两个子脉冲的相位影响相同，因此经历大气传输和反射后到达第二不等臂干涉仪时相位差不变。回波信号中的双脉冲信号在第二不等臂干涉仪中进行干涉，从其两个输出端口出射的干涉结果可分别写为
，
其中，A为进入第二不等臂干涉仪的子脉冲幅度。回波信号中伴随双脉冲信号的背景噪声信号相位随机，不发生干涉，因此第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的噪声幅度相同，即。
当双脉冲之间的相位差为0时，从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的光信号分别为和/>；当二者之间的相位差为π时，从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的光信号分别为/>和/>。
使用第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2分别探测从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射光信号的幅度，并通过差分电路将两个探测结果相减，可得当双脉冲信号的相位差为0时，差分结果为A；当相位差为π时，差分结果为-A。可以看出，差分结果中已经消除了背景噪声，只包含真实的反射信号。将差分结果序列中的A和-A分别替换为0和1，可以得到接收序列。
将发射序列逐位移动与接收序列进行互相关运算，得到每次移动时的互相关值。当互相关值达到峰值时表明收发序列一一对应，通过所移动的位数即可得到相应的目标距离，实现测距功能。
如图3所示，本发明实施例二：
所述光传输模块包括第一强度调制器IM1和第二强度调制器IM2；
所述第一强度调制器IM1包含一个输入端口和两个输出端口，分别作为光传输模块的第一端口和第四端口、第五端口；所述第二强度调制器IM2包含一个输入端口和一个输出端口，分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
实施例二具体工作过程如下：
主控模块触发激光器LD产生时域宽度较窄的激光脉冲信号，进入由第一分束器BS1和第二分束器BS2构成的第一不等臂干涉仪，产生相位差分别为0和π的第一双脉冲信号和第二双脉冲信号，分别从第二分束器BS2的两个输出端口出射。
第一强度调制器IM1和第二强度调制器IM2的控制方式包括两种情况。第一种是控制第一强度调制器IM1使第一双脉冲信号进入第三分束器BS3，同时控制第二强度调制器IM2使第二双脉冲信号无法进入第三分束器BS3，此时从第三分束器BS3的输出端口出射相位差为0的编码双脉冲信号；第二种是控制第一强度调制器IM1使第一双脉冲信号进入第一环形器CIR1，无法进入第三分束器BS3，同时控制第二强度调制器IM2使第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，此时从第三分束器BS3的输出端口出射相位差为π的编码双脉冲信号。通过主控模块控制上述两种情况随机出现，可以得到相位差随机为0或π的编码双脉冲信号，即发射序列。
对于第二种情况，第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1，反向进入由第四分束器BS4和第五分束器BS5构成的第二不等臂干涉仪进行干涉，产生两路干涉结果。其中一路干涉结果进入接收望远镜，由于功率较低，不会反射进入发射望远镜对编码造成影响。另一路干涉结果进入光电探测器PD进行探测。
将光电探测器PD的探测结果作为相位补偿算法的反馈信号，通过调节移相器PS的电压来调节第二不等臂干涉仪长短臂的光程差，使第一双脉冲信号在第二不等臂干涉仪中进行干涉时产生的相消干干涉结果进入光电探测器PD，从而将反馈信号调节至最小，并采用PID反馈控制算法或梯度下降算法等将反馈信号稳定在最小值。此时，第一不等臂干涉仪与第二不等臂干涉仪之间的相对相位漂移即得到了补偿，从而可以保证稳定的相位编解码。
编码双脉冲信号经光纤放大器放大至预定功率，通过发射望远镜扩束并向目标照射。编码双脉冲信号被目标反射后进入接收望远镜，成为回波信号，随后进入第二不等臂干涉仪进行解码。假设编码双脉冲信号从第三分束器BS3出射时，二者之间的相位差为，由于二者之间的时间间隔不大于500ps，对应在空间中传输的距离差不大于15cm，湍流对两个子脉冲的相位影响相同，因此经历大气传输和反射后到达第二不等臂干涉仪时相位差不变。回波信号中的双脉冲信号在第二不等臂干涉仪中进行干涉，从其两个输出端口出射的干涉结果可分别写为
，
其中，A为进入第二不等臂干涉仪的子脉冲幅度。回波信号中伴随双脉冲信号的背景噪声信号相位随机，不发生干涉，因此第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的噪声幅度相同，即。
当双脉冲之间的相位差为0时，从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的光信号分别为和/>；当二者之间的相位差为π时，从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的光信号分别为/>和/>。
使用第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2分别探测从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射光信号的幅度，并通过差分电路将两个探测结果相减，可得当双脉冲信号的相位差为0时，差分结果为A；当相位差为π时，差分结果为-A。可以看出，差分结果中已经消除了背景噪声，只包含真实的反射信号。将差分结果序列中的A和-A分别替换为0和1，可以得到接收序列。
将发射序列逐位移动与接收序列进行互相关运算，得到每次移动时的互相关值。当互相关值达到峰值时表明收发序列一一对应，通过所移动的位数即可得到相应的目标距离，实现测距功能。
如图4所示，本发明实施例三：
所述光传输模块包括第三强度调制器IM3和第二环形器CIR2；
所述第三强度调制器IM3包括两个输入端口和两个输出端口；
所述第三强度调制器IM3的两个输入端口和一个输出端口分别作为光传输模块的第一端口、第四端口和第五端口；
所述第三强度调制器IM3的另一个输出端口与第二环形器CIR2的第二端口相连；
所述第二环形器CIR2的第一端口和第三端口分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
实施例三具体工作过程如下：
主控模块触发激光器LD产生时域宽度较窄的激光脉冲信号，进入由第一分束器BS1和第二分束器BS2构成的第一不等臂干涉仪，产生相位差分别为0和π的第一双脉冲信号和第二双脉冲信号，分别从第二分束器BS2的两个输出端口出射。
第三强度调制器IM3的控制方式包括两种情况。第一种是控制三强度调制器IM3使第一双脉冲信号经第二环形器CIR2进入第三分束器BS3，此时第二双脉冲信号进入第二分束器BS2的输出端口，可以增加一个光隔离器将该信号隔离掉，从第三分束器BS3的输出端口出射相位差为0的编码双脉冲信号；第二种是控制第三强度调制器IM3使第一双脉冲信号进入第一环形器CIR1，无法进入第三分束器BS3，此时第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，从第三分束器BS3的输出端口出射相位差为π的编码双脉冲信号。通过主控模块控制上述两种情况随机出现，可以得到相位差随机为0或π的编码双脉冲信号，即发射序列。
对于第二种情况，第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1，反向进入由第四分束器BS4和第五分束器BS5构成的第二不等臂干涉仪进行干涉，产生两路干涉结果。其中一路干涉结果进入接收望远镜，由于功率较低，不会反射进入发射望远镜对编码造成影响。另一路干涉结果进入光电探测器PD进行探测。
将光电探测器PD的探测结果作为相位补偿算法的反馈信号，通过调节移相器PS的电压来调节第二不等臂干涉仪长短臂的光程差，使第一双脉冲信号在第二不等臂干涉仪中进行干涉时产生的相消干干涉结果进入光电探测器PD，从而将反馈信号调节至最小，并采用PID反馈控制算法或梯度下降算法等将反馈信号稳定在最小值。此时，第一不等臂干涉仪与第二不等臂干涉仪之间的相对相位漂移即得到了补偿，从而可以保证稳定的相位编解码。
编码双脉冲信号经光纤放大器放大至预定功率，通过发射望远镜扩束并向目标照射。编码双脉冲信号被目标反射后进入接收望远镜，成为回波信号，随后进入第二不等臂干涉仪进行解码。假设编码双脉冲信号从第三分束器BS3出射时，二者之间的相位差为，由于二者之间的时间间隔不大于500ps，对应在空间中传输的距离差不大于15cm，湍流对两个子脉冲的相位影响相同，因此经历大气传输和反射后到达第二不等臂干涉仪时相位差不变。回波信号中的双脉冲信号在第二不等臂干涉仪中进行干涉，从其两个输出端口出射的干涉结果可分别写为
，
其中，A为进入第二不等臂干涉仪的子脉冲幅度。回波信号中伴随双脉冲信号的背景噪声信号相位随机，不发生干涉，因此第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的噪声幅度相同，即。
当双脉冲之间的相位差为0时，从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的光信号分别为和/>；当二者之间的相位差为π时，从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射的光信号分别为/>和/>。
使用第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2分别探测从第二不等臂干涉仪的两个输出端口出射光信号的幅度，并通过差分电路将两个探测结果相减，可得当双脉冲信号的相位差为0时，差分结果为A；当相位差为π时，差分结果为-A。可以看出，差分结果中已经消除了背景噪声，只包含真实的反射信号。将差分结果序列中的A和-A分别替换为0和1，可以得到接收序列。
将发射序列逐位移动与接收序列进行互相关运算，得到每次移动时的互相关值。当互相关值达到峰值时表明收发序列一一对应，通过所移动的位数即可得到相应的目标距离，实现测距功能。
综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种基于稳定相位编解码的激光雷达及相位补偿方法，通过对激光脉冲信号进行随机相位编解码，采用高灵敏度的平衡探测器探测解码后的回波信号并进行差分，可以大幅度降低回波信号中背景噪声，提高系统的信噪比。并且，通过将编码过程中未使用的光信号先后经过编解码干涉仪，进行干涉产生的干涉结果作为反馈信号进行相位补偿，可以保持编解码的稳定性，不会影响正常编解码过程。另外，使用时间间隔较短的两个子脉冲之间的相对相位进行编码，可以降低大气湍流的影响。

Claims (9)

1.一种基于稳定相位编解码的激光雷达，其特征在于，包括激光器LD、第一分束器BS1、第二分束器BS2、第三分束器BS3、第四分束器BS4、第五分束器BS5、光传输模块、光纤放大器、发射望远镜、接收望远镜、移相器PS、光电探测器PD、第一环形器CIR1、第一平衡探测模块HD1、第二平衡探测模块HD2、差分电路以及主控模块，
所述激光器LD用于产生窄脉宽的激光脉冲信号；
所述第一分束器BS1和第二分束器BS2构成第一不等臂干涉仪，用于对激光脉冲信号进行分束，产生从第二分束器BS2的两个输出端口分别出射的相位差为0的第一双脉冲信号和相位差为π的第二双脉冲信号；
所述光传输模块的第一端口至第五端口分别对应连接第二分束器BS2的两个输出端口、第三分束器BS3的两个输入端口、第一环形器CIR1的第一端口；
所述光传输模块用于随机地使第一双脉冲信号或第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，输出相位差随机为0或π的编码双脉冲信号；以及若第二双脉冲信号进入第三分束器BS3时，将第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1；
所述光纤放大器用于将编码双脉冲信号放大至预定功率；
所述发射望远镜用于将经放大后的编码双脉冲信号扩束并向目标照射；
所述接收望远镜用于接收从目标反射的回波信号；
所述第四分束器BS4和第五分束器BS5构成第二不等臂干涉仪，用于使回波信号中的编码双脉冲信号进行干涉，产生第一干涉信号和第二干涉信号；以及用于使经第一环形器CIR1进入的第一双脉冲光信号进行干涉，产生第三干涉信号和第四干涉信号；
所述光电探测器PD用于探测第三干涉信号，产生用于相位补偿的反馈信号；
所述移相器PS用于根据反馈信号调节第二不等臂干涉仪两臂光程差，使反馈信号维持在最小值；
所述第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2分别用于对应地探测第一干涉信号和第二干涉信号的幅度；
所述差分电路用于将第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2的输出电信号进行差分，以消除背景噪声信号；
所述主控模块用于触发激光器LD，控制光传输模块进行编码得到编码序列，并采集差分电路输出的信号产生解码序列，以及将所述编码序列和解码序列进行相关运算，获取目标的距离信息。
2.根据权利要求1所述的基于稳定相位编解码的激光雷达，其特征在于，所述光传输模块包括第一光开关OS1和第二光开关OS2；
所述第一光开关OS1为1X1光开关；所述第二光开关OS1为1X2光开关；
所述第一光开关OS1的输入端口和两个输出端口分别作为光传输模块的第一端口和第四端口、第五端口；所述第二光开关OS2的输入端口和输出端口分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
3.根据权利要求1所述的基于稳定相位编解码的激光雷达，其特征在于，所述光传输模块包括第一强度调制器IM1和第二强度调制器IM2；
所述第一强度调制器IM1包含一个输入端口和两个输出端口，分别作为光传输模块的第一端口和第四端口、第五端口；所述第二强度调制器IM2包含一个输入端口和一个输出端口，分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
4.根据权利要求1所述的基于稳定相位编解码的激光雷达，其特征在于，所述光传输模块包括第三强度调制器IM3和第二环形器CIR2；
所述第三强度调制器IM3包括两个输入端口和两个输出端口；
所述第三强度调制器IM3的两个输入端口和一个输出端口分别作为光传输模块的第一端口、第四端口和第五端口；
所述第三强度调制器IM3的另一个输出端口与第二环形器CIR2的第二端口相连；
所述第二环形器CIR2的第一端口和第三端口分别作为光传输模块的第二端口和第三端口。
5.根据权利要求4所述的基于稳定相位编解码的激光雷达，其特征在于，所述第三强度调制器IM3的一个输入端口与第二分束器BS2的一个输出端口连接的光路上还设置有光隔离器，
所述光隔离器的通光方向为从第二分束器BS2的一个输出端口到第三强度调制器IM3的一个输入端口。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于稳定相位编解码的激光雷达，其特征在于，所述第一平衡探测模块HD1和第二平衡探测模块HD2为单光子级平衡探测器。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述激光雷达的相位补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：激光器LD发出激光脉冲信号，经过第一不等臂干涉仪产生从其两个输出端口出射的相位差为0的第一双脉冲信号和相位差为π的第二双脉冲信号；并通过光传输模块随机地使第一双脉冲信号或第二双脉冲信号进入第三分束器BS3，输出相位差随机为0或π的编码双脉冲信号，形成发射序列；
S2：光传输模块使第二双脉冲信号进入第三分束器BS3时，第一双脉冲信号传输至第一环形器CIR1，并反向进入第二不等臂干涉仪进行干涉，其中一路干涉结果通过光电探测器PD进行探测，产生用于相位补偿的反馈信号；
S3：根据反馈信号采用反馈控制算法调节第二不等臂干涉仪长臂上的移相器PS电压，使反馈信号稳定在最小值。
8.根据权利要求7所述的相位补偿方法，其特征在于，所述反馈控制算法为PID控制算法。
9.根据权利要求7所述的相位补偿方法，其特征在于，所述反馈控制算法为梯度下降算法。
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