CN203965622U - 一种基于强度编码的合成孔径激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于强度编码的合成孔径激光雷达系统，它应用于合成孔径激光雷达成像。本专利的系统由码元信号产生单元、90:10光纤耦合器、收发镜头、50:50光纤耦合器、2个平衡探测器、数据采集模块和信号处理程序模块构成。本专利的强度编码合成孔径激光雷达系统是基于多阶强度编码调制激光脉冲信号，采用外差相干探测以及平衡探测技术得到回波信号，距离向与方位向压缩处理后得到目标的二维图像。系统优点是信号调制速度极快，在满足机载平台飞行速度的前提下，调制带宽可达5GHz以上，系统采用保偏光纤结构，幅度稳定性高，易于调整光路，探测灵敏度高，距离分辨率达到厘米量级。

Description

一种基于强度编码的合成孔径激光雷达系统

技术领域

本专利涉及合成孔径激光雷达领域，特别地，涉及一种基于强度编码调制信号的合成孔径激光雷达系统。 

背景技术

当前激光雷达系统按回波的探测方式可分为直接探测激光雷达与相干探测激光雷达。直接探测结构简单，应用最为广泛，这种系统是通过测量发射和接收光信号的时间延迟(Δt)来计算距离c是光速，但是要得到高分辨率必须使用超短脉冲、高速采样，以及灵敏度非常高的雪崩光电二极管作为探测器，对器件要求比较高，受噪声影响较大。相干探测利用连续的本振光信号与回波在探测器上混频，探测灵敏度高，且可得出回波频率与相位变化，探测距离相较直接探测明显增加，在大型相干激光雷达以及激光多普勒雷达中得到应用。 

由激光雷达理论可知，功率受限时，所探测的距离越远，要求脉冲时宽越大；而要实现的距离分辨率越高，则需要的带宽越大，简单脉冲的时宽带宽乘积接近于l，时宽与带宽相互制约，不能同时增大。故对这种恒定波长的简单激光脉冲，最大作用距离与距离分辨率不可能同时兼顾。最好的解决办法就是，采用具有大时宽带宽积的复杂信号形式作为发射信号。 

信号理论早就指出，大时宽与带宽积的发射信号，必须使用复杂的调制波形。常用的有三种形式：线性调频、非线性调频和相位编码调制。由于线性调 频信号(LFM信号，即啁啾信号)易于产生、便于处理、对多普勒频移不敏感等特性，早期的实验室演示系统均采用该调制方式。但宽带调频速率低而致重复频率不高，宽带调频线性度差，对于距离分辨率要求较高的机载平台等高速运动平台无法使用该方式，限制了合成孔径激光雷达的应用；非线性调频激光的信号源处理较为复杂，很少有研究；随机码相位调制激光雷达可以实现快速的信号调制，但是调制机构复杂，对相位的调制需要精确控制，工程实现上受到诸多限制。 

基于以上，目前限制机载合成孔径激光雷达工程化的最大障碍在于，无法在极短时间内(亚毫秒)调制得到大时宽带宽积雷达信号。 

发明内容 

本专利的目的是提供一种基于强度编码的合成孔径激光雷达，实现极短调制时间(亚毫秒)的大时宽带宽积雷达信号。 

本专利了提供一种新的快速调制方式，满足机载等快速运动平台，实现距离向与方位向的高分辨率成像，调制设备简单易用，利于实现。本专利提出的强度编码调制方式采用N阶随机码，码元宽度为T，码元个数为L，通过光电强度调制器调制到发射脉冲光中。受益于现有光电调制器的调制速度非常快(铌酸锂强度调制器调制速度可达40Gb/s，这是微波领域不具备的)，在保证高重复频率的前提下可以得到很高的带宽。以下对本专利优势进行详细推导。 

合成孔径激光雷达实际中选取λ＝1550nm波长的连续激光作为光源，发射信号频率记为ω₀，则激光出射信号可表示为： 

s(t)＝E_s exp(-j(ω₀t))                  (1) 

E_s表示信号幅度，简单起见，设为相同。 

信号经过斩波，得到宽度为T*L的脉冲信号，重复频率f_r按照方位向多普 勒频率f_d的2倍以上进行设置， 

$f_d=\frac{2V}{\mathrm{\λ}}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(2\right)$

其中V为载机在方位向的运动速度，θ为载机当前位置与目标位置的夹角。 

编码码元信号表示为A(t)，则有 

$A\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}p\left(n\right)\mathrm{rect}(t-(n-1)T)---\left(3\right)$

其中p(n)为1到N随机取值的随机数序列，个数为L。 

调制后的光信号为 

$\begin{array}{c}{s}_m\left(t\right)=A\left(t\right)E_s\exp (-j\left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right))\\ =\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}p\left(n\right)\mathrm{rect}(t-(n-1)T)*E_s\exp (-j\left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right))\end{array}---\left(4\right)$

经过目标反射后回到接收系统，设经过的延时为τ，则回波表示为 

$s_s\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}p\left(n\right)\mathrm{rect}(t-\mathrm{\τ}-(n-1)T)*E_s\exp (-j\left({\mathrm{\ω}}_0(t-\mathrm{\τ})\right))---\left(5\right)$

与本振进行相干平衡检测，最终得到的码元信号为 

$A_s\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}p\left(n\right)\mathrm{rect}(t-\mathrm{\τ}-(n-1)T)---\left(6\right)$

对A_s(t)进行匹配滤波，即可得到目标对应尖峰的位置，完成距离向数据压缩。在方位向对多普勒频谱进行相应的压缩，最终得到高分辨率二维成像，方位向的压缩由于采用的是经典的方法，在此不再赘述。 

根据匹配滤波及雷达信号处理理论，雷达在距离向的分辨率与调制带宽成正比ρ_r＝c/2B，c是光速，B为调制带宽。具体到本专利中，B对应的带宽为1/T。考虑到信号发生器产生码元速率的限制，本专利选择B＝2GHz，对应的距离分 辨率可达7.5cm，随着码元速率的提高，分辨率还可以进一步提升。为了减轻后端AD采样的压力，采用了I/Q正交解调，将采样速率降低了一半。 

本专利基于强度编码的合成孔径激光雷达系统包括窄线宽连续激光器1，90/10光纤分束器2，铌酸锂强度调制器3，光放大器4，光纤环形器5，收发镜头6，90°移相器7，宽带射频放大器8，任意波形发生器9，50/50光纤分束器10，宽带高速模数转换器11，数据处理单元12，平衡探测器Ⅰ13，平衡探测器Ⅱ14，3dB耦合器Ⅰ15，3dB耦合器Ⅱ16，斩波器17。 

窄线宽连续激光器1产生连续激光，送入90/10光纤分束器2，其中90％能量作为发射信号s1送入铌酸锂强度调制器3，10％作为本振信号s2； 

由任意波形发生器9产生随机N阶码元，N选取6到16，经过宽带射频放大器8放大到适合的电压幅度，输入到铌酸锂强度调制器3的射频端口，对信号s1进行幅度编码调制，输出调制信号s3； 

s3经过斩波器17，经由光纤环形器5和收发镜头6发射出射信号s4； 

出射信号s4被目标反射，在收发镜头6得到回波r1，从光纤环形器5的2号口输出，将能量平均送给3dB耦合器Ⅰ15和3dB耦合器Ⅱ16； 

本振信号s2经过50/50光纤分束器10分成两路能量相等的信号L1和L2，其中L2经过移相器7延时90°相位； 

将L1和L2分别送入3dB耦合器Ⅰ15和3dB耦合器Ⅱ16，混频后，分别经平衡探测器Ⅰ13和平衡探测器Ⅱ14光电转换后被宽带高速模数转换器11采样，存储到数据处理单元12中进行数据处理，经过编码压缩和匹配滤波，得到图像数据。 

系统具体工作流程如下： 

窄线宽连续激光器1产生中心波长1550nm的连续激光，送入90/10光纤 分束器2，其中90％能量作为发射信号s1送入铌酸锂强度调制器3，10％作为本振信号s2； 

由任意波形发生器9产生随机N阶码元，N选取6到16。经过宽带射频放大器8放大到适合的电压幅度，输入到铌酸锂强度调制器3的射频端口，对信号s1进行幅度编码调制，输出调制信号s3； 

s3经过斩波器17，经由光纤环形器5和收发镜头6发射出射信号s4； 

出射信号s4被目标反射，在收发镜头6得到回波r1，从光纤环形器5的2号口输出，将能量平均送给3dB耦合器Ⅰ15和3dB耦合器Ⅱ16； 

本振信号s2经过50/50光纤分束器10分成两路能量相等的信号L1和L2，其中L2经过移相器7延时90°相位； 

将L1和L2分别送入3dB耦合器Ⅰ15和3dB耦合器Ⅱ16，混频后，分别经平衡探测器Ⅰ13和平衡探测器Ⅱ14光电转换后被宽带高速模数转换器11采样，存储到数据处理单元12中进行数据处理，经过编码压缩和匹配滤波，得到图像数据。 

系统中，随机N阶码元，其幅值按照1到N随机分布，发射信号s1经过强度调制后，幅度包络按照编码幅值变化。 

本专利的优点在于：系统信号调制速度极快，在满足机载平台飞行速度的前提下，调制带宽可达5GHz以上，系统采用保偏光纤结构，幅度稳定性高，易于调整光路，探测灵敏度高，距离分辨率达到厘米量级。 

附图说明

附图是用来提供对本专利的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利，但并不构成对本专利的限制。 

图1是随机强度调制码元示意图，码元长度为6，代表3 1 5 7 8 3； 

图2是长度为500，高度为1到16随机排布码元的自相关图； 

图3是系统实现示意框图，其中各部分分别为： 

1.窄线宽连续激光器，2.90/10光纤分束器，3.铌酸锂强度调制器，4.光放大器，5.光纤环形器，6.收发镜头，7.90°移相器，8.宽带射频放大器，9.任意波形发生器，10.50/50光纤分束器，11.宽带高速模数转换器，12.数据处理单元，13.平衡探测器Ⅰ，14.平衡探测器Ⅱ，15.3dB耦合器Ⅰ，16.3dB耦合器Ⅱ，17.斩波器。 

具体实施方式

以下结合附图对本专利的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利，并不用于限制本专利。 

强度编码调制合成孔径激光雷达系统对目标的二维成像过程分为以下几步： 

1、设置编码的码元宽度和码元阶数，选取随机码序列，这一步骤设定发射信号的调制信息。任意波形发生器9选择泰克公司的AWG5102C，按照距离分辨率来设定码元宽度，选择5ns码元宽度。输出电平峰峰值设为300mV，按照8阶强度，即码元输出幅值为300mV/8*n，n＝1,2,3…8。码元长度设为1000。考虑到输出电平范围比较小，而一般的强度调制器半波电压在5V上下，中间加宽带射频放大器8(选择德国SHF公司的SHF806e，放大增益为26dB)对码元进行放大。 

2、调节光路使目标反射的光进入收发镜头6中。收发镜头6按照发散角3mrad、口径30mm设计。将收发镜头6调整对准目标，保证光路的水平和竖直方向上都非常直，用功率计在准直镜后测量目标反射回来，又耦合进光纤的光功率，光功率最大时，可认为光路达到最优； 

3、激光器输出能量调节。由于本系统是对强度进行调制，在满足窄线宽和低相位噪声的同时，需要激光器的输出光强稳定。激光器选择Orbits Lightwave公司的ETH-180-1550.12-2-PZ10B-SL130-TT-PM，在开机一个小时后能量基本稳定，上下误差在nW左右，基本满足系统测量需求； 

4、连接图1中所有的光纤器件，光纤器件均采用保偏光纤，包括2,10,7,15,16,13,14,5等； 

5、调整I/Q正交解调光纤长度，对正交采样的相位不平衡度和幅值不平衡度进行校准； 

6、将收发镜头6固定在位移平台，控制位移平台按照500um/s速度匀速直线运动(对于机载情况，将系统置于稳定平台上)，同时开启激光器，系统开始工作，平衡探测器Ⅰ13和平衡探测器Ⅱ14采用New Focus的1617-FC，带宽为800MHz，转换增益为1V/A；宽带高速模数转换器11采用安捷伦公司的U1064A采集卡，采样速率1GS/s，有效位8bit。 

7、在合成孔径时间结束后，将存储的采样数据进行距离向的压缩(码元卷积运算)，然后做方位向数据压缩(匹配滤波)。 

以上结合附图详细描述了本专利的优选实施方式，但是，本专利并不限于上述实施方式中的具体细节，在本专利的技术构思范围内，可以对本专利的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本专利的保护范围。例如，可以将随机码元改变为特定的某种码元，将光纤光路改为自由空间光路等。 

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如将该系统用于多普勒测距和测速，而不是合成孔径激光雷达。为了避免不必要的重复，本专利对各种可能的组合方式不再另行说明。 

此外，本专利的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本专利的思想，其同样应当视为本专利所公开的内容。 

Claims (1)

1.一种基于强度编码的合成孔径激光雷达系统，它包括窄线宽连续激光器(1)，90/10光纤分束器(2)，铌酸锂强度调制器(3)，光放大器(4)，光纤环形器(5)，收发镜头(6)，90°移相器(7)，宽带射频放大器(8)，任意波形发生器(9)，50/50光纤分束器(10)，宽带高速模数转换器(11)，数据处理单元(12)，平衡探测器Ⅰ(13)，平衡探测器Ⅱ(14)，3dB耦合器Ⅰ(15)，3dB耦合器Ⅱ(16)，斩波器(17)，其特征在于：

窄线宽连续激光器(1)产生连续激光，送入90/10光纤分束器(2)，其中90％能量作为发射信号s1送入铌酸锂强度调制器(3)，10％作为本振信号s2；

由任意波形发生器(9)产生随机N阶码元，N选取6到16，经过宽带射频放大器(8)放大到适合的电压幅度，输入到铌酸锂强度调制器(3)的射频端口，对信号s1进行幅度编码调制，输出调制信号s3；

s3经过斩波器(17)，经由光纤环形器(5)和收发镜头(6)发射出射信号s4；

出射信号s4被目标反射，在收发镜头(6)得到回波r1，从光纤环形器(5)的2号口输出，将能量平均送给3dB耦合器Ⅰ(15)和3dB耦合器Ⅱ(16)；

本振信号s2经过50/50光纤分束器(10)分成两路能量相等的信号L1和L2，其中L2经过移相器(7)延时90°相位；

将L1和L2分别送入3dB耦合器Ⅰ(15)和3dB耦合器Ⅱ(16)，混频后，分别经平衡探测器Ⅰ(13)和平衡探测器Ⅱ(14)光电转换后被宽带高速模数转换器(11)采样，存储到数据处理单元(12)中进行数据处理，经过编码压缩和匹配滤波，得到图像数据。