CN106226778A - 一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统，包括：窄线宽种子光源、双平行相位调制器、射频信号源、光纤分束器、声光调制器、光纤放大器、准直器、偏振光分束器、四分之一波片、光学天线、2×2光纤合束器、平衡探测器、信号处理模块。本发明能够同时对远程目标的距离和速度进行高分辨率测量。本发明具有高探测灵敏度、高距离分辨率、高速度分辨率、激光器全光纤结构、输出线偏振高峰值功率激光的特点，在国防和民用探测领域有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统。
背景技术
激光探测与测距技术(Light Detection and Ranging，lidar)，又称为激光雷达技术，经过数十年的发展，主要形成了以下几种测距和测速方法：(1)飞行时间直接测量；(2)鉴相式调幅连续波测距；(3)啁啾调幅连续波；(4)脉冲多普勒相干探测；(5)频率调制连续波相干探测；(6)波长调谐连续波相干探测；(7)宽带相位编码脉冲相干探测；(8)频率调制脉冲相干探测。其中，飞行时间直接测量方法是最常用的测距方法，超远程高精度测距系统可达到mm级精度；相位式激光测距主要适用于短程高精度距离测量，典型产品测距精度一般可达5mm±1ppm；啁啾调幅连续波技术是一种通过对连续激光幅度进行频率调制来获得距离信息的探测技术；利用光外差探测技术获得激光多普勒频移信息从而求取径向速度分量的激光雷达称之为相干多普勒激光雷达；线性调频连续波相干探测技术的典型应用是在合成孔径激光雷达与逆合成孔径激光雷达领域；波长调谐连续波相干探测方法特点是通过增加频率调制范围，提高距离测量精度，适用于近距离高精度测量应用，分辨率可达μm量级；相位编码脉冲信号在时域通过对信号的相位调制来获得很大的等效带宽，从而提高雷达的距离分辨力；在具有远程高精度测量要求的系统中必须采用大能量、线性调频短脉冲相干激光光源。
在上述的激光雷达测距和测速方法中，只有飞行时间直接测量、相干脉冲多普勒、线性调频脉冲相干探测这三种方法适合于远距离目标的探测。其中飞行时间直接探测方法提高测程依赖于提高激光脉冲峰值功率，探测灵敏度比相干探测低，而且无法测量目标速度。相干脉冲多普勒测量的距离分辨率与时宽成反比，速度分辨率与时宽成正比(低信噪比时)，在远程探测中无法同时实现高距离分辨率和高速度分辨率测量。线性频率调制脉冲相干方法采用大时宽带宽积线性调频脉冲信号，大带宽保证了距离分辨率，相干探测技术提高了探测灵敏度，信号处理中采用解线频调脉冲压缩技术能够有效解决距离分辨率和平均发射功率之间的矛盾，因此能够同时实现高距离分辨率和速度测量。但是高峰值功率窄脉冲不具有大时宽特性，使得线性频率调制脉冲相干方法无法实现高速度分辨率测量。
发明内容
为了克服以上问题，本发明的目的在于提供一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统，实现对远程目标的距离和速度同时进行高分辨率测量。
首先窄线宽种子光源的输出1.5微米波长线偏振连续激光，进入双平行相位调制器获得相位调制，得到线性频率调制激光输出。双平行相位调制器输出激光经光纤分束器分为两路，一路功率较小的激光作为雷达使用的本振光，本振光再经光纤分束器分为两束。另一路功率较大的激光进入声光调制器斩波为脉冲信号。脉冲激光进入光纤放大器放大后输出。射频信号源产生线性频率调制信号加载到双平行相位调制器，同时产生与线性调频信号同步的脉冲斩波信号驱动声光调制器。声光斩波后的脉冲信号通过光纤分束器取样监测，取样脉冲与一束本振光相干，相干信号通过2×2光纤合束器合束后输出由平衡光电探测器探测。光纤放大后输出的线偏振光束通过准直器准直后从偏振光分束器1端口入射，经2端口出射，然后经由四分之一波片变换为圆偏振光经光学天线发射出去。雷达采用的是收发合一光学天线，因此由目标散射产生的回波信号沿发射光路返回，回波信号通过四分之一波片变换为与发射光束偏振方向垂直的线偏振光，从偏振光分束器的3端口输出。回波信号经准直器注入光纤后与另一束本振光通过2×2光纤合束器合束后入射到平衡光电探测器上混频，得到外差信号。监测信号和外差信号由信号处理模块采集然后处理，监测信号作为距离参考信号，用于与外差信号联合测量光束在雷达系统中传输的光程，消除距离测量的系统误差。本发明的信号处理步骤为：首先采用距离门内信号相干检测方法计算得到目标粗略距离。以雷达的最远测量距离所需脉冲往返飞行时间为信号采样时间，以发射脉冲宽度对应的物理距离分辨率为距离门划分采集的信号。由于雷达本振激光为经线性调频后的连续激光，目标反射回波仅在目标所处的距离门内与本振光产生相干拍频。由拍频信号所处的距离门位置，可得到目标距离。在确定目标所处距离门后，然后采用解线频调方法求解目标精确距离。激光雷达发射的是对称三角线性调频脉冲信号。只要分别测得上下扫频段各自的拍频频率，就能实现对运动物体的测距测速。另外将对称三角线性调频信号上、下扫频的差拍信号分别进行FFT处理，利用运动目标的多普勒频率关于目标距离频谱左右对称偏移的特性，进行频谱配对，可消除距离速度藕合，计算得到目标精确距离。最后采用脉冲对测量方法增加信号时宽从而提高速度测量分辨率。
进一步，所述窄线宽种子光源为1.5微米波段输出连续激光的窄线宽半导体激光器、DBR/DFB光纤激光器、固体激光器中任意一种，光谱线宽小于5kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW。
进一步，所述双平行相位调制器2为2×2MZI结构的波导光学电光调制器，电光晶体材料为铌酸锂、钽铌酸钾。
进一步，所述射频信号源用于产生施加在双平行相位调制器上的线性频率调制的正弦波信号，信号载波频率10GHz，信号周期2μs，一个周期的信号由1μs带宽2GHz的上调频和1μs带宽2GHz的下调频信号组成；射频信号源同时用于产生施加在声光调制器上的脉冲斩波信号，信号脉冲重复频率1kHz，脉冲持续时间2μs。
进一步，所述光纤放大器为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。
进一步，所述光纤放大器输出激光脉冲重复频率1kHz，脉冲宽度2μs，线性调频带宽2GHz。
进一步，信号处理的步骤为：首先采用距离门内信号相干检测方法计算得到目标粗略距离，然后采用解线频调方法处理拍频信号计算得到目标精确距离，最后采用脉冲对处理方法计算得到目标速度。
本发明提供的高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统，相比现有技术有如下有益效果：
本发明具有探测灵敏度高的特点，雷达系统发射线性调频窄线宽脉冲激光，被探测目标散射的回波信号与本振光进行相干探测，能够探测皮瓦量级微弱信号，探测灵敏度高。
本发明具有距离分辨率高的特点，所述的雷达系统的距离分辨率由发射激光的调制带宽决定，而发射激光的调制带宽由双平行相位调制器的调制带宽决定，目前最高可以达到18GHz带宽，能够实现远程目标厘米级高分辨率的距离测量。
本发明输出激光具有人眼安全的特点；本发明采用的光学元器件带尾纤输出，激光器结构具有全光纤化的特点；本发明具有输出线偏振激光的特点。本发明具有千瓦高峰值功率输出的特点，能够满足远程探测对激光功率的需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统结构示意图；
图1中：1-窄线宽种子光源，2-双平行相位调制器，3-射频信号源，4-第一光纤分束器，5-第二光纤分束器，6-声光调制器，7-第三光纤分束器，8-光纤放大器，9-第一准直器，10-偏振光分束器，11-四分之一波片，12-光学天线，13-第二准直器，14-第一2×2光纤合束器，15-第一平衡探测器，16-第二2×2光纤合束器，17-第二平衡探测器，18-信号处理模块。
图2是本发明实施例提供的射频信号源发射的线性调频信号和脉冲斩波信号关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
参阅图1，高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统构成包括：窄线宽种子光源1，双平行相位调制器2，射频信号源3，第一光纤分束器4，第二光纤分束器5，声光调制器6，第三光纤分束器7，光纤放大器8，第一准直器9，偏振光分束器10，四分之一波片11，光学天线12，第二准直器13，第一2×2光纤合束器4，第一平衡探测器15，第二2×2光纤合束器16，第二平衡探测器17，信号处理模块18。其中：
窄线宽种子光源1输出1.5微米波长线偏振连续激光。射频信号源3产生线性频率调制信号，加载到双平行相位调制器2。窄线宽种子光源1输出端和双平行相位调制器2相连，激光在双平行相位调制器2中发生线性频率调制。双平行相位调制器2输出端与第一光纤分束器4相连，第一光纤分束器4一路输出与声光调制器6相连，射频信号源3产生与线性调频信号同步的脉冲斩波信号，加载到声光调制器6，连续激光被斩波为脉冲激光输出。声光调制器6输出与第二光纤分束器5相连，第二光纤分束器5一路输出与光纤放大器8相连，放大后的激光从光纤放大器8输出被第一准直器9准直，第一准直器9输出从偏振光分束器10透射，经过四分之一波片11变成圆偏振光，圆偏振光最后从光学天线12发射到目标上。第一光纤分束器4另一路输出与第二光纤分束器5相连，第二光纤分束器5输出两路调制后的激光作为雷达本振光。第二光纤分束器5一路输出与第一2×2光纤合束器14相连，第三光纤分束器7一路输出与第一2×2光纤合束器14相连，第三光纤分束器7输出的光脉冲与第二光纤分束器5输出的连续本振光在第一2×2光纤合束器14中相干，相干光信号从第一2×2光纤合束器14输出后入射到第一平衡探测器15转换为电信号，送入信号处理模块18作为距离参考信号。被目标反射或散射后的回波光信号被光学天线12接收，经过四分之一波片11变成与出射光偏振方向正交的线偏振光，线偏振光被偏振光分束器10反射进入第二准直器13，然后耦合进入第二2×2光纤合束器16的一端输入光纤中。第二光纤分束器5一路输出与第二2×2光纤合束器16相连，连续本振光与回波光脉冲在第二2×2光纤合束器16中相干，相干光信号从第二2×2光纤合束器16输出后入射到第二平衡探测器17转换为电信号，送入信号处理模块18与距离参考信号共同处理，计算出目标的距离和速度信息。
下面是实施例中用到的关键元器件：
窄线宽种子光源1可以为1.5微米波段输出连续激光的窄线宽半导体激光器、DBR/DFB光纤激光器、固体激光器中任意一种，光谱线宽小于5kHz，偏振态为线偏振，单模保偏光纤输出，输出光功率1～100mW。
双平行相位调制器2为2×2MZI结构的波导光学电光调制器，电光晶体材料可以为铌酸锂、钽铌酸钾等。用线性频率调制的射频信号驱动双平行相位调制器能够实现输出光移频量随射频信号变化，实现光频率的线性频率调制。
射频信号源3用于产生施加在双平行相位调制器2上的线性频率调制的正弦波信号，信号载波频率10GHz，信号周期2μs，一个周期的信号由1μs带宽2GHz的上调频和1μs带宽2GHz的下调频信号组成。射频信号源3同时用于产生施加在声光调制器6上的脉冲斩波信号，信号脉冲重复频率1kHz，脉冲持续时间2μs。
光纤放大器8可以为单模光纤放大器、双包层光纤放大器或两者组合构成的多级光纤放大器。
偏振光分束器10由偏振分光棱镜构成。
雷达发射窄线宽激光脉冲的重复频率1kHz，脉冲宽度2μs，线性调频带宽2GHz。
本发明的射频信号源发射的信号关系是：
在本发明中，所述的射频信号源3分别产生线性频率调制正弦波信号和脉冲斩波信号，两个信号具有同步性的要求，相互关系参阅图2。线性频率调制正弦波信号的带宽为F，周期为T，前T/2为频率上啁啾信号，后T/2为频率下啁啾信号，信号连续无间隔输出。脉冲斩波信号的脉冲持续时间t等于线性频率调制正弦波信号的周期T，t与T起始时间相同，脉冲斩波信号的一个脉冲正好包括线性频率调制正弦波信号的一个周期或多个周期。线性频率调制正弦波信号的重复频率大于脉冲斩波信号的重复频率。
本发明的信号处理步骤为：
首先采用距离门内信号相干检测方法计算得到目标粗略距离。以雷达的最远测量距离所需脉冲往返飞行时间为信号采样时间，以发射脉冲宽度对应的物理距离分辨率为距离门划分采集的信号。由于雷达本振激光为经线性调频后的连续激光，目标反射回波仅在目标所处的距离门内与本振光产生相干拍频。由拍频信号所处的距离门位置，可得到目标距离。
在确定目标所处距离门后，然后采用解线频调方法求解目标精确距离。激光雷达发射的是对称三角线性调频脉冲信号。只要分别测得上下扫频段各自的拍频频率，就能实现对运动物体的测距测速。另外将对称三角线性调频信号上、下扫频的差拍信号分别进行FFT处理，利用运动目标的多普勒频率关于目标距离频谱左右对称偏移的特性，进行频谱配对，可消除距离速度藕合，计算得到目标精确距离。
最后采用脉冲对测量方法增加信号时宽从而提高速度测量分辨率。脉冲对波形是一种高时宽带宽积波形，能够同时实现距离和速度高精度测量。在脉冲多普勒气象雷达中已经证明，只要目标的多普勒频率标准偏差比信号采样率小得多，由脉冲对方法计算出的多普勒平均速度和方差就很接近实际值。
以上技术方案可以实现一种高分辨率测量远程目标距离和速度的相干激光雷达系统，在国防和民用探测领域有着广泛的应用前景。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统，特征在于，其该高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统包括：窄线宽种子光源(1)，双平行相位调制器(2)，射频信号源(3)，第一光纤分束器(4)，第二光纤分束器(5)，声光调制器(6)，第三光纤分束器(7)，光纤放大器(8)，第一准直器(9)，偏振光分束器(10)，四分之一波片(11)，光学天线(12)，第二准直器(13)，1第一2×2光纤合束器(14)，第一平衡探测器(15)，第二2×2光纤合束器(16)，第二平衡探测器(17)，信号处理模块(18)；
上述各元件连接关系如下：
射频信号源(3)与双平行相位调制器(2)相连和声光调制器(6)相连；窄线宽种子光源(1)输出端和双平行相位调制器(2)相连，双平行相位调制器(2)输出端与第一光纤分束器(4)相连，第一光纤分束器(4)一路输出与声光调制器(6)相连，声光调制器(6)输出与第二光纤分束器(5)相连，第二光纤分束器(5)一路输出与光纤放大器(8)相连，光纤放大器(8)输出被第一准直器(9)准直，第一准直器(9)输出从偏振光分束器(10)透射，经过四分之一波片(11)从光学天线(12)发射；第一光纤分束器(4)另一路输出与第二光纤分束器(5)相连，第二光纤分束器(5)一路输出与第一2×2光纤合束器(14)相连，第三光纤分束器(7)一路输出与第一2×2光纤合束器(14)相连，第三光纤分束器(7)输出与第二光纤分束器(5)一路输出与第一2×2光纤合束器(14)中相连，第一2×2光纤合束器(14)与第一平衡探测器(15)相连，第一平衡探测器(15)与信号处理模块(18)相连；光学天线(12)接收回波光经过四分之一波片(11)后被偏振光分束器(10)反射进入第二准直器(13)，第二准直器(13)与第二2×2光纤合束器(16)的一端输入光纤相连；第二光纤分束器(5)一路输出光纤与第二2×2光纤合束器(16)相连，第二2×2光纤合束器(16)与第二平衡探测器(17)相连，第二平衡探测器(17)与信号处理模块(18)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统，其特征在于，窄线宽种子光源(1)，双平行相位调制器(2)，射频信号源(3)，声光调制器(6)，光纤放大器(8)构成雷达系统的激光器模块，产生宽带线性调频脉冲激光输出；窄线宽种子光源(1)输出1.5微米波长线偏振连续激光；射频信号源(3)产生线性频率调制信号，加载到双平行相位调制器(2)；射频信号源(3)产生与线性调频信号同步的脉冲斩波信号，加载到声光调制器(6)；窄线宽种子光源(1)输出端和双平行相位调制器(2)相连，激光在双平行相位调制器(2)中发生线性频率调制；双平行相位调制器(2)输出连续激光被声光调制器(6)相连斩波为脉冲激光输出，声光调制器(6)输出脉冲激光由光纤放大器(8)放大输出。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统，其特征在于，雷达系统采用的是收发合一光学天线；光纤放大器(8)输出的线偏振光束通过第一准直器(9)准直后从偏振光分束器(10)一端口入射，经二端口出射，然后由四分之一波片(11)变换为圆偏振光经光学天线(12)发射出去；因此由目标散射产生的回波信号沿发射光路返回，回波信号通过四分之一波片(11)变换为与发射光束偏振方向垂直的线偏振光，从偏振光分束器(10)的三端口输出进入第二准直器(13)。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统，其特征在于，第三光纤分束器7输出的光脉冲与第二光纤分束器5输出的连续本振光在第一2×2光纤合束器14中相干，相干光信号从第一2×2光纤合束器14输出后入射到第一平衡探测器15转换为电信号，送入信号处理模块18作为距离参考信号；距离参考信号用于与外差信号联合测量光束在雷达系统中传输的光程，消除距离测量的系统误差。
5.根据权利要求1所述的一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统，其特征在于，信号处理步骤为：首先采用距离门内信号相干检测方法计算得到目标粗略距离；以雷达的最远测量距离所需脉冲往返飞行时间为信号采样时间，以发射脉冲宽度对应的物理距离分辨率为距离门划分第二平衡探测器(17)输入信号处理模块(18)的信号；由拍频信号所处的距离门位置，可得到目标距离；在确定目标所处距离门后，然后采用解线频调方法求解目标精确距离；最后采用脉冲对测量方法增加信号时宽得到高速度分辨率。
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