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CN106918814B - 基于双平行mzm的超宽带梯状fm/cw激光雷达测距系统 - Google Patents

基于双平行mzm的超宽带梯状fm/cw激光雷达测距系统 Download PDF

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CN106918814B
CN106918814B CN201710283808.9A CN201710283808A CN106918814B CN 106918814 B CN106918814 B CN 106918814B CN 201710283808 A CN201710283808 A CN 201710283808A CN 106918814 B CN106918814 B CN 106918814B
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Abstract

基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统，属于激光测距领域。解决了传统的FM/CW激光雷达调制带宽有限，难于提高测距精度的问题。本发明调制端采用单频连续激光器、双平行MZM和光纤激光放大器构成的光纤回路与可调F‑P光纤滤波器共同构成信号调制系统来产生梯状频率调制信号光，信号调制带宽可达几十GHz到百GHz；接收端采用质心算法对目标回波进行解算，并利用双平衡探测的原理抑制梯状频率调制信号带来的原理误差，进一步提高系统测距精度。本发明主要用于对被测目标进行测距。

Description

基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统
技术领域
本发明属于激光测距领域。
背景技术
调频连续波(frequency-modulated continuous-wave，FM/CW)激光雷达具有的高信号调制带宽带来的高的测距分辨率，且对探测器和模数转换器(ADCS)的带宽要求不高的特点，逐渐成为一种重要的探测体制。
但由于实际应用对分辨率要求的不断提高，对FM/CW激光雷达系统的调制带宽的需求也不断提高，目前使用的激光调制器及其驱动器受到驱动信号源的电子带宽限制无法进一步提高，使调制带宽的限制逐渐成为FM/CW激光雷达提高测距精度的技术瓶颈。
发明内容
本发明是为了解决传统的FM/CW激光雷达调制带宽有限，难于提高测距精度的问题，本发明提供了一种基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统。马赫-增德尔调制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)。
基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统，它包括单频连续激光器、3个2×1耦合器、4个1×2分束器、双平行MZM、光纤激光放大器、可调F-P滤波器、光环形器、光纤自聚焦准直器、1号光电探测器、2号光电探测器、模数转换器和数字信号处理器；
3个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器、2号2×1耦合器和3号2×1耦合器；
4个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器、2号1×2分束器、3号1×2分束器和4号1×2分束器，且1号1×2分束器、2号1×2分束器和3号1×2分束器均输出光强相同的两束光；
单频连续激光器输出的连续光和光纤激光放大器输出的光，经1号2×1耦合器耦合后，入射至双平行MZM，双平行MZM对接收的耦合光的频率进行平移后，又经1号1×2分束器进行分束，获得两束光；
其中，一束光经光纤激光放大器进行功率放大后，入射至1号2×1耦合器；
另一束光入射至可调F-P滤波器进行滤波后，又经4号1×2分束器进行分束后，获得两束光，该两束光分别为信号光和本振光，且信号光的光强大于本振光的光强；
信号光依次经过光环形器和光纤自聚焦准直器后，入射至被测目标，被测目标反射的回波信号光经光环形器入射至3号1×2分束器，3号1×2分束器对接收的回波信号光进行分束，获得的两束回波信号光分别入射至2号2×1耦合器和3号2×1耦合器；
本振光经2号1×2分束器分束后，获得两束本振光，其中，一束本振光通过可调光纤延时线延时后，入射至2号2×1耦合器，另一束本振光入射至3号2×1耦合器；
2号2×1耦合器对接收的延时后的本振光和一束回波信号光进行耦合后，入射至1号光电探测器进行光电转化，
3号2×1耦合器对接收的本振光和另一束回波信号光进行耦合后，入射至2号光电探测器进行光电转化，
1号光电探测器和2号光电探测器输出的电信号经模数转换器进行模数转化后，获得的数据信号输入至数字信号处理器，数字信号处理器对接收的数据信号进行处理，从而获得被测目标的距离。
所述的数字信号处理器对接收的数据信号进行处理，从而获得被测目标的距离的具体过程为：
步骤一、数字信号处理器(12)对接收的数据信号进行傅里叶变换和中频滤波，获得引入本振延时的外差信号频谱和未引入本振延时的外差信号的频谱且引入本振延时的外差信号频谱和未引入本振延时的外差信号的频谱均由N个sinc函数构成，且所述的N个sinc函数的幅值形成两个sinc函数包络，N为大于且等于10的整数；
步骤二、提取引入本振延时的外差信号频谱中的两个sinc函数包络的幅值最大值A1f-和A1f+，及幅值最大值A1f-和A1f+分别对应的峰值频率f1-和f1+，且f1+>f1-，A1f+>A1f-；同理，提取未引入本振延时的外差信号的频谱中的两个sinc函数包络的幅值最大值A2f-和A2f+，及幅值最大值A2f-和A2f+分别对应的峰值频率f2-和f2+，且f2+>f2-，A2f+>A2f-；
步骤三、将峰值频率f1-、峰值频率f1+、幅值最大值A1f-和幅值最大值A1f+代入到公式一中进行质心解算，获得参考距离值R1；
将峰值频率f2-、峰值频率f2+、幅值最大值A2f-和幅值最大值A2f+代入到公式二中进行质心解算，获得测量距离值R2；
其中，c表示光速，t0表示时间间隔，△f表示频率调制间隔；
步骤四，将参考距离值R1和测量距离值R2代入下述公式三中，从而获得被测目标的实际距离值Rreal；
Rreal＝(R1+R2-cτL/2)/2 (公式三)，
其中，τL表示本振光的相位延时时间。
所述的可调F-P滤波器输出的光为频率阶梯状变化的信号。
所述的双平行MZM接收的驱动信号为正弦波电压信号。
所述的可调F-P滤波器接收的驱动信号为阶梯状电压信号。
本发明带来的有益效果是：
1、调制端采用单频连续激光光源、双平行MZM和光纤激光放大器构成光纤回路与可调F-P光纤滤波器共同构成信号调制系统来产生梯状频率调制信号，信号调制带宽可达几十GHz到百GHz。
2、接收端采用质心算法对目标回波进行解算，并采用双平衡探测模块抑制梯状频率调制信号带来的原理误差，进一步提高系统测距精度，其中双平衡探测模块包括2号2×1耦合器和3号2×1耦合器、2号1×2分束器、3号1×2分束器、1号光电探测器、2号光电探测器和模数转换器。
3、全光路元件均采用光纤元件。
4、本发明能够有效提高频率调制信号带宽，进而提高系统的测距精度；同时系统元件均采用光纤光学元件，系统光路属于柔性光路，系统稳定性好，集成度高。
5、由于系统测距分辨率△R与系统调制带宽B满足如下关系：
因此可知，系统测距分辨率与激光调频范围成反比，而传统调频连续波激光雷达受限于调频带宽，因此其测距分辨率受限，而本发明通过采用单频连续激光光源+双平行MZM和光纤放大器构成的光纤回路+可调F-P光纤滤波器构成的信号调制系统，其扫频范围明显增大且可控，因此本发明可以有效增强测距分辨率。
附图说明
图1为本发明所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统的原理示意图。
图2为双平行MZM和光纤激光放大器构成的环形结构的结构示意图。
图3为双平衡探测模块的原理示意图。
图4为引入本振延时的外差信号频谱的频谱图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统，它包括单频连续激光器1、3个2×1耦合器、4个1×2分束器、双平行MZM3、光纤激光放大器5、可调F-P滤波器6、光环形器7、光纤自聚焦准直器8、1号光电探测器9、2号光电探测器10、模数转换器11和数字信号处理器12；
3个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器2-1、2号2×1耦合器2-2和3号2×1耦合器2-3；
4个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器4-1、2号1×2分束器4-2、3号1×2分束器4-3和4号1×2分束器4-4，且1号1×2分束器4-1、2号1×2分束器4-2和3号1×2分束器4-3均输出光强相同的两束光；
单频连续激光器1输出的连续光和光纤激光放大器5输出的光，经1号2×1耦合器2-1耦合后，入射至双平行MZM3，双平行MZM3对接收的耦合光的频率进行平移后，又经1号1×2分束器4-1进行分束，获得两束光；
其中，一束光经光纤激光放大器5进行功率放大后，入射至1号2×1耦合器2-1；
另一束光入射至可调F-P滤波器6进行滤波后，又经4号1×2分束器4-4进行分束后，获得两束光，该两束光分别为信号光和本振光，且信号光的光强大于本振光的光强；
信号光依次经过光环形器7和光纤自聚焦准直器8后，入射至被测目标，被测目标反射的回波信号光经光环形器7入射至3号1×2分束器4-3，3号1×2分束器4-3对接收的回波信号光进行分束，获得的两束回波信号光分别入射至2号2×1耦合器2-2和3号2×1耦合器2-3；
本振光经2号1×2分束器4-2分束后，获得两束本振光，其中，一束本振光通过可调光纤延时线13延时后，入射至2号2×1耦合器2-2，另一束本振光入射至3号2×1耦合器2-3；
2号2×1耦合器2-2对接收的延时后的本振光和一束回波信号光进行耦合后，入射至1号光电探测器9进行光电转化，
3号2×1耦合器2-3对接收的本振光和另一束回波信号光进行耦合后，入射至2号光电探测器10进行光电转化，
1号光电探测器9和2号光电探测器10输出的电信号经模数转换器11进行模数转化后，获得的数据信号输入至数字信号处理器12，数字信号处理器12对接收的数据信号进行处理，从而获得被测目标的距离。
原理分析：单频连续激光器1输出的频率为f0的连续光，传入由双平行MZM3和光纤激光放大器5构成的环形结构，具体参见图2，该环形结构用来产生载波抑制单边带的频移信号构成的频率梳。入射至双平行MZM 3的驱动信号为频率为△f的正弦电压信号，且被分为具有90°相位差的两部分，分别输入到双平行MZM 3的两个调制器端口，通过设置合适的偏压，载波被抑制而激光能量集中到上边带，且上边带的中心频率为f0+△f。经过调制的单边带信号被分成两部分：一部分输入到下个系统结构，另一部分则在经过光纤激光放大器5放大后返回双平行MZM 3，进入下一个循环。经过一系列的循环后，调制回路的输出信号就形成了一系列以△f为频率间隔的频率梳。
双平行MZM 3输出的光信号需要经过滤波处理。因此，可在调制回路的后面设置一个由梯状函数的驱动信号所驱动的可调F-P滤波器6对产生的频率梳按时序依次进行滤波，最终可得到阶梯状时间间隔为t0，阶梯状的频率调制间隔为△f的光调制信号。
本发明所述的基于双平行MZM 3的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统中，各光学部件的连接采用单模保偏光纤实现，保证信号光与本振光、线性频率调制光与单频激光之前的偏振方向相同，提高外差效率，进而提高系统的探测性能。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统的区别在于，所述的数字信号处理器12对接收的数据信号进行处理，从而获得被测目标的距离的具体过程为：
步骤一、数字信号处理器12对接收的数据信号进行傅里叶变换和中频滤波，获得引入本振延时的外差信号频谱和未引入本振延时的外差信号的频谱
步骤二、提取引入本振延时的外差信号频谱的两个峰值频率f1-、f1+及峰值频率f1-所对应的幅值A1f-和峰值频率f1+所对应的幅值A1f+，同理，提取未引入本振延时的外差信号的频谱的两个峰值频率f2-、f2+及峰值频率f2-所对应的幅值A2f-和峰值频率f2+所对应的幅值A2f+；
步骤三、将峰值频率f1-、峰值频率f1+、幅值A1f-和幅值A1f+代入到公式一中进行质心解算，获得参考距离值R1；
将峰值频率f2-、峰值频率f2+、幅值A2f-和幅值A2f+代入到公式二中进行质心解算，获得测量距离值R2；
其中，c表示光速，t0表示时间间隔，△f表示频率调制间隔；
步骤四，将参考距离值R1和测量距离值R2代入下述公式三中，从而获得被测目标的实际距离值Rreal；
Rreal＝(R1+R2-cτL/2)/2 (公式三)，
其中，τL表示本振光的相位延时时间。
本实施方式，可调F-P滤波器6通过1×2分束器4-1进行分束，分成信号光和本振光，信号光经过光纤自聚焦准直器8扩束准直后，照射到被测目标，经被测目标反射后，目标回波信号经2号光电探测器10，本振光经延时后经1号光电探测器9，并将二者的探测结果经模数转换后输入至数字信号处理器12，数字信号处理器12对接收的数据信号进行傅里叶变换和中频滤波后，得到图4的频谱信息，利用质心算法就能够算出目标距离激光雷达的距离。
图4中，以每个频谱中包含的两个频率分量间的相位差会影响到激光雷达系统的测距精度，而且推论这个影响具有周期性的，且周围为两个频率分量的差频，即△f，因此本发明在接收端的采用了一套如图3所示的双平衡探测模块，该双平衡探测模块包括2号2×1耦合器2-2和3号2×1耦合器2-3、2号1×2分束器4-2、3号1×2分束器4-3、1号光电探测器9、2号光电探测器10和模数转换器11；并通过1号光电探测器9和2号光电探测器10探测本振光和回波信号中的中频差频信号，设置双平衡探测模的目的在于消除相位差对本发明所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统的探测精度。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统的区别在于，所述的可调F-P滤波器6输出的光为频率阶梯状变化的信号。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统的区别在于，所述的双平行MZM3接收的驱动信号为正弦波电压信号。
具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统的区别在于，所述的可调F-P滤波器6接收的驱动信号为阶梯状电压信号。

Claims (5)

1.基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统，其特征在于，它包括单频连续激光器(1)、3个2×1耦合器、4个1×2分束器、双平行MZM(3)、光纤激光放大器(5)、可调F-P滤波器(6)、光环形器(7)、光纤自聚焦准直器(8)、1号光电探测器(9)、2号光电探测器(10)、模数转换器(11)和数字信号处理器(12)；
3个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器(2-1)、2号2×1耦合器(2-2)和3号2×1耦合器(2-3)；
4个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器(4-1)、2号1×2分束器(4-2)、3号1×2分束器(4-3)和4号1×2分束器(4-4)，且1号1×2分束器(4-1)、2号1×2分束器(4-2)和3号1×2分束器(4-3)均输出光强相同的两束光；
单频连续激光器(1)输出的连续光和光纤激光放大器(5)输出的光，经1号2×1耦合器(2-1)耦合后，入射至双平行MZM(3)，双平行MZM(3)对接收的耦合光的频率进行平移后，又经1号1×2分束器(4-1)进行分束，获得两束光；
其中，一束光经光纤激光放大器(5)进行功率放大后，入射至1号2×1耦合器(2-1)；
另一束光入射至可调F-P滤波器(6)进行滤波后，又经4号1×2分束器(4-4)进行分束后，获得两束光，该两束光分别为信号光和本振光，且信号光的光强大于本振光的光强；
信号光依次经过光环形器(7)和光纤自聚焦准直器(8)后，入射至被测目标，被测目标反射的回波信号光经光环形器(7)入射至3号1×2分束器(4-3)，3号1×2分束器(4-3)对接收的回波信号光进行分束，获得的两束回波信号光分别入射至2号2×1耦合器(2-2)和3号2×1耦合器(2-3)；
本振光经2号1×2分束器(4-2)分束后，获得两束本振光，其中，一束本振光通过可调光纤延时线(13)延时后，入射至2号2×1耦合器(2-2)，另一束本振光入射至3号2×1耦合器(2-3)；
2号2×1耦合器(2-2)对接收的延时后的本振光和一束回波信号光进行耦合后，入射至1号光电探测器(9)进行光电转化，
3号2×1耦合器(2-3)对接收的本振光和另一束回波信号光进行耦合后，入射至2号光电探测器(10)进行光电转化，
1号光电探测器(9)和2号光电探测器(10)输出的电信号经模数转换器(11)进行模数转化后，获得的数据信号输入至数字信号处理器(12)，数字信号处理器(12)对接收的数据信号进行处理，从而获得被测目标的距离。
2.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统，其特征在于，所述的数字信号处理器(12)对接收的数据信号进行处理，从而获得被测目标的距离的具体过程为：
步骤一、数字信号处理器(12)对接收的数据信号进行傅里叶变换和中频滤波，获得引入本振延时的外差信号频谱和未引入本振延时的外差信号的频谱且引入本振延时的外差信号频谱和未引入本振延时的外差信号的频谱均由N个sinc函数构成，且所述的N个sinc函数的幅值形成两个sinc函数包络，N为大于或等于10的整数；
步骤二、提取引入本振延时的外差信号频谱中的两个sinc函数包络的幅值最大值A1f-和A1f+，及幅值最大值A1f-和A1f+分别对应的峰值频率f1-和f1+，且f1+>f1-，A1f+>A1f-；同理，提取未引入本振延时的外差信号的频谱中的两个sinc函数包络的幅值最大值A2f-和A2f+，及幅值最大值A2f-和A2f+分别对应的峰值频率f2-和f2+，且f2+>f2-，A2f+>A2f-；
步骤三、将峰值频率f1-、峰值频率f1+、幅值最大值A1f-和幅值最大值A1f+代入到公式一中进行质心解算，获得参考距离值R1；
将峰值频率f2-、峰值频率f2+、幅值最大值A2f-和幅值最大值A2f+代入到公式二中进行质心解算，获得测量距离值R2；
其中，c表示光速，t0表示时间间隔，Δf表示频率调制间隔；
步骤四，将参考距离值R1和测量距离值R2代入下述公式三中，从而获得被测目标的实际距离值Rreal；
Rreal＝(R1+R2-cτL/2)/2 (公式三)，
其中，τL表示本振光的相位延时时间。
3.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统，其特征在于，所述的可调F-P滤波器(6)输出的光为频率阶梯状变化的信号。
4.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统，其特征在于，所述的双平行MZM(3)接收的驱动信号为正弦波电压信号。
5.根据权利要求1所述的基于双平行MZM的超宽带梯状FM/CW激光雷达测距系统，其特征在于，所述的可调F-P滤波器(6)接收的驱动信号为阶梯状电压信号。
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