CN111289994B - 一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，该方法无需复杂的激光器反馈控制，有效降低了实施成本，通过拍频的方式抵消激光器的相位噪声，还具有良好的可拓展性，通过增加级联的相位调制器数量即可成倍提高扫频范围，从而扩大激光器的扫频范围，提高扫频的线性度，通过该方法得到的测距结果精度更高，实用性更强。解决了现有的提高调频连续波激光雷达测距精度的方法过程繁琐、成本高、效果不理想的问题。

Description

一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，更具体的说是涉及一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法。

背景技术

目前，激光雷达因其使用波长更短的光学信号，具有定向性好、空间分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，被广泛应用于高精度测距领域。激光雷达具体可分为脉冲激光雷达和连续波激光雷达，其中连续波激光雷达又可分为相位式激光雷达和调频连续波激光雷达。由于相位式激光雷达所用的测距方式存在模糊距离，测量精度难以保证，并未得到广泛应用。而调频连续波激光雷达采用绝对式测距方式，测距精度高、测量范围大、测量速度快，并能用于无合作目标的测量。相比传统的激光脉冲测距法，调频连续波激光雷达的测距方式具有较宽的调谐带宽，能够达到更高的测距精度和测距分辨率,因而在工业大尺寸精密测量领域有着更广阔的应用前景。

现有的调频连续波激光雷达主要受限于扫频范围、线性度和相位噪声三方面的影响，使得调频连续波激光雷达的测距精度无法有进一步的提升。对于扫频范围和线性度的影响，目前普遍采用成熟的预畸变算法，通过反馈控制激光器腔长来实现激光器输出频率的线性调谐，或使用扫频电信号调制光频梳，产生频率牵引式扫频的方式，将主激光器输出用光锁相环锁在参考扫频光梳齿上。对于调频连续波激光雷达的相位噪声影响，目前主要是通过光锁相环技术，通过反馈锁相来降低激光器输出的相位噪声。然而，现有的降低上述三方面影响的措施在实施过程中需要复杂的预畸变算法和繁琐的电路设计，难以降低设计成本，且达到的效果也并不理想。

因此，如何提供一种成本更低、测距精度更高的调频连续波激光雷达测距方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，通过电光调制得到光频梳，并根据光频梳各频率成分之间的相干关系来消除激光器自身的相位噪声，同时能够扩大激光器的扫频范围，提高扫频的线性度，解决了现有的提高调频连续波激光雷达测距精度的方法过程繁琐、成本高、效果不理想的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，该方法包括：

S1、将线性扫频射频信号通过相位调制器调制到激光器输出的激光信号上，产生光学频率梳，所述光学频率梳经过耦合器后分成探测光和参考光；

S2、所述探测光经过环形器，通过准直器发射到待测空间中，经待测空间中目标物反射的回波信号再经过准直器接收返回到环形器；

S3、所述参考光经过固定频率驱动的声光调制器移频后分为两路，两路光进入不同的光滤波器，分别滤出两只不同频率的光波信号；

S4、将所述回波信号用耦合器分为两束，分别与滤出的两只不同频率的光波信号进行拍频，得到两个拍频信号；

S5、将两个拍频信号再次进行拍频，得到最终的拍频信号，根据最终得到的拍频信号推算出测量目标物的实际距离。

进一步地，步骤S1中，所述探测光与所述参考光的比例为90:10。

进一步地，步骤S1中，所述相位调制器设有多个，多个所述相位调制器依次级联于所述激光器的输出端。在实际实施过程中，可以设置一个相位调制器，也可以设置多个，增加级联相位调制器的数量，可以进一步提高调制深度拓宽光频梳光谱范围，从而增加测量精度。

进一步地，步骤S4中，使用两个平衡接收机分别接收拍频信号，由于平衡接收机带宽有限，所以平衡接收机输出的拍频信号只是所滤出频率光与相应频率的探测光的拍频，以0阶和1阶频率的光为例，两个拍频信号分别为：

其中，

代表激光器的相位噪声，f_A代表声光调制器的移频频率，γ代表扫频速度，τ代表反射光和参考光路径的延时差，R代表反射点的反射率，A代表光强度，其中01、02分别对应0阶梳齿移频前和移频后的强度，11、12分别对应1阶梳齿移频前和移频后的强度。

进一步地，步骤S5中，最终的拍频信号为：

其中，f_τ＝γτ表示拍频信号的频率，频率信息中包含了时间延时的信息，通过时间延时和光速可以推算出测量目标的实际距离R表示反射点的反射率，A₀₁、A₀₂、A₁₁、A₁₂均代表光强度。

由最终的拍频信号公式可见，相位噪声项

已经被消除。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，该方法无需复杂的激光器反馈控制，有效降低了实施成本，通过拍频的方式抵消激光器的相位噪声，还具有良好的可拓展性，通过增加级联的相位调制器数量即可成倍提高扫频范围，从而扩大激光器的扫频范围，提高扫频的线性度，通过该方法得到的测距结果精度更高，实用性更强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法的流程示意图；

图2附图为本发明实施例中一种基于电光调制的光载调频连续波雷达的实现系统的结构架构示意图；

图3附图为本发明实施例中消除相位噪声前后的测距信号功率谱密度示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，该方法包括：

S1、将线性扫频射频信号通过相位调制器调制到激光器输出的激光信号上，产生光学频率梳，光学频率梳经过耦合器后分成探测光和参考光；

S2、探测光经过环形器，通过准直器发射到待测空间中，经待测空间中目标物反射的回波信号再经过准直器接收返回到环形器；

S3、参考光经过固定频率驱动的声光调制器移频后分为两路，两路光进入不同的光滤波器，分别滤出两只不同频率的光波信号；

S4、将回波信号用耦合器分为两束，分别与滤出的两只不同频率的光波信号进行拍频，得到两个拍频信号；

S5、将两个拍频信号再次进行拍频，得到最终的拍频信号，根据最终得到的拍频信号推算出测量目标物的实际距离。

下面通过具体的应用实例对上述方法做具体说明。

参见附图2，本实施例公开一种基于电光调制的光载调频连续波雷达的实现系统，包括激光器、相位调制器、小数分频锁相环、声光调制器、光滤波器(包括光滤波器1和光滤波器2)、平衡接收机(包括平衡接收机1和平衡接收机2)、环形器和光纤耦合器，其中，激光器的输出端与相位调制器的输入端相连接，相位调制器的输出端经过光纤耦合器1后形成两路输出端；其中，第一路输出端进入环形器输出到准直器发射到测量空间中，第二路输出经过声光调制器移频后经过光纤耦合器2分成两路，分别经过不同波段滤波器后与环形器接收的回波信号一同进入平衡接收机。

下面基于上述的电光调制的光载调频连续波雷达的实现系统对本发明的方法做具体说明。

一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，包括：

步骤1：向相位调制器输入线性扫频视频信号，使用相位调制器将线性扫频射频信号调制到激光器输出的激光信号上，产生扫频的光学频率梳，光频梳经过90:10的耦合器后分成探测光和参考光；

步骤2：探测光经过环形器，通过准直器发射到待测空间中，回波信号再经过准直器接收返回到环形器，在环形器的3端口接收回波信号；探测光中不同频率的光经过的光路一致，并且波长差距很小可以忽略色散的影响，因而不同波长的光的相位噪声相同。

步骤3：参考光经过固定频率驱动的声光调制器移频后分为两路，两路光进入不同的光滤波器1和光滤波器2，分别滤出两只不同频率的光梳齿；

步骤4：同时将回波信号用光纤耦合器3分为两束，与滤出的不同频率光波进行拍频，由于平衡接收机带宽有限，所以平衡接收机输出的拍频信号只是所滤出频率光与相应频率的探测光的拍频。用平衡接收机1和平衡接收机2分别接收拍频信号，以0阶和1阶频率的光为例，两个平衡接收机的拍频信号分别为：

其中，

代表激光器的相位噪声，f_A代表声光调制器的移频频率，γ代表扫频速度，τ代表反射光和参考光路径的延时差，R代表反射点的反射率，A代表光强度，其中01、02分别对应0阶梳齿移频前和移频后的强度，11、12分别对应1阶梳齿移频前和移频后的强度。

步骤5：将两个平衡接收机接收的拍频信号再次进行电拍频，即可抵消激光器本身的相位噪声，获取较为精确的距离信息。此时拍频信号可表示为：

其中，f_τ＝γτ表示拍频信号的频率，频率信息中包含了时间延时的信息，通过时间延时和光速可以推算出测量目标的实际距离R表示反射点的反射率，A₀₁、A₀₂、A₁₁、A₁₂均代表光强度。

由最终的拍频信号公式可见，相位噪声项

已经被消除。

参见附图3，对比消除相位噪声前后的测距信号功率谱密度，可见，在有相噪存在时测量结果非常差，利用本实施例公开的方法处理之后精度显著增加。

在一些实施例中，使用小数分频锁相环产生低相位噪声的扫频射频信号，可以提高测距精度。

优选地，通过滤波器设置范围以及增大调制深度的方式，选取阶数差距较大的光梳齿，可以提高从测量精度。

较优地，增加级联相位调制器的数量，可以进一步提高调制深度，拓宽光频梳光谱范围，从而增加测量精度。

具体地，本实施例中两个平衡接收机的参数相同。

在本实施例中，电光调制器除了相位调制器之外还可以使用强度调制器。

在一些实施例中，通过回波信号的傅里叶变换谱可以获取测量光波的相位信息，当目标物距离发生微小变化时，由于频率测量结果不变，但是频点相位会随之变化，可以通过测量光波的相位信息感知目标物微小位移，从而可以进一步提升测距精度。

综上所述，本发明实施例提供的基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，与现有技术相比，具有如下优点：

1、不需要复杂的激光器反馈控制，能够降低成本，并能提高测量精度。

2、锁相环电路板目前技术成熟，成本较低，锁相效果极好，避免了对激光器本身较为复杂的控制。

3、通过拍频可以抵消激光器的相位噪声，即使用相位噪声很差、线宽很宽的激光器也可以实现精准的距离测量。

4、具有良好的可拓展性，通过增加级联的电光调制器数量即可成倍提高扫频范围，从而提高测量精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，其特征在于，包括：

S1、将线性扫频射频信号通过相位调制器调制到激光器输出的激光信号上，产生光学频率梳，所述光学频率梳经过耦合器后分成探测光和参考光；

S2、所述探测光经过环形器，通过准直器发射到待测空间中，经待测空间中目标物反射的回波信号再经过准直器接收返回到环形器；

S3、所述参考光经过固定频率驱动的声光调制器移频后分为两路，两路光进入不同的光滤波器，分别滤出两只不同频率的光波信号；

S4、将所述回波信号用耦合器分为两束，分别与滤出的两只不同频率的光波信号进行拍频，得到两个拍频信号；

S5、将两个拍频信号再次进行拍频，得到最终的拍频信号，根据最终得到的拍频信号推算出测量目标物的实际距离；

步骤S4中，所述两个拍频信号分别为：

其中，

代表激光器的相位噪声，f_A代表声光调制器的移频频率，γ代表扫频速度，τ代表反射光和参考光路径的延时差，R代表反射点的反射率，A₀₁、A₀₂分别对应0阶梳齿移频前和移频后的强度；A₁₁、A₁₂分别对应1阶梳齿移频前和移频后的强度；

步骤S5中，最终的拍频信号为：

其中，f_τ＝γτ表示拍频信号的频率，R表示反射点的反射率，A₀₁、A₀₂、A₁₁、A₁₂均代表光强度。

2.根据权利要求1所述的一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，其特征在于，步骤S1中，所述探测光与所述参考光的比例为90:10。

3.根据权利要求1所述的一种基于双外差混频的调频连续波激光雷达测距方法，其特征在于，步骤S1中，所述相位调制器设有多个，多个所述相位调制器依次级联于所述激光器的输出端。

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