CN111999739A - 相位调制测距测速相干激光雷达方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位调制测距测速相干激光雷达方法及装置，输出光束经第一分束器分为本振光束和发射光束；发射光束传输至第二分束器分为探测光束和参考光束，将探测光束发射至目标并接收回波光束；本振光束经过第三分束器分为本振一光束和本振二光束；本振一光束和回波光束进行相干光混频并得到第一采样数据；本振二光束和参考光束进行相干光混频并得到第二采样数据，使用现场可编程门阵列对第一采样数据和第二采样数据分别进行处理获得回波相位序列和参考相位序列；对回波相位序列和参考相位序列进行处理分别得到目标的运动矢量速度和距离。本发明能够降低激光雷达的硬件的要求，实现高分辨率、高精度测距测速，而且整体系统小型化，运行容易。

Description

相位调制测距测速相干激光雷达方法及装置

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种相位调制测距测速相干激光雷达方法及装置。

背景技术

激光雷达不仅可以高精度、高准确度地获取目标的距离、速度等信息，而且可以实现远距离目标3D高分辨成像，在测绘、导航等领域具有重要作用。根据发射信号不同，激光雷达可以分为两大类：脉冲激光雷达和连续波激光雷达。

脉冲激光雷达采用脉冲光信号作为探测信号，通过精确测量反射光脉冲飞行时间，获取目标距离信息。脉冲激光雷达采用直接探测体制，分辨率相对较低，为了提高距离分辨率，需要使用低时延抖动的短脉冲以及超快光电子器件等，无法进行独立的多普勒测速，较高的脉冲功率也对器件性能和人眼安全性提出了要求。

连续波激光雷达采用连续光信号作为探测信号，具有峰值功率低，分辨率高等特点。连续波激光雷达又可分为相位式激光雷达、伪随机码调制激光雷达和调频连续波激光雷达。相位式激光雷达基于相位激光测距技术，采用单频信号调制激光，通过对反射光信号进行鉴相，最终获得目标距离信息。该方法的缺点是存在测相误差，并且测相误差随着调制信号频率的减小而增大，因此增大测量距离与提高精度之间相互矛盾。为了实现长距离且高精度的测量，可同时使用几个不同的调制信号频率，即使用几个不同的测尺，最短的测尺用来保证测量的精度，最长的测尺保证测距量程，造成系统比较复杂，而且不具备多普勒测速能力。伪随机码调制激光雷达用伪随机码调制码调制激光雷达发射的幅度或相位，接收端使用接收信号与调制伪随机码求相关函数的方法实现目标距离的测量，能够在宽脉宽情况下获得较高的距离分辨率。但是伪随机码调制激光雷达的距离分辨率与发射信号带宽成反比，发射信号带宽越大，距离分辨率越高，这就对接收硬件提出了很高要求。此外，伪随机码的调制过程使得回波信号只有在“1”码的位置是连续的正弦波，所以无法对多普勒信号进行等间隔采样，也就无法直接采用快速傅里叶变换进行频谱分析。调频连续波激光雷达对发射激光的频率进行线性调制，回波信号与本振信号进行相干接收，通过获取外差频率实现目标的距离测量，通过波形调制可以实现多普勒速度测量。调频连续波激光雷达的优势在于激光器工作在宽脉宽、低峰值功率状态下，可大大提高脉冲重复探测频率，从而提高空间分辨率；另外，采用相干探测可获得更高的灵敏度。但是受激光器硬件条件的限制，成本很高，脉冲重复频率受限，而且调频非线性依然是一个未解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于，提供相位调制测距测速相干激光雷达方法及装置。本发明能够降低对激光光源和探测接收等硬件的要求，实现高分辨率、高精度测距和测速，而且整体系统小型化，运行容易，在车载、机载和星载激光雷达测距测速领域具有良好的发展前景。

本发明的技术方案：相位调制测距测速相干激光雷达方法，雷达平台中窄线宽单频连续激光光源产生输出光束起偏后经第一分束器分为本振光束和发射光束；发射光束经过相位调制后放大再传输至第二分束器分为探测光束和参考光束，将探测光束发射至目标并接收携带了目标距离和运动多普勒信息的回波光束；本振光束经过第三分束器分为本振一光束和本振二光束；本振一光束和回波光束通过第一光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得第一中频信号，对第一中频信号进行采样处理得到第一采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的第一采样数据进行反正切解相和解包裹运算获得包含目标距离和速度的回波相位序列；本振二光束和参考光束通过第二光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得第二中频信号，对第二中频信号进行采样处理得到第二采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的第二采样数据进行反正切解相和解包裹运算获得参考相位序列；将回波相位序列经过解斜处理和正交相位解调处理；将参考相位序列经过正交相位解调处理；然后将处理后的回波相位序列和参考相位序列进行相位差分处理，最终得到目标的运动矢量速度和距离。

上述的相位调制测距测速相干激光雷达方法，所述雷达平台中激光光源产生未经调制的单频单模连续相干激光作为输出光束，经起偏器起偏，提高偏振度，表示为：

E₀(t)＝E₀exp[j2πf₀t+jφ_N0+jφ₀]；

式中，f₀为激光光源的频率；φ₀为输出光束初始相位；φ_N0为输出光束的噪声相位；E₀是输出光束振幅，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数。

前述的相位调制测距测速相干激光雷达方法，所述输出光束经过第一分束器分束后，小部分能量作为本振光束，本振光束再经过第三分束器分束成相同的本振一光束和本振二光束，将本振一光束和本振二光束的光场统一表示为：

E_LO(t)＝E_LOexp[j2πf₀t+jφ_LO+jφ₀]；

式中，E_LO是本振光束振幅，φ_LO是本振光束的噪声相位；f₀为激光光源的频率，φ₀为输出光束初始相位，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数；

大部分能量作为发射光束，发射光束经过相位调制后变为：

E_M(t)＝E₀exp{j2πf₀t+jAcos[2πf_EOMt+φ_N-EOM(t)+φ_0-EOM]+jφ_N+jφ₀}；

式中，f_EOM为相位调制器的调制频率；φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位；φ_0-EOM为调制信号的初始相位，A为调相系数，E₀是输出光束振幅，f₀为激光光源的频率，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数，φ₀为输出光束初始相位；φ_N为输出光束的噪声相位。

前述的相位调制测距测速相干激光雷达方法，所述发射光束相位调制后经过激光放大再通过第二分束器分束，发射光束中的小部分的能量作为参考光束，大部分能量作为探测光束；

参考光束表示为：

式中：时间延迟

L₀是参考光束单程的传输光程，E_S-r为参考光束的振幅，c为光速，φ_{N_r}为参考光束的噪声相位；

探测光束经过光学环形器、光学扫描器和光学望远镜发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束表示为：

其中，E_S是回波光束振幅，φ_S是回波光束的噪声相位；回波光束时间延迟

L是目标单程的传输光程，c为光速，V是目标相对于雷达平台的径向速度，φ_{N_s}为探测光路接收噪声相位，φ_0-EOM为调制信号的初始相位，φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位；

目标的回波光束和本振一光束合束后的光场表示为：

经过2×4 90°第一光学桥接器混频后的四路输出分别为：

式中，I_S是和回波光束有关的直流量；I_LO是和本振光束有关的直流量；对于远距离探测，

因此采用先求均值再差分的方法予以消除；得到

f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频率；

参考光束和本振二光束合束后的光场表示为：

经过2×4 90°第二光学桥接器混频后的四路输出分别为：

式中，I_{S_r}是和参考光束有关的直流量；I_LO是和本振光束有关的直流量；由于

采用先求均值再差分的方法予以消除；

通过外触发电路实现第一光学桥接器和第二光学桥接器输出的同步接收；

第一光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由第一光电平衡探测器进行接收，获得第一中频信号，第一光电平衡探测器输出的第一中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

式中：k_in是接收同相信号的第一光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的第一光电平衡探测器响应率；

若接收同相信号和正交信号的第一光电探测器响应率保持一致则第一中频信号中同相信号和正交信号分别经过模数转换，再由现场可编程门阵列采集，通过反正切解相可得：

再经过解包裹算法重建目标的回波相位序列，由于φ_{N_S}-φ_LO是缓变量，在一个序列持续时间内可以视为直流量，因此通过高通滤波予以消除，得到：

第二光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由第二光电平衡探测器进行接收，获得第二中频信号，第二光电平衡探测器输出的第二中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

式中：k_in是接收同相信号的第二光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的第二光电平衡探测器响应率；

若接收同相信号和正交信号的第二光电探测器响应率保持一致则第二中频信号中同相信号和正交信号分别经过模数转换，再由现场可编程门阵列采集，通过反正切解相可得：

再经过解包裹算法重建参考相位序列，由于φ_{N_r}-φ_LO是缓变量，在一个序列持续时间内可以视为直流量，因此通过高通滤波予以消除，因此可得：

前述的相位调制测距测速相干激光雷达方法，将回波相位序列经过解斜处理和正交相位解调处理；将参考相位序列经过正交相位解调处理；然后将处理后回波相位序列和参考相位信息进行相位差分处理，最终分别得到目标的运动矢量速度和距离，具体是：

首先对回波相位序列

进行解斜，求出斜率K，可得多普勒频率：

由于多普勒频率大小和雷达平台与目标相对运动的径向速度大小成正比，多普勒频率正负和雷达平台与目标相对运动的径向速度的方向有关，正频率代表雷达平台与目标相向运动，负频率代表雷达平台与目标相背运动；因此，目标相对于雷达平台相对目标的径向速度 V表示为：

式中：λ₀是激光波长；

通过求得斜率K的大小和正负，得到雷达平台相对目标的径向速度V的大小和方向；

再经过去斜处理以后，消除线性项，可得：

式中：A为调相系数，f_EOM为相位调制器的调制频率，t是时间， L是目标单程的传输光程，c为光速，φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位，φ_0-EOM为调制信号的初始相位；

然后分别对回波相位序列

和参考相位序列

进行正交解调处理：

在回波相位序列

的正交解调处理中，将

与调制信号cos[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得同相基带信号

然后，将

与调制信号sin[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得正交基带信号

最后，经过反正切解相可得：

在参考相位序列

的正交解调处理中，将

与调制信号cos[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得同相基带信号

然后，将

与调制信号sin[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得正交基带信号

最后，经过反正切解相可得：

通过正交解相分别获得

和

后，取差分

式中：L₀是参考光束单程的传输光程； L是目标单程的传输光程，由于调制信号的噪声相位φ_N-EOM(t)和φ_0-EOM通过差分予以消除，最终得到激光雷达发射端与目标点的距离R表示为：

式中：c为光速，f_EOM为相位调制器的调制频率；

距离分辨率表示为：

式中：

是差分解相分辨率。

实现如前述的相位调制测距测速相干激光雷达方法的装置，包括线性调频连续波激光光源，所述线性调频连续波激光光源的输出端依次连接有起偏器和第一分束器，所述第一分束器连接有相位调制器和第三分束器；所述相位调制器的输出端依次连有激光放大器和第二分束器；所述第二分束器的输出端依次连接有光学环形器、光学扫描器和光学望远镜；

所述第三分束器和光学环形器一同连接有第一光学桥接器，第一光学桥接器经第一光电平衡探测器连接有第一模数转换器；

所述第二分束器和第三分束器一同连接有第二光学桥接器，第二光学桥接器经第二光电平衡探测器连接有第二模数转换器；

所述第一模数转换器和第二模数转换器一同连接有现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列的输出端连接有主控计算机；所述主控计算机连接有外触发电路，外触发电路经射频驱动器与相位调制器连接；所述外触发电路分别与第一模数转换器和第二模数转换器连接；所述主控计算机还与光学扫描器连接。

与现有技术相比，本发明通过雷达平台中线性调频连续波激光光源产生输出光束起偏后经第一分束器分为本振光束和发射光束；发射光束经过相位调制后放大再传输至第二分束器分为探测光束和参考光束，将探测光束发射至目标并接收携带了目标距离和运动多普勒信息的回波光束；本振光束经过第三分束器分为本振一光束和本振二光束；本振一光束和回波光束通过第一光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得第一中频信号，对第一中频信号进行采样处理得到第一采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的第一采样数据进行反正切解相和解包裹运算获得包含目标距离和速度的回波相位序列；本振二光束和参考光束通过第二光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得第二中频信号，对第二中频信号进行采样处理得到第二采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的第二采样数据进行反正切解相和解包裹运算获得参考相位序列；将回波相位序列经过解斜处理和正交相位解调处理；将参考相位序列经过正交相位解调处理；然后将处理后的回波相位序列和参考相位序列进行相位差分处理，最终得到目标的运动矢量速度和距离。相比传统的相位测距，本发明测距分辨率取决于差分解相分辨率和调制频率，因此可以通过提高解差分相分辨率或者增大调制频率来提高测距分辨率，从而能够降低对激光光源和探测接收等硬件的要求，避免了调频连续波技术对激光光源调制线性度的依赖，实现远距离目标的相干测距和测速，而且本发明采用两路光束的差分解相处理，因此差分解相处理后可以大大降低解相误差，提高解相精度，相应的也大大提高了测距精度；本发明能够不依赖距离测量，独立获取目标的多普勒频率，从而可以获得雷达平台相对目标的径向速度的大小和方向，因此本发明有利于集成小型化，降低了系统的复杂性，减小了整体装置的体积，从而具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度等优点。本发明在车载、机载和星载激光雷达领域具有良好的发展前景。

附图说明

图1是相位调制测距测速相干激光雷达结构示意图。

图2是回波相位序列解斜处理示意图。

附图中的标记为：

1、激光光源；2、起偏器；3、第一分束器；4、相位调制器；5、第三分束器；6、激光放大器；7、第二分束器；8、光学环形器；9、光学扫描器；10、光学望远镜；11、第一光学桥接器；12、第一光电平衡探测器；13、第一模数转换器；14、第二光学桥接器；15、第二光电平衡探测器；16、第二模数转换器；17、现场可编程门阵列；18、主控计算机；19、外触发电路；20、射频驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：相位调制测距测速相干激光雷达方法，雷达平台中窄线宽单频单模连续激光光源产生输出光束起偏后经第一分束器分为本振光束和发射光束；发射光束经过相位调制后放大再传输至第二分束器分为探测光束和参考光束，将探测光束发射至目标并接收携带了目标距离和运动多普勒信息的回波光束；本振光束经过第三分束器分为本振一光束和本振二光束；本振一光束和回波光束通过第一光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得第一中频信号，对第一中频信号进行采样处理得到第一采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的第一采样数据进行反正切解相和解包裹运算获得包含目标距离和速度的回波相位序列；本振二光束和参考光束通过第二光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得第二中频信号，对第二中频信号进行采样处理得到第二采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的第二采样数据进行反正切解相和解包裹运算获得参考相位序列；将回波相位序列经过解斜处理和正交相位解调处理；将参考相位序列经过正交相位解调处理；然后将处理后的回波相位序列和参考相位序列进行相位差分处理，最终得到目标的运动矢量速度和距离。

实现上述方法的装置，如图1所示，包括激光光源1，所述线性调频连续波激光光源1的输出端依次连接有起偏器2和第一分束器 3，所述第一分束器3连接有相位调制器4和第三分束器5；所述相位调制器4的输出端依次连有激光放大器6和第二分束器7；所述第二分束器7的输出端依次连接有光学环形器8、光学扫描器9和光学望远镜10；

所述第三分束器5和光学环形器8一同连接有第一光学桥接器 11，第一光学桥接器11经第一光电平衡探测器12连接有第一模数转换器13；

所述第二分束器7和第三分束器5一同连接有第二光学桥接器 14，第二光学桥接器14经第二光电平衡探测器15连接有第二模数转换器16；

所述第一模数转换器13和第二模数转换器16一同连接有现场可编程门阵列17，所述现场可编程门阵列17的输出端连接有主控计算机18；所述主控计算机18连接有外触发电路19，外触发电路19经射频驱动器20与相位调制器4连接；所述外触发电路19分别与第一模数转换器13和第二模数转换器16连接；所述主控计算机18还与光学扫描器9连接。

实施例2：相位调制测距测速相干激光雷达方法，如图1所示，包括激光光源1，采用人眼安全的1550nm单模窄线宽单模连续光纤激光器，激光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护；激光光源产生未经调制的单频单模连续相干激光作为输出光束，经起偏器2起偏，提高偏振度，确保偏振消光比大于25dB，表示为：

E₀(t)＝E₀exp[j2πf₀t+jφ_N0+jφ₀]；

式中，f₀为激光光源的频率；φ₀为输出光束初始相位；φ_N0为输出光束的噪声相位；E0是输出光束振幅，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数。

所述输出光束经过第一分束器3分束后，小部分能量作为本振光束，本振光束再经过第三分束器分束成相同的本振一光束和本振二光束，这里将本振一光束和本振二光束的光场统一表示为：

E_LO(t)＝E_LOexp[j2πf₀t+jφ_LO+jφ₀]；

式中，E_LO是本振光束振幅，φ_LO是本振光束的噪声相位；f₀为激光光源的频率，φ₀为输出光束初始相位，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数；

大部分能量作为发射光束，发射光束首先经过由射频驱动器20 驱动的相位调制器4，采用正弦调制，调制速率100MHz/s，变为：

E_M(t)＝E₀exp{j2πf₀t+jAcos[2πf_EOMt+φ_N-EOM(t)+φ_0-EOM]+jφ_N+jφ₀}，

式中，f_EOM为相位调制器的调制频率；φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位；φ_0-EOM为调制信号的初始相位，A为调相系数，E0是输出光束振幅，f₀为激光光源的频率，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数，φ₀为输出光束初始相位；φ_N为输出光束的噪声相位；

所述发射光束相位调制后经过激光放大器6(掺铒光纤放大器) 放大，放大至350mW，再通过第二分束器8分束，发射光束中的小部分的能量作为参考光束，参考光束约为1mW，大部分能量作为探测光束，探测光束约为300mW；

参考光束表示为：

式中：时间延迟

L₀是参考光束单程的传输光程，E_S-r为参考光束的振幅，c为光速，φ_{N_r}为参考光束的噪声相位；

探测光束经过光学环形器8(光纤三端口环形器)、光学扫描器 9和光学望远镜10发射至目标，并由光学望远镜10接收目标的回波光束，回波光束表示为：

上式的相位项中包含了目标的速度和距离信息，考虑在一个微秒量级测量周期内可以认为目标基本为匀速运动，目标距离为定值，可以消除目标距离变化引起的相位变化。其中，E_S是回波光束振幅，φ_S是回波光束的噪声相位；回波信号时间延迟

L是目标单程的传输光程，c为光速，V是目标相对于雷达平台的径向速度，φ_{N_s}为探测光路接收噪声相位，φ_0-EOM为调制信号的初始相位，φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位；

目标的回波光束和本振一光束合束后的光场表示为：

经过2×490°第一光学桥接器混频后的四路输出分别为：

式中，I_S是和回波光束有关的直流量；I_LO是和本振光束有关的直流量，对于远距离探测，

可以采用先求均值再差分的方法予以消除；

这里也予以消除；得到

f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频率；

参考光束和本振二光束合束后的光场表示为：

经过2×490°第二光学桥接器14混频后的四路输出分别为：

式中，I_{S_r}是和参考光束有关的直流量；I_LO是和本振光束有关的直流量；由于

采用先求均值再差分的方法予以消除；

通过外触发电路19实现第一光学桥接器11和第二光学桥接器 14输出的同步接收；

第一光学桥接器11输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由第一光电平衡探测器12(带宽100MHz，交流耦合)进行接收，获得第一中频信号，第一光电平衡探测器12输出的第一中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

式中：k_in是接收同相信号的第一光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的第一光电平衡探测器响应率；

若接收同相信号和正交信号的第一光电探测器响应率保持一致则第一中频信号中同相信号和正交信号分别经过第一模数转换器13 模数转换，再由现场可编程门阵列17采集，通过反正切解相可得：

再经过解包裹算法就可以重建目标的回波相位序列，由于φ_{N_S}-φ_LO是缓变量，在一个序列持续时间内可以视为直流量，因此通过高通滤波予以消除，因此可得：

第二光学桥接器14输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由第二光电平衡探测器15(带宽100MHz，交流耦合)进行接收，获得第二中频信号，第二光电平衡探测器15输出的第二中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

式中：k_in是接收同相信号的第二光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的第二光电平衡探测器响应率；

若接收同相信号和正交信号的第二光电探测器15响应率保持一致，则第二中频信号中同相信号和正交信号分别经过第二模数转换器 16模数转换，再由现场可编程门阵列17采集，通过反正切解相可得：

再经过解包裹算法就可以重建参考相位序列，由于φ_{N_r}-φ_LO是缓变量，在一个序列持续时间内可以视为直流量，因此通过高通滤波予以消除，因此可得：

在主控计算机18中将回波相位序列先后经过解斜处理、正交相位解调处理，参考相位序列经过正交相位解调处理，以及两部分的相位差分处理，最终分别得到目标的运动矢量速度和距离。具体是：

首先对回波相位序列

进行解斜，求出斜率K，可得多普勒频率：

由于多普勒频率大小和雷达平台与目标相对运动的径向速度大小成正比，多普勒频率正负和雷达平台与目标相对运动的径向速度的方向有关，正频率代表雷达平台与目标相向运动，负频率代表雷达平台与目标相背运动；因此，目标相对于雷达平台相对目标的径向速度 V表示为：

式中：λ₀是激光波长；

通过求得斜率K的大小和正负，得到雷达平台相对目标的径向速度V的大小和方向；

再经过去斜处理以后，消除线性项，可得：

式中：A为调相系数，f_EOM为相位调制器的调制频率，t是时间，L是目标单程的传输光程，c为光速，φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位，φ_0-EOM为调制信号的初始相位；

然后分别对回波相位序列

和参考相位序列

进行正交解调处理：

在回波相位序列

的正交解调处理中，将

与调制信号cos[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得同相基带信号

然后，将

与调制信号sin[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得正交基带信号

最后，经过反正切解相可得：

在参考相位序列

的正交解调处理中，将

与调制信号cos[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得同相基带信号

然后，将

与调制信号sin[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得正交基带信号

最后，经过反正切解相可得：

通过正交解相分别获得

和

后，取差分

式中：L₀是参考光路单程的传输光程；

考虑调制信号的噪声相位φ_N-EOM(t)和φ_0-EOM可以通过差分予以消除；

最终得到激光雷达发射端与目标点的距离R可以表示为：

式中：c为光速，f_EOM为相位调制器的调制频率；

距离分辨率表示为：

式中：

是差分解相分辨率。

本实施例中，发射序列长度为1000个正弦周期，10μs，重复频率为100kHz，差分解相精度达到10mrad，测距分辨率可以达到 2.38mm。

综上所述，本发明测距分辨率取决于差分解相分辨率和调制频率，因此可以通过提高解差分相分辨率或者增大调制频率来提高测距分辨率，从而能够降低对激光光源和探测接收等硬件的要求，避免了调频连续波技术对激光光源调制线性度的依赖，实现远距离目标的相干测距和测速；而且本发明采用两路光束的差分解相处理，因此差分解相处理后可以大大降低解相误差，提高解相精度，相应的也大大提高了测距精度；本发明能够不依赖距离测量，独立获取目标的多普勒频率，从而可以获得雷达平台相对目标的径向速度的大小和方向，而且本发明有利于集成小型化，降低了系统的复杂性，减小了整体装置的体积，从而具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度等优点。本发明在车载、机载和星载激光雷达领域具有良好的发展前景。

Claims (6)

1.相位调制测距测速相干激光雷达方法，其特征在于：雷达平台中窄线宽单频连续激光光源产生输出光束起偏后经第一分束器分为本振光束和发射光束；发射光束经过相位调制后放大再传输至第二分束器分为探测光束和参考光束，将探测光束发射至目标并接收携带了目标距离和运动多普勒信息的回波光束；本振光束经过第三分束器分为本振一光束和本振二光束；本振一光束和回波光束通过第一光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得第一中频信号，对第一中频信号进行采样处理得到第一采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的第一采样数据进行反正切解相和解包裹运算获得包含目标距离和速度的回波相位序列；本振二光束和参考光束通过第二光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得第二中频信号，对第二中频信号进行采样处理得到第二采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的第二采样数据进行反正切解相和解包裹运算获得参考相位序列；将回波相位序列经过解斜处理和正交相位解调处理；将参考相位序列经过正交相位解调处理；然后将处理后的回波相位序列和参考相位序列进行相位差分处理，最终得到目标的运动矢量速度和距离。

2.根据权利要求1所述的相位调制测距测速相干激光雷达方法，其特征在于：所述雷达平台中激光光源产生未经调制的单频单模连续相干激光作为输出光束，经起偏器起偏，提高偏振度，表示为：

E₀(t)＝E₀ exp[j2πf₀t+jφ_N0+jφ₀]；

式中，f₀为激光光源的频率；φ₀为输出光束初始相位；φ_N0为输出光束的噪声相位；E₀是输出光束振幅，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数。

3.根据权利要求1所述的相位调制测距测速相干激光雷达方法，其特征在于：所述输出光束经过第一分束器分束后，小部分能量作为本振光束，本振光束再经过第三分束器分束成相同的本振一光束和本振二光束，将本振一光束和本振二光束的光场统一表示为：

E_LO(t)＝E_LO exp[j2πf₀t+jφ_LO+jφ₀]；

式中，E_LO是本振光束振幅，φ_LO是本振光束的噪声相位；f₀为激光光源的频率，φ₀为输出光束初始相位，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数；

大部分能量作为发射光束，发射光束经过相位调制后变为：

E_M(t)＝E₀ exp{j2πf₀t+jAcos[2πf_EOMt+φ_N-EOM(t)+φ_0-EOM]+jφ_N+jφ₀}；

式中，f_EOM为相位调制器的调制频率；φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位；φ_0-EOM为调制信号的初始相位，A为调相系数，E₀是输出光束振幅，f₀为激光光源的频率，t是时间，

exp是以自然常数e为底的指数函数，φ₀为输出光束初始相位；φ_N为输出光束的噪声相位。

4.根据权利要求3所述的相位调制测距测速相干激光雷达方法，其特征在于：所述发射光束相位调制后经过激光放大再通过第二分束器分束，发射光束中的小部分的能量作为参考光束，大部分能量作为探测光束；

参考光束表示为：

式中：时间延迟

L₀是参考光束单程的传输光程，E_S-r为参考光束的振幅，c为光速，φ_{N_r}为参考光束的噪声相位；

探测光束经过光学环形器、光学扫描器和光学望远镜发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束表示为：

其中，E_S是回波光束振幅，φ_S是回波光束的噪声相位；回波光束时间延迟

L是目标单程的传输光程，c为光速，V是目标相对于雷达平台的径向速度，φ_{N_s}为探测光路接收噪声相位，φ_0-EOM为调制信号的初始相位，φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位；

目标的回波光束和本振一光束合束后的光场表示为：

经过2×490°第一光学桥接器混频后的四路输出分别为：

式中，I_S是和回波光束有关的直流量；I_LO是和本振光束有关的直流量；对于远距离探测，

因此采用先求均值再差分的方法予以消除；得到

f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频率；

参考光束和本振二光束合束后的光场表示为：

经过2×490°第二光学桥接器混频后的四路输出分别为：

式中，I_{S_r}是和参考光束有关的直流量；I_LO是和本振光束有关的直流量；由于

采用先求均值再差分的方法予以消除；

通过外触发电路实现第一光学桥接器和第二光学桥接器输出的同步接收；

第一光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由第一光电平衡探测器进行接收，获得第一中频信号，第一光电平衡探测器输出的第一中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

式中：k_in是接收同相信号的第一光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的第一光电平衡探测器响应率；

若接收同相信号和正交信号的第一光电探测器响应率保持一致则第一中频信号中同相信号和正交信号分别经过模数转换，再由现场可编程门阵列采集，通过反正切解相可得：

再经过解包裹算法重建目标的回波相位序列，由于φ_{N_S}-φ_LO是缓变量，在一个序列持续时间内可以视为直流量，因此通过高通滤波予以消除，得到：

第二光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由第二光电平衡探测器进行接收，获得第二中频信号，第二光电平衡探测器输出的第二中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

式中：k_in是接收同相信号的第二光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的第二光电平衡探测器响应率；

若接收同相信号和正交信号的第二光电探测器响应率保持一致则第二中频信号中同相信号和正交信号分别经过模数转换，再由现场可编程门阵列采集，通过反正切解相可得：

再经过解包裹算法重建参考相位序列，由于φ_{N_r}-φ_LO是缓变量，在一个序列持续时间内可以视为直流量，因此通过高通滤波予以消除，因此可得：

5.根据权利要求1所述的相位调制测距测速相干激光雷达方法，其特征在于：将回波相位序列经过解斜处理和正交相位解调处理；将参考相位序列经过正交相位解调处理；然后将处理后回波相位序列和参考相位信息进行相位差分处理，最终分别得到目标的运动矢量速度和距离，具体是：

首先对回波相位序列

进行解斜，求出斜率K，可得多普勒频率：

由于多普勒频率大小和雷达平台与目标相对运动的径向速度大小成正比，多普勒频率正负和雷达平台与目标相对运动的径向速度的方向有关，正频率代表雷达平台与目标相向运动，负频率代表雷达平台与目标相背运动；因此，目标相对于雷达平台相对目标的径向速度V表示为：

式中：λ₀是激光波长；

通过求得斜率K的大小和正负，得到雷达平台相对目标的径向速度V的大小和方向；

再经过去斜处理以后，消除线性项，可得：

式中：A为调相系数，f_EOM为相位调制器的调制频率，t是时间，L是目标单程的传输光程，c为光速，φ_N-EOM(t)为调制信号的噪声相位，φ_0-EOM为调制信号的初始相位；

然后分别对回波相位序列

和参考相位序列

进行正交解调处理：

在回波相位序列

的正交解调处理中，首先将

与调制信号cos[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得同相基带信号

然后，将

与调制信号sin[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得正交基带信号

最后，经过反正切解相可得：

在参考相位序列

的正交解调处理中，首先将

与调制信号cos[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得同相基带信号

然后，将

与调制信号sin[2πf_EOMt]相乘，可得：

对其进行低通滤波后可得正交基带信号

最后，经过反正切解相可得：

通过正交解相分别获得

和

后，取差分

式中：L₀是参考光束单程的传输光程；L是目标单程的传输光程，由于调制信号的噪声相位φ_N-EOM(t)和φ_0-EOM通过差分予以消除，最终得到激光雷达发射端与目标点的距离R表示为：

式中：c为光速，f_EOM为相位调制器的调制频率；

距离分辨率表示为：

式中：

是差分解相分辨率。

6.实现如权利要求1-5任一项所述的相位调制测距测速相干激光雷达方法的装置，其特征在于：包括激光光源(1)，所述线性调频连续波激光光源(1)的输出端依次连接有起偏器(2)和第一分束器(3)，所述第一分束器(3)连接有相位调制器(4)和第三分束器(5)；所述相位调制器(4)的输出端依次连有激光放大器(6)和第二分束器(7)；所述第二分束器(7)的输出端依次连接有光学环形器(8)、光学扫描器(9)和光学望远镜(10)；

所述第三分束器(5)和光学环形器(8)一同连接有第一光学桥接器(11)，第一光学桥接器(11)经第一光电平衡探测器(12)连接有第一模数转换器(13)；

所述第二分束器(7)和第三分束器(5)一同连接有第二光学桥接器(14)，第二光学桥接器(14)经第二光电平衡探测器(15)连接有第二模数转换器(16)；

所述第一模数转换器(13)和第二模数转换器(16)一同连接有现场可编程门阵列(17)，所述现场可编程门阵列(17)的输出端连接有主控计算机(18)；所述主控计算机(18)连接有外触发电路(19)，外触发电路(19)经射频驱动器(20)与相位调制器(4)连接；所述外触发电路(19)分别与第一模数转换器(13)和第二模数转换器(16)连接；所述主控计算机(18)还与光学扫描器(9)连接。

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