啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统

摘要

本发明公开了一种啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统，它应用于激光雷达系统。本发明的零差探测系统由激光器(1)、电光调制器(2)、啁啾信号源(3)、光纤分束器(4)、发射准直镜(5)、偏振分束镜(6)、λ/4波片(7)、望远镜(8)、接收准直镜(9)、第一偏振分束器(10)、第二偏振分束器(11)、耦合器(12)、平衡探测器(13)、数据采集和处理单元(14)构成。本发明的啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统是基于啁啾调幅、采用零差相干探测和平衡探测技术，本系统能同时得到目标的距离和速度信息，优点是结构简单，探测灵敏度高，测距测速精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，具体指一种啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统。

背景技术

现行的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，但只能得出激光能量的变化。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，在大型相干激光雷达以及激光多普勒雷达中得到应用。

由激光雷达的理论可知，在功率受限的情况下，要实现远的探测距离，则要求大的脉冲时宽，而要实现高的探测精度，则需要大的带宽，简单脉冲时宽带宽乘积接近于1，时宽与带宽相互关联，不能同时增大时宽与带宽。也就是说，对这种恒定波长的简单激光脉冲，最大作用距离以及测速分辨率与距离分辨率存在着不可调和的矛盾。为解决这一矛盾，发射信号必须采用具有大时宽与带宽的复杂信号形式。

要得到大时宽与带宽的发射信号，需使用复杂的调制波形。应用较多的有三种：线性调频、非线性调频和相位编码。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，所以其应用最广。

将大时宽带宽微波雷达的思想引入激光雷达，于是出现了一些激光雷达的新体制，包括线性调频连续波(LFMCW)激光雷达、伪随机码调相激光雷达以及啁啾信号调幅激光雷达等。

对激光调频与调相的探测都需要使用激光的相干探测，需要连续的本振光信号，因此前两种体制的激光雷达一般使用连续波激光器，或者使用MOPA结构(Master Oscillator Power Amplifier)，即小功率的连续波激光器作为本振，其余部分经调制与光放大器放大后发射，光放大器输出可为连续波或脉冲信号。啁啾调幅激光雷达则可使用直接探测或相干探测。

德国西门子公司与GhK-Kassel大学合作开展了基于分布反馈双波导型半导体激光器(DFB-TTG-Laser)的啁啾调频短距离测量系统。通过在激光器调频区注入电流进行激光器调频，使用Mach-Zehnder调制器进行调频非线性的补偿，达到了毫米级精度。

哈尔滨工业大学与电子科技大学从九十年代开始了基于二氧化碳激光器的啁啾调频脉冲压缩雷达的研究，使用声表面波(SAW)色散延时线产生啁啾信号用于调制声光移频器，并使用对应的SAW器件进行脉冲压缩。此外，还进行了利用数字信号处理完成脉冲压缩的探索。北京理工大学开展了基于1064nm的Nd:YAG环形激光器以及声光移频器的LFMCW激光雷达研究。使用两级声光移频器串联，每级移频带宽40MHz，合计80MHz。两级声光移频器串联补偿在不同移频频率时衍射光出射角度的变化。

美国陆军实验室(ARL)使用啁啾信号直接调制DFB半导体激光器输出强度，后使用光纤放大器放大输出功率到5.5W。使用电子轰击有源像素传感器(EBAPS)配合CMOS相机，实现三维成像，其中EBAPS的增益由原始啁啾信号控制，从而实现啁啾信号混频。此外，还对利用32*32元MSM(Metal-Semiconductor-Metal)面阵探测器进行了三维成像实验，MSM探测器的增益由原始啁啾信号控制。此外，ARL还利用这此系统进行了目标速度与振动的探测研究。

2005年，美国NASA Langley Research Center报道研制出了高精度的测距测速激光相干雷达，采用频率调制和全光纤结构，并利用该雷达系统在加利福利亚州进行了多次实验，经实验验证，该雷达系统可以精确测量到目标的距离，以及垂直方向的相对速度。

发明内容

本发明的目的是在现有相干探测激光雷达技术上，提出一种能同时测量目标距离和速度信息的零差探测激光雷达系统，采用数字频率合成(DDS)技术产生啁啾信号源，通过电光调制器对激光进行啁啾调幅，调制后的信号通过分束器分为两部分，一部分作为本振，一部分作为发射光，发射光通过望远镜发射到目标，本振和望远镜接收到的回波信号在平衡光电探测器中进行光相干和平衡探测，得出距离-多普勒信息。

啁啾调幅利用线性调频信号(啁啾信号)去调制激光雷达发射激光的幅度。对于调幅体制，载波的能量占很大部分，例如调制深度为100％时，已调信号的能量只占1/3，可以用来测距，未调制的载波信号却可用于多普勒测速。当接收到回波信号时，未调制的激光信号中引入了由目标运动所产生的多普勒频移f_d，通过本振和回波在探测器上的相干，可以得到本振和回波的差频，也即多普勒频移f_d，进而速度：

$v=\frac{\lambda f_d}{2}---\left(1\right)$

λ为激光的波长，因此可以得到目标在激光视线方向的速度。

已调制的信号经发射后，回波啁啾信号与同原始无延迟啁啾信号之间存在一个固定延时，由于啁啾信号为线性调频信号，频率随时间线性变化，因此通过相干后，固定的延时转换为固定的频差，通过检测频差，就可以得到从而得到回波延时，进而得到目标距离。啁啾信号的频率表达式为(锯齿波，即在单周期内频率只随时间线性上升)：

$f\left(t\right)=f_c+\frac{B}{T}t(-\frac{T}{2}\le t\le \frac{T}{2})---\left(2\right)$

f_c为啁啾信号的中心频率，B为啁啾信号的带宽，T为啁啾信号频率变化的周期。则原始的啁啾信号为：

$v\left(t\right)=\cos \left\{2\pi \right[\int f\left(t\right)\mathrm{dt}\left]\right\}=\cos [2\pi (f_{c}t+B\frac{t^2}{2T})+\phi ]---\left(3\right)$

经过一段距离，延时τ后的啁啾信号为：

$v(t-\tau )=\cos \left\{2\pi \right[f_c(t-\tau )+B\frac{{(t-\tau )}^2}{2T}]+\phi \}---\left(4\right)$

延时的啁啾信号与原始啁啾信号混频后通过低通滤波可得到两信号的差频：

$v_x\left(t\right)=\frac{1}{2}\cos (\frac{2\mathrm{\pi B\tau t}}{T}+2\pi f_c\tau -\frac{\mathrm{\pi B}{\tau }^2}{T})---\left(5\right)$

由上式可见，v_x(t)是一个余弦函数，v_x的频率即啁啾差频f_x同延迟时间τ成正比。v_x的频率为f_x＝τB/T，对于频率按三角波变化的啁啾信号(即在一个周期内，前半个周期频率随时间线性上升，后半个周期频率随时间线性下降)，f_x＝2τB/T。如图1所示。

经过调制后的激光信号通过分束器分成本振信号和发射信号，本振信号表达式为：

$e_L\left(t\right)=A_L\{1+m\cos [2\pi (f_{c}t+\frac{{\mathrm{Bt}}^2}{2T})\left]\right\}\cos \left(2\pi f_{0}t\right)---\left(6\right)$

发射信号被运动目标反射后的回波信号表达式为：

$e_s\left(t\right)=A_s\{1+m\cos \{2\pi [f_c(t-\tau )+\frac{B{(t-\tau )}^2}{2T}]\left\}\right\}\cos \left[2\pi (f_0+f_d)(t-\tau )\right]---\left(7\right)$

其中A_L为本振光的幅度，A_S为回波的幅度，m为调制深度，f_c为啁啾信号的中心频率，τ为激光传输的时间延迟，f_d为目标运动引起的多普勒频移，f₀为激光的频率，由于啁啾信号中心频率远低于光频，因此啁啾信号的多普勒频移可以忽略。两者在探测器上混频，滤除高频与直流分量可得：

由n(t)的表达式可知，其频谱共有三个峰值，分别对应频率：f_d，和f_d为多普勒频移，为距离引起的啁啾差频。

因此，本发明提出一种啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统，如图2，系统组成部分如下：

1.激光调制部分：包括激光器(1)、电光调制器(2)和啁啾信号源(3)组成，啁啾信号源生成啁啾信号驱动电光调制器对激光器输出激光进行啁啾调幅。

2.发射及接收光路：由发射准直镜(5)、偏振分束器(6)、λ/4波片(7)、望远镜(8)、接收准直镜(9)组成，发射准直镜用来对激光进行准直发射，通过偏振分束器，偏振方向相同的通过，经过λ/4波片时，线偏振转换为圆偏振光，通过望远镜发射到目标，望远镜接收到的回波在经过λ/4波片后，偏振方向与发射时偏振方向垂直，因此经过偏振分束器反射到接收准直器中。

3.相干探测和平衡探测光路：包含第一偏振分束器(10)，第二偏振分束器(11)，耦合器(12)，平衡探测器(13)，偏振分束器主要是用来将本振信号和回波信号分为两路偏振方向不同的光信号，主要原因在于相干探测要求两束光的偏振相同，这样才能有高的相干效率。相同偏振方向的本振和回波信号，通过耦合器后，耦合器输出两路信号，经过平衡探测器后，光信号转换为电信号。

4.数据采集和处理单元：采用USB数据采集卡，对平衡探测器输出信号进行采集，然后进行频谱分析，得出距离差频和多普勒频移。

啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统具体工作流程如下：

激光器(1)输出的激光束S₀经啁啾信号源(3)驱动的电光调制器(2)进行啁啾调幅后被光纤分束器(4)分为两部分，一部分作为本振光记为S₁，另一部分作为发射光记为S₂，S₂经发射准直镜(5)发射，经过偏振分束镜(6)时，一部分反射，另一部分透射，S₂透射部分激光通过λ/4波片(7)后，激光光偏振方向由线偏振转换为圆偏振，经望远镜(8)扩束后发射到运动目标(15)上；

运动目标对S₂透射部分激光信号反射，反射信号被同一望远镜(8)接收到，望远镜接收到的S₂回波信号通过λ/4波片(7)后转变为线偏振光，偏振方向与发射时经过λ/4波片(7)前的偏振方向垂直，经过偏振分束镜时，S₂大部分光被反射，反射部分经接收准直镜(9)耦合到光纤中；

本振光S₁经第一偏振分束器(10)后分成两路不同偏振方向的偏振光，任取其中一路记为S_1-1，耦合到光纤中的S₂回波信号经第二偏振分束器(11)后也分成两路不同偏振方向的偏振光，取与S_1-1偏振方向相同的一路记为S_2-1，将S_1-1和S_2-1输入到耦合器(12)中，耦合器输出两路信号记为S₃和S₄，将S₃和S₄接入到平衡探测器(13)中，光信号转换为电信号，通过数据采集和处理单元(14)采集平衡探测器输出的电信号到计算机中；

对采集得到的数据进行快速傅立叶变换，绘出频谱图，频谱图上存在有三个明显的峰，其对应的频率从小到大分别记为f₁、f₂、f₃，若2f₁＝f₃-f₂，则被测目标的速度值v＝λf₁/2，被测目标的距离值d＝cT(f₃-f₁)/2B，否则被测目标的速度值v＝λf₂/2，被测目标的距离值d＝cT(f₃-f₂)/2B，其中λ为激光波长，c为光速，T为啁啾信号时间宽度，B为啁啾信号带宽。

本系统的优点为：

1)结构简单，与外差探测相比，无中频，减少了发射移频结构和接收下变频结构，同时降低了信号处理难度。

2)探测灵敏度高，相对与直接探测，相干探测和平衡探测方式抑制了相对强度噪声，具有大的转换增益，提高了探测灵敏度，本实验中最低能探测10^-10w的回波功率。

3)利用未调制的载波信号进行速度测量，能同时得到运动目标距离和速度信息。

4)采用相干探测和平衡探测方式，测速测距精度高。

附图说明

图1为啁啾测距原理图

B：啁啾带宽

T：啁啾时宽

τ：回波延时

f_x：距离差频

图2为啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测技术原理框图，其中各部分分别为：

1.激光器

2.电光调制器

3.用于驱动电光调制器的啁啾信号源

4.光纤分束器

5.发射准直镜

6.偏振分束镜

7.λ/4波片

8.望远镜

9.接收准直镜

10.第一偏振分束器

11.第二偏振分束器

12.耦合器

13.平衡探测器

14.数据采集与处理单元

15.运动目标

图3为啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统测速测距实验结果图。

具体实施方法：

啁啾调幅距离-多普勒零差探测系统对运动目标的距离和速度测量过程分为以下几步：

1)开启激光器(1)，激光器采用NKT Phononics公司光纤激光器，波长1572nm，最大输出功率200mW，线宽1kHz(120μs延迟时)，激光器输出连接至电光调制器输入端，开启啁啾信号源(3)，输出接入电光调制器射频驱动端，电光调制器采用JDSU APE^TM微波模拟幅度调制器，驱动啁啾源通过DDS芯片AD9910产生，带宽160MHz，从80MHz～240MHz，时宽400μs，前200μs为线性上升，后200μs为线性下降，电光调制器输出接90/10光纤分束器(4)输入端，将光纤分束器10％输出端接入发射准直镜(5)，90％输出端接入第一偏振分束器(10)，按图2相对位置摆放发射准直镜(5)、偏振分束器(6)、λ/4波片(7)、望远镜(8)、接收准直镜(9)并固定；

2)开启运动导轨(15)，设定目标运动速度；

3)调节光路使运动导轨上的运动目标反射光进入接收准直器(9)中，可用功率计在准直器后测量光功率，光功率最大时，可认为光路达到最优；

4)在接收准直器(9)后，接入一段800m的光纤延迟线，用来模拟目标距离；

5)按图2连接第一偏振分束器(10)、第二偏振分束器(11)、耦合器(12)、平衡探测器(13)，接通探测器电源，耦合器采用3-dB光纤耦合器；

6)开启计算机，将探测器输出接入计算机上的数据采集卡输入接口，进行数据采集；

7)对采集后的数据进行频谱分析，计算距离和速度。

在啁啾带宽为160MHz，啁啾时宽为400μs，啁啾信号前半周期频率随时间线性上升，后半周期频率随时间线性下降，运动目标速度v＝0.05m/s，距离8m，回波后采用了一根800m光纤模拟延迟的情况下，本系统某次实验数据频谱图如图3所示。

图3中第一个频谱峰值为速度v＝0.05m/s引起的多普勒频移f_d，后两个峰值分别为，距离差频和多普勒差频的差和和f_x-f_d，f_x+f_d，与理论结果相同。