基于光學正交解調(diào)的相干零差多普勒測速激光雷達系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光雷達技術，具體涉及一種基于光學正交解調(diào)的相干零差多普勒測 速激光雷達系統(tǒng)。解決了多普勒測速激光雷達速度方向難以分辨的問題。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)行相干測速激光雷達按本振或發(fā)射信號是否經(jīng)過固定移頻分為外差探測和零 差探測。外差探測將本振或發(fā)射信號經(jīng)過一個固定的移頻，在回波接收混頻時得到回波信 號頻率變化的大小，該頻率值包括固定的移頻，減去該固定值可得到多普勒頻率的大小及 正負。但在典型小型激光雷達系統(tǒng)中常采用同軸收發(fā)系統(tǒng)，會產(chǎn)生較強的光信號反射，外差 探測容易得到較強的中頻干擾，使得外差探測在小型測速激光雷達系統(tǒng)中難以應用。
[0003] 零差探測的激光發(fā)射信號和接收信號均不經(jīng)過額外固定頻率的移頻，在同軸發(fā)射 系統(tǒng)中，強反射信號產(chǎn)生零頻干擾，通過交流耦合可以完全抑制該干擾。但是零差探測在信 號處理時只能提取出速度的大小，而不能提取出速度的方向。
[0004] NASA的ALHAT計劃中多普勒激光雷達對發(fā)射激光在頻域進行對稱三角線性調(diào)頻 調(diào)制，并采用趨勢判斷，以此實現(xiàn)對速度大小及方向的判別，同時實現(xiàn)距離測量，采用趨勢 判斷，一定程度上可以提取出速度大小和方向，但是也存在較多誤判斷的點。中國科學院上 海技術物理研究所通過對零差探測系統(tǒng)中的發(fā)射信號經(jīng)過"線性調(diào)頻連續(xù)波"調(diào)制，實現(xiàn)了 一定范圍內(nèi)目標速度和方向的判別，但調(diào)制對激光器提出了較高的要求，且系統(tǒng)時間利用 率較低，無法實現(xiàn)高頻次的脈沖積累。
[0005] 采用相干零差同軸收發(fā)探測體制，降低對激光器的需求，并且提高系統(tǒng)探測的時 間利用率，實現(xiàn)對目標速度大小及方向的探測，具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有相干多普勒測速激光雷達的技術上，提出了一種基于光學 正交解調(diào)的相干零差多普勒測速激光雷達系統(tǒng)，解決現(xiàn)有相干多普勒測速激光雷達速度方 向難以分辨，且對激光器要求較高，以及作用距離較短的問題。
[0007] 如圖1窄線寬激光器產(chǎn)生未經(jīng)調(diào)制的單一頻率的相干激光，該相干激光經(jīng)分束器 按照一定比例分成兩部分，其中大能量部分用于發(fā)射，小能量部分作為本振；大能量部分經(jīng) 多路光開關分時切換，經(jīng)環(huán)形器、同軸收發(fā)望遠鏡發(fā)射，回波激光經(jīng)同軸收發(fā)望遠鏡接收， 經(jīng)環(huán)形器、光開關切換后變成一路回波光信號，最后和本振信號一起進入90度光學橋接 器，形成4路輸出光信號，其中本振信號具有90度相位差（0°、90°、180°、270° );其中 0°、180°進入一個平衡探測器構成I通道，90°、270°進入另一個平衡探測器構成Q通 道；I路、Q路的平衡探測器輸出進入高速ADC，轉換成數(shù)字信號，形成I路信號、Q路信號， 進入由DSP或FPGA或者微處理器構成數(shù)字信號處理模塊；由I路信號和Q路信號組成復 數(shù)，進行復數(shù)信號處理，得出回波光和本振光頻率差的大小和方向，進而得出目標速度的大 小和方向。
[0008] 激光同聲波一樣，具有多普勒效應，波長為λ的窄線寬激光器發(fā)射的激光，照射 到激光視線方向速度為V的運動目標上將產(chǎn)生多普勒頻移fd，光速為c，由多普勒頻移可以 反推出目標速度：
[0009] V = λ · fd/2 (I)
[0010] 窄線寬激光器本振光頻率和發(fā)射激光頻率一致，設角頻率為ωω，回波光因多普勒 效應其角頻率為W s，其中多普勒頻率fd= (ω S-Wu])八2 3〇。
[0011] 信號光幅度設為Es，初始相位為I%，可以表示為
。同 樣本振光也可以表示為
，其中本振光幅度為Εω，初始相 位攀滅。
[0012] 90度光學橋接器是2輸入4輸出器件，具有多種構建方式，其基本特性如下，如圖 2在其內(nèi)部，信號光一分為二形成SpS3信號，本振光經(jīng)處理形成具有90度相位差的兩個信 號SjP S4。信號光和本振光兩兩進入180度的2X2親合器。本振信號相移0度的2X2親 合器構成同相I路信號通道，輸入端的兩個信號S 2可以表示為：
[00131
⑵
[0014] 本振信號相移90度的2X2耦合器構成正交相Q路信號通道，輸入端的兩個信號 s3、S4可以表示為：
[0015]
⑶
[0016] 90度橋接器輸出的I通道、Q通道光信號經(jīng)平衡探測器光電轉換后形成電信號，其 特性可以表示為：
[0017]
⑷
[0018] 其中_為光電轉換效率，匕為信號光功率，P ω為本振光功率。兩個平衡探測器輸 出的信號可以構成一個復數(shù)信號V(t)，對復數(shù)信號進行傅里葉變換，將得到復數(shù)信號的頻 率，且是正負可分的頻率。
[0019]
(5)
[0020] 高速ADC^tV1U)、V(j(t)進行數(shù)字采樣，在數(shù)字信號處理模塊內(nèi)部，進行復數(shù)組合， 并進行實時快速FFT處理，將得到單一峰值的信號頻譜，而其鏡像頻點峰值較小。信號峰值 處頻點為多普勒頻率（W s-Cou3)A3I,正負可分，是多普勒頻率匕，由多普勒頻率可以得到 目標速度。
[0021] 快速FFT采用實時信號處理，每處理完一個采樣周期后可以繼續(xù)處理下一個采樣 周期的數(shù)據(jù)。因為系統(tǒng)發(fā)射信號未經(jīng)過調(diào)制，目標速度在短時不變情況下，得到的信號頻譜 是一致的，可以進行頻譜累加，信號得到加強，而噪聲由于不相關則不會產(chǎn)生明顯加強。則 該方式可以在回波信號較弱，低信噪比情況下，對信號進行脈沖積累，提取微弱信號，進而 提取目標速度。
[0022] 在同軸光路系統(tǒng)中鏡面會反射較強的光信號，同時環(huán)形器泄漏也會產(chǎn)生較強的光 信號，二者均通過回波通道進入探測器。由于激光發(fā)射時未經(jīng)調(diào)制，這兩種回波光信號將產(chǎn) 生較強的零頻干擾，通過交流耦合可以直接剔除該干擾。
[0023] 單通道的測速過程非常短暫，通過多路光開關同步切換發(fā)射的激光和接收的回波 激光，可以分時實現(xiàn)多個方向的多普勒速度測量。
[0024] 因此，本發(fā)明提出一種基于光學正交解調(diào)的多普勒相干零差測速激光雷達系統(tǒng)， 如圖1，
[0025] 1.系統(tǒng)組成包括同軸收發(fā)望遠鏡1、環(huán)形器2、發(fā)射光開關3、接收光開關4、窄線寬 激光器5、90度光學橋接器6、平衡探測器7、高速ADC 8、數(shù)字信號處理模塊9。
[0026] 2.由窄線寬激光器產(chǎn)生未經(jīng)調(diào)制的單一頻率的相干激光，該激光經(jīng)分束后形成能 量差別較大的兩個光束，大能量部分通過發(fā)射光開關選擇某一個方向的通道，經(jīng)環(huán)形器、收 發(fā)望遠鏡反射，回波光經(jīng)收發(fā)望遠鏡及環(huán)形器進入系統(tǒng)，并經(jīng)接收光開關形成單一通道的 回波光信號；小能量部分作為本振光信號參與相干混頻。
[0027] 3.激光發(fā)射后，經(jīng)光開關、環(huán)形器、收發(fā)望遠鏡發(fā)射和接收，接收光開關輸出的回 波光信號和窄線寬激光器分出的本振信號一起進入90度光學橋接器，經(jīng)其處理后，形成I 通路和Q通路信號，進行平衡探測器轉換成電信號，再經(jīng)高速ADC采樣形成兩路數(shù)字序列， 兩路數(shù)字序列進入數(shù)字信號處理模塊，經(jīng)處理得到目標速度。
[0028] 此處提到的數(shù)字信號處理模塊可以是DSP或FPGA、或微型處理器。
[0029] 基于光學正交解調(diào)的相干零差測速激光雷達數(shù)據(jù)處理方法的具體工作流程如 下：
[0030] 1.數(shù)字信號處理模塊控制激光發(fā)射和接收的光開關，使兩者切換到相同的某一通 道，同時數(shù)字信號處理模塊觸發(fā)窄線寬激光器發(fā)射。
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