一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法，涉及应用于相控阵激光雷达的扫描高分辨与凝视高帧频双模控制系统及方法，属激光雷达探测技术领域。本发明专利技术通过扫描高分辨与凝视高帧频两种工作模式的实时切换，既能实现远距离大视场目标探测，又能对可疑目标进行小视场快速跟踪，解决激光雷达图像分辨率与成像速率难以兼顾的难题；为精确提取可疑目标的特征信息及其所处场景信息，利用多面阵APD阵列双模信息并行读出技术，同时获得可疑目标的距离像与强度像，通过计算机图像采集处理系统实现距离像和强度像的快速融合，对多面阵图像进行快速拼接，从而得到可疑目标高分辨、大幅面的三维图像。本发明专利技术有利于满足相控阵激光雷达的成像探测需求。

【技术实现步骤摘要】
一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法
本专利技术涉及一种应用于相控阵激光雷达的扫描高分辨与凝视高帧频双模控制系统及方法，属激光雷达探测

技术介绍
与传统机械扫描雷达发射系统相比，相控阵激光雷达因为具有惯性小、扫描速率快、灵敏度高等优点，在军事侦察、多目标追踪、地形测绘等诸多领域中，有极其广阔的应用前景。但是，这些领域的可疑目标具有复杂多样且随机性强的特点，而现有的相控阵激光雷达由于发射功率低、扫描范围小、和成像速率慢，无法满足当今探测领域的应用需求。因此，实现大视场、快速、高分辨成像，是相控阵激光雷达亟需解决的一大难题。为了实现对可疑或感兴趣目标的高精度侦察与识别，相控阵激光三维成像雷达需提供更大幅面、更高分辨率的三维图像，而呈现出可疑目标的细节特征。同时对于可疑的动态目标，由于其散布范围较大、隐身性较强，需要成像系统及时提供高帧频视频图像，满足动态感知要求。相控阵激光雷达通常有两种工作模式，即扫描高分辨成像模式和凝视高帧频成像模式。当激光雷达工作在扫描成像模式下，它具有大视场、高分辨、远距离的成像特点，而成像视场越大意味着所需的像元数量越多，像元数量越多所需的读出时间也越长，则帧频越低，即成像速率受到了一定的限制，从而影响相控阵激光雷达高分辨动态感知性能；当激光雷达工作在凝视成像模式时，它具有成像速率快和测距精度高等优点，能够对可疑目标或感兴趣目标进行实时跟踪监测，但是其成像视场较窄，不适合相控阵激光雷达进行大视场多目标的侦察识别。由此可见，两种成像模式的优点不能被很好地保留和发挥。从目前看来，现有的相控阵激光雷达又无法兼顾远距离、大视场、高分辨、快速成像需求。
技术实现思路
本专利技术公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统及方法，要解决的技术问题是：为相控阵激光雷达提供一种扫描高分辨与凝视高帧频双模控制系统，互补两种工作模式在各自成像质量上的缺陷，能同时利用起高帧频凝视成像与高分辨扫描成像的优势，实现远距离、大视场、快速、高分辨成像，因此，更有利于满足相控阵激光雷达的成像探测需求。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，通过扫描高分辨与凝视高帧频两种工作模式的实时切换，既能实现远距离大视场目标探测，又能对可疑目标进行小视场快速跟踪，解决激光雷达图像分辨率与成像速率难以兼顾的技术难题。为精确提取出可疑目标的特征信息及其所处的场景信息，利用多面阵APD阵列双模信息并行读出技术，同时获得可疑目标的距离像与强度像，再通过计算机图像采集处理系统实现距离像和强度像的快速融合，并对多面阵图像进行快速拼接，从而得到可疑目标高分辨、大幅面的三维图像。本专利技术公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，是基于扫描高分辨与凝视高帧频双模控制的多光束多面阵激光雷达系统，包括计算机图像采集处理系统、高速并行采集与计时模块、光源驱动模块、主控电路模块、同步控制电路模块、光纤阵列相控阵发射系统和接收系统。高速并行采集与计时模块包括通讯端口和四个APD探测器阵列读出电路模块A、B、C、D。其中，A、B、C、D每个APD探测器阵列读出电路模块包括：跨阻放大电路、低通滤波电路、差分互相关滤波器、时刻鉴别电路、峰值保持电路和嵌入式高速信号处理平台。光纤阵列相控阵发射系统包括外差法相控系统、连续光纤激光器、分束器、光纤、电光调制器、相位调制器、光隔离器、连续光纤放大器、准直扩束器、采样器、相控阵偏转结构和移频器。外差法相控系统包括射频参考振荡器、合成器、多路复用器、探测器和透镜。接收系统包括四个基于小像元数面阵的APD阵列探测器。光源驱动模块驱动连续光纤激光器产生高功率连续激光；激光由分束器被分成一路参考光束和N路信号光，其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器后被移频，用于外差拍频；N路信号光占总光强90％以上的能量，N路信号光经光纤通过受控于脉冲触发的电光调制器形成脉冲光束，并对脉冲光的振幅进行放大传输给相位调制器；相位调制器对脉冲光进行相位调制后，经过光隔离器传输给连续光纤放大器，光纤放大器再次对N路脉冲光的功率进行放大后传输给准直扩束器；准直扩束器对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束后传输给采样器；N路脉冲光95％以上穿过采样器，在空间上相干合成一束高功率激光；另外5％以下与小部分参考光进行外差拍频，拍频后照射到探测器上，得到相对于参考信号的相位差；探测器将N个变化的相位信息数据传输到多路复用器内，多路复用器将N个输入通道的相位电信号复用到输出通道上，然后再传输给合成器；合成器对射频参考振荡器输出的参考相位信号与变化后的相位信号分析比对后，按照外差锁相控制算法生成各路光束的相位控制电压信号，实时将N路补偿后的相位电压信号反馈给相位调制器，相位调制器对N路脉冲信号光的相位进行调制，经过多次重复此过程，直至N路脉冲信号光的相位信息与参考相位相同为止，而实现输出光束的相位能够符合预设角度下光束相干合成要求。本专利技术公开的一种双模控制的相控阵激光雷达系统的工作方法，包括如下步骤：步骤一、高速并行采集与计时模块、光源驱动模块、主控电路模块、同步控制电路模块以及计算机图像采集处理系统开始工作。高速并行采集计时模块开始工作，并根据雷达探测需求，由通讯端口向主控电路模块传递扫描角度信息、激光功率信息、探测距离信息以及外界环境等信息。主控电路模块将扫描角度信息传输到同步控制电路模块，同步控制电路模块向四套光纤阵列相控阵发射系统发出扫描工作模式或凝视工作模式电信号，然后四套光纤阵列相控阵发射系统开始并行扫描或凝视工作；同时，主控电路模块将需求的激光功率信息传输到光源驱动模块，光源驱动模块为连续光纤激光器提供精稳的驱动，根据所选用光纤激光器的工作原理及其性能，分别驱动四套光纤阵列相控阵发射系统中四个连续光纤激光器产生高功率连续激光，为后续N路脉冲信号光相干合成做准备。步骤二、四套光纤阵列相控阵发射系统根据同步控制电路模块提供的扫描或凝视工作电信号开始工作，根据某预设角度下探测需求，在空间上相干合成四束高功率激光，分别用于A,B,C,D四个区域探测。四个连续光纤激光器在光源驱动模块的驱动下产生四路高功率连续激光，以一套光纤阵列相控阵发射系统为例，阐述高功率脉冲激光的形成过程如下：连续光纤激光器发出一路大功率连续激光，该路连续光由分束器被分成一路参考光和N路信号光。其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器后被移频，用于与N路信号光进行外差拍频；N路信号光占总光强90％以上的能量，N路信号光经光纤通过受控于脉冲触发的电光调制器形成脉冲光束，进而通过相位调制器、光隔离器、连续光纤放大器、准直扩束器和采样器。N路脉冲光与参考光在采样器内进行外差拍频后，N路脉冲光95％以上穿过采样器通过相控阵偏转结构实现预设角度的相干合成一束高功率激光；另外5％以下与参考光进行外差拍频，拍频后反射到外差法相控系统中的透镜聚集后被探测器接收，实现对外差拍频信号的获取，该外差拍频信号包含了参考光与信号光的相对相位信息，将该相位差信号经过多路复用器送入合成器。同时，根据扫描角度计算公式，将计算得到的N路信号光不同的射频参考相位信号由射频参考振荡器也送入合成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双模控制的相控阵激光雷达系统，其特征在于：是基于扫描高分辨与凝视高帧频双模控制的多光束多面阵激光雷达系统，包括计算机图像采集处理系统(1)、高速并行采集与计时模块(2)、光源驱动模块(3)、主控电路模块(4)、同步控制电路模块(5)、光纤阵列相控阵发射系统(6)和接收系统(7)；高速并行采集与计时模块(2)包括通讯端口(2.1)和四个APD探测器阵列读出电路模块A、B、C、D；其中，A、B、C、D每个APD探测器阵列读出电路模块包括：跨阻放大电路、低通滤波电路、差分互相关滤波器、时刻鉴别电路、峰值保持电路和嵌入式高速信号处理平台；光纤阵列相控阵发射系统(6)包括外差法相控系统(6.1)、连续光纤激光器(6.2)、分束器(6.3)、光纤(6.4)、电光调制器(6.5)、相位调制器(6.6)、光隔离器(6.7)、连续光纤放大器(6.8)、准直扩束器(6.9)、采样器(6.10)、相控阵偏转结构(6.11)和移频器(6.12)；外差法相控系统(6.1)包括射频参考振荡器(6.1.1)、合成器(6.1.2)、多路复用器(6.1.3)、探测器(6.1.4)和透镜(6.1.5)；接收系统(7)包括四个基于小像元数面阵的APD阵列探测器(7.1)、(7.2)、(7.3)、(7.4)。...

【技术特征摘要】
1.一种双模控制的相控阵激光雷达系统，其特征在于：是基于扫描高分辨与凝视高帧频双模控制的多光束多面阵激光雷达系统，包括计算机图像采集处理系统(1)、高速并行采集与计时模块(2)、光源驱动模块(3)、主控电路模块(4)、同步控制电路模块(5)、光纤阵列相控阵发射系统(6)和接收系统(7)；高速并行采集与计时模块(2)包括通讯端口(2.1)和四个APD探测器阵列读出电路模块A、B、C、D；其中，A、B、C、D每个APD探测器阵列读出电路模块包括：跨阻放大电路、低通滤波电路、差分互相关滤波器、时刻鉴别电路、峰值保持电路和嵌入式高速信号处理平台；光纤阵列相控阵发射系统(6)包括外差法相控系统(6.1)、连续光纤激光器(6.2)、分束器(6.3)、光纤(6.4)、电光调制器(6.5)、相位调制器(6.6)、光隔离器(6.7)、连续光纤放大器(6.8)、准直扩束器(6.9)、采样器(6.10)、相控阵偏转结构(6.11)和移频器(6.12)；外差法相控系统(6.1)包括射频参考振荡器(6.1.1)、合成器(6.1.2)、多路复用器(6.1.3)、探测器(6.1.4)和透镜(6.1.5)；接收系统(7)包括四个基于小像元数面阵的APD阵列探测器(7.1)、(7.2)、(7.3)、(7.4)。2.如权利要求1所述的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，其特征在于：光源驱动模块(3)驱动连续光纤激光器(6.2)产生高功率连续激光；连续激光由分束器(6.3)被分成一路参考光束和N路信号光，其中，一路参考光占总光强10％以下的能量，定义为小部分参考光，经光纤通过移频器(6.12)后被移频，用于外差拍频；N路信号光占总光强90％以上的能量，N路信号光经光纤通过受控于脉冲触发的电光调制器(6.5)形成脉冲光束，并对脉冲光的振幅进行放大传输给相位调制器(6.6)；相位调制器(6.6)对脉冲光进行相位调制后，经过光隔离器(6.7)传输给连续光纤放大器(6.8)，；连续光纤放大器(6.8)再次对N路脉冲光的功率进行放大后传输给准直扩束器(6.9)；准直扩束器(6.9)对放大功率的脉冲光的光束直径进行准直扩束后传输给采样器(6.10)；N路脉冲光95％以上穿过采样器(6.10)，再通过相控阵偏转结构(6.11)在空间上相干合成一束高功率脉冲激光；另外5％以下与小部分参考光进行外差拍频，拍频后反射到外差法相控系统(6.1)中的透镜(6.1.5)聚集后被探测器(6.1.4)接收，实现对外差拍频信号的获取；该外差拍频信号包含了参考光与N路脉冲光的相对相位信息，探测器(6.1.4)将N个相位差信息数据传输到多路复用器(6.1.3)内，多路复用器(6.1.3)将N个输入通道的相位差电信号复用到输出通道上，然后再传输给合成器(6.1.2)；同时，将计算得到的N路脉冲光的射频参考相位信号由射频参考振荡器(6.1.1)也送入合成器(6.1.2)；合成器(6.1.2)对射频参考振荡器(6.1.1)输出的N路参考相位信号与N路脉冲光变化后的相位信号分析比对后，按照外差锁相控制算法生成N路脉冲光的相位控制电压信号，实时将N路补偿后的相位电压信号反馈给各路的相位调制器(6.6)，各路的相位调制器(6.6)对各路脉冲信号光的相位进行调制，经过多次重复此过程，直到N路脉冲信号光的相位信息与N路参考相位信号相同为止，即完成每路信号光的实时相位补偿，确保输出的N路脉冲信号光的相位能够符合某一预设角度下光束相干合成要求。从而实现在锁相的同时，又能够针对某一预设角度的N路信号光，通过相控阵偏转结构(6.11)后相干合成一束高功率脉冲激光。3.如权利要求1或2所述的一种双模控制的相控阵激光雷达系统，其特征在于：工作方法包括如下步骤：步骤一、高速并行采集与计时模块(2)、光源驱动模块(3)、主控电路模块(4)、同步控制电路模块(5)以及计算机图像采集处理系统(1)开始工作；高速并行采集计时模块(2)开始工作，并根据雷达探测需求，由通讯端口(2.1)向主控电路模块(4)传递扫描角度信息、激光功率信息、探测距离信息以及外界环境等信息；主控电路模块(4)将扫描角度信息传输到同步控制电路模块(5)，同步控制电路模块(5)向四套光纤阵列相控阵发射系统(6)发出扫描工作模式或凝视工作模式电信号，然后四套光纤阵列相控阵发射系统(6)开始并行扫描或凝视工作；同时，主控电路模块(4)将需求的激光功率信息传输到光源驱动模块(3)，光源驱动模块(3)为连续光纤激光器(6.2)提供精稳的驱动，根据所选用光纤激光器的工作原理及其性能，分别驱动四套光纤阵列相控阵发射系统(6)中四个连续光纤激光器(6.2)产生高功率连续激光，为后续N路脉冲信号光相干合成做准备；步骤二、四套光纤阵列相控阵发射系统(6)根据同步控制电路模块(5)提供的扫描或凝视工作电信号开始工作，根据某预设角度下探测需求，在空间上相干合成四束高功率激光，分别用...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝群，张佳利，曹杰，闫雷，李毅东，张芳华，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11