相干激光测高频率解调电路制造技术

一种相干激光测高频率解调电路，由光电探测器、高通滤波器、本地振荡器、啁啾信号发生器、混频器、９０°移相、低通滤波器、数据采集卡构成，本发明专利技术可实时精确的对相干距离信息进行检测和提取，并将声光调制器驱动、啁啾信号发生器集成在同一装置中，具有实时测量、调节容易、操作简便、成本低、体积小、便于系统集成的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电信号，特别是一种相干激光测高频率解调电路，它是一种采用各种电子学器件实现相干激光测高频率解调的电路。
技术介绍
随着相干激光测高技术的飞速发展，它已具有通常方法无法达到的精度和灵敏度，其高信噪比、高分辨灵敏度等特点使其越来越受到关注，从而在对地观测和深空探测中得到了广泛的应用。相干激光测高技术的发展，不仅取决于激光技术本身的长期发展，同时还取决于各种新方法的产生和器件的快速发展。多普勒频率的准确、稳定且简单的相干检测方法对实现有效测距起到至关重要的作用。同时，可以根据得到的相应数据对地表面情况进行描述，进而重现地形特征。相干激光测高的工作原理，即系统发射单纵模连续激光作为载波信号后，再将其斩波为脉冲信号，并将啁啾信号调制到该激光束上，发射该激光脉冲到地面上，最后由系统接收回波，进行时间—频率转换，从而得到所需的距离信息。距离高度的测量方式分为脉冲间隔测量法、直接探测法和相干探测法三种。脉冲间隔测量方法是利用测量脉冲的飞行时间间隔来获取距离信息。直接探测方法是通过调节发射机的发射频率，直接探测回波信号，利用发射信号和接收信号之间的频率差推算出时间延迟，从而获得距离信息。相干探测方法则是在直接探测的基础上引入一束参考光束相干而进行测量的方法。相对脉冲间隔测量会因激光的高峰值功率、短脉冲、高功率引起的激光器寿命缩短的缺点而言，相干探测采用低峰值功率、长脉冲进行探测，降低了对激光器工作寿命的影响；相对直接探测时所引发的低信噪比问题而言，相干探测显著提高了接收信号的信噪比，从而提高了距离的测量精度。鉴于以上所述的原因，相干探测比其他两种探测方式更具有优势，因而采用相干探测进行距离高精度测量。美国是最早开展相干激光测高研究的国家，在相干激光测高方面的研制和应用上处于世界领先地位。在1971年-1972年的阿波罗探月工程中最早使用激光高度计。1994年发射了星载探月激光高度计克莱芒蒂娜。1996年又发射了星载火星观测激光高度计。2003年发射了星载地球科学激光高度计。我国在“十五”期间，上海光机所和安徽光机所也开展了相干激光测高的研究。在2002年启动的“嫦娥”探月工程中搭载了激光高度计，用于月球表面的三维测量，是我国自主研发的首个主动激光探测仪器。
技术实现思路
本专利技术的目的就是要提供一种相干激光测高频率解调电路，以减少系统的体积。该电路应具有实时频率解调、产生啁啾信号、声光调制驱动的功能和连续测量、结构简单、操作简便、成本低的优点。本专利技术的技术解决方案如下一种相干激光测高频率解调电路，特征在于其构成包括一光电探测器，该光电探测器的输出端接高通滤波器，该高通滤波器的输出端接第一混频器的一个输入端；一信号发生器的输出端接啁啾信号发生器的输入端，该啁啾信号发生器的输出端接第一混频器的另一个输入端；所述的第一混频器的输出端接第一低通滤波器，该第一低通滤波器的输出分为两路一路接第二混频器的一个输入端，另一路接第三混频器的一个输入端；本地振荡器的输出端经90°移相器。接第二混频器的另一输入端，该第二混频器的输出端经第二低通滤波器接数据采集卡；本地振荡器的输出端接第三混频器的另一输入端，该第三混频器的输出端经第三低通滤波器接所述的数据采集卡； 本地振荡器的晶体振荡器输出信号经本地振荡器中的低通滤波器后得到的输出作为声光调制器的驱动源。本专利技术相干激光测高频率解调电路的工作过程光电探测器接收含有距离信息的光信号，其输出的电信号经高通滤波器作用后，与啁啾信号发生器输出信号共同通过第一混频器作用，再经第一低通滤波器作用得到输出信号。该输出信号又分为两路，一路与本地振荡器输出信号通过第一混频器作用后再通过第二低通滤波器输出到数据采集卡，另一路与经过90°移相的本地振荡器输出信号通过第二混频器作用后再通过第三低通滤波器输出到数据采集卡。其中，啁啾信号发生器的输入信号由信号发生器提供。同时，将本地振荡器中的晶体振荡器输出信号经本地振荡器中的低通滤波器后得到的输出信号作为AOM的驱动源。所述的光电探测器为PIN光电二极管(P-type intrinsic N-type PhotoDiode，以下简称为PIN光电二极管)。所述的本地振荡器由55MHz的晶体振荡器和通带频率为55MHz的带通滤波器组成。所述的90°移相由芯片及同轴电缆构成。所述的电路的外接电源为±15V，其余电压由内部电路变化得到。所述的声光调制器(AOM)由晶体振荡器和一级低通滤波器组成。所述的啁啾信号发生器由模拟多路开关构成。工作过程如下光电探测器接收含有距离信息的啁啾信号，其输出的电信号经第一高通滤波器作用后，与啁啾信号发生器输出信号共同通过第一混频器作用，再经第一低通滤波器作用得到输出信号。该输出信号又分为两路，一路与本地振荡器输出信号通过第一混频器作用后再通过第二低通滤波器输出到数据采集卡，另一路与经过90°移相的本地振荡器输出信号通过第二混频器作用后再通过第三低通滤波器输出到数据采集卡。其中，啁啾信号发生器的输入信号由信号发生器提供。同时，将本地振荡器中的晶体振荡器输出信号经本地振荡器中的低通滤波器后得到的输出信号作为AOM的驱动源。本专利技术相干激光测高频率解调电路，即实现距离信息提取的电路，其工作原理说明如下相干激光测高系统的工作原理主要为啁啾信号处理。啁啾信号可以表示为 其中，f0，0分别为初始频率和初始相位，T为信号脉冲持续时间，k＝B/T为啁啾信号频率变化率，B为啁啾信号带宽。系统向地面发射啁啾信号，该信号经地面反射作用后回到系统接收端，延迟时间为τ，则返回的啁啾信号可表示为 其中，r为返回信号的随机相位。将发射啁啾信号和返回啁啾信号进行混频，并经低通滤波器作用滤掉高频分量后，得到12cos.]]>可以看出，与时间t相关的只有第二项2πktτ，由此就可以得到信号频率fτ与测量距离L间的关系为fτ=kτ=BTτ=2BTLc.]]>其中，c为光速。因此，只要测量出信号频率fτ，就可以直接得到测量距离L。由于系统工作环境、极化作用和激光器自身的频率漂移等原因的存在，使系统所探测到的光信号的相位发生变化，在相干探测中将会影响测量的精度。因此，在相干激光测高频率解调电路中通过90°移相以解决上述问题。其原理如下，即未经90°移相和经过90°移相的两通道信号先后经过混频和低通滤波后输出信号分别为I(tn)=12p(tn)cos]]>和Q(tn)=12p(tn)sin,]]>其中p(tn)为探测信号的包络值，φ(tn)为探测信号的任意相位值。因此，p(tn)=12,]]>除掉了含有任意相位值的分量成分，达到了去除任意相位变化对探测信号信噪比的影响。对于本电路的90°移相器是选取增益为1的运算放大器和一定长度的同轴电缆通过电子学的方法实现90°移相，信号在特性阻抗为50Ω的同轴电缆线上的传输延迟为5ns/m，由此可根据传输信号周期算得对应于90°移相的延迟时间，从而达到消除外界因素对探测信号相位的影响。在本电路设计过程中，通过设计本地振荡器使其与经光电探测器转换后所得的电信号进行混频、低通滤波从而使对输出数据的处理难度大大降低，带宽控制在2MHz范围以内。本专利技术的技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相干激光测高频率解调电路，特征在于其构成包括：光电探测器（１）的输出端接高通滤波器（２），该高通滤波器（２）的输出端接第一混频器（５）的一个输入端；信号发生器（３）的输出端接啁啾信号发生器（４）的输入端，该啁啾信号发生器（４）的输出端接第一混频器（５）的另一个输入端；所述的第一混频器（５）的输出端接第一低通滤波器（６），该第一低通滤波器（６）的输出分为两路：一路接第二混频器（９）的一个输入端，另一路接第三混频器（１０）的一个输入端；本地振荡器（７）的输出端经９０°移相器（８）接第二混频器（９）的另一输入端，该第二混频器（９）的输出端经第二低通滤波器（１１）接数据采集卡（１３）；本地振荡器（７）的输出端接第三混频器（１０）的另一输入端，该第三混频器（１０）的输出端经第三低通滤波器（１２）接所述的数据采集卡（１３）；本地振荡器（７）中晶体振荡器的输出信号经本地振荡器的带通滤波器后得到的输出作为声光调制器的驱动源。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尚建华，贺岩，杨馥，陈卫标，崔雪梅，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]