双调制共光路线性调频连续波测距测速方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了双调制共光路线性调频连续波测距测速方法及装置，窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器后由第一光学分束器分束为第一光信号和第二光信号，第一光信号和第二光信号分别经过相位调制和带通滤波后合束，再分为本振信号和发射信号，将发射信号发射并接收回波信号和本振信号进行相干光混频，经过滤波和模数转换，使用数字信号处理单元对获得的采样进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，实现雷达平台与目标之间距离和速度的并行同步测量。本发明专利技术可以有效克服大气湍流和散斑噪声的影响，具有激光探测精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的优点，在机载、车载和星载雷达领域具有良好的发展前景。具有良好的发展前景。具有良好的发展前景。

【技术实现步骤摘要】
双调制共光路线性调频连续波测距测速方法及装置


[0001]本专利技术涉及激光雷达
，特别涉及一种双调制共光路线性调频连续波测距测速方法及装置。

技术介绍

[0002]调频连续波激光雷达将现代雷达技术中的调频连续波体制与激光外差探测体制相结合，采用线性调频信号对发射激光的频率进行线性调制，并通过比较回波光信号和本振光信号的瞬时频差获得目标距离信息，同时利用多普勒效应对目标进行实时测速，具有探测灵敏度高、测距测速分辨率高等优势，并具有集成化、小型化、低能耗的潜力，对未来高精度、高分辨率空间探测需求具有很强的竞争力。
[0003]调频连续波激光雷达的测速和测距均依赖于回波光信号和本振光信号的拍频信号频谱提取，对相位扰动是非常敏感的。在不考虑调频非线性等内部因素的理想情况下，一定距离的恒定速度运动目标差拍信号频谱应是一条狭窄的谱线。但是，由于大气湍流噪声、散斑噪声等外界因素的影响，拍频信号的频率不再是单频的，而是具有一定的频谱展宽，导致测量信噪比下降和中频抖动，最终导致系统测量精度和分辨率恶化。因此，必须采取措施消除大气湍流噪声和散斑噪声对调频连续波激光雷达的影响。
[0004]大气湍流引起的光学特性变化表现在大气折射率的随机变化，使得传输光波的振幅和相位产生随机起伏，造成传输中的光波闪烁、扩展、弯曲和空间相干性降低等一系列光学现象。大气湍流变化随时间、空间和波长而变化，湍流长度具有一定的尺寸，从几毫米到几十米，称为湍流尺度。大气湍流对光束传播的影响根据湍流尺度的不同可以分为光束漂移、到达角起伏和光束扩展。当湍流尺度大于光束直径时，激光光束通过同一个湍流漩涡，从而导致光束在传播方向上发生随机偏折，宏观上主要表现为接收端的光束漂移，光束的中心位置将随机变化；当湍流尺度几乎等于光束直径时，光束也会发生随即偏折，主要表现为到达角起伏。光波在湍流大气中传输时,由于光束截面内不同部分的大气折射率起伏将导致光束波前的不同部位具有不同的相移,这些相移又导致光波等相面的随机起伏、光束波前到达角的起伏；当湍流尺度小于光束直径时，激光光束截面内有大量大气湍流的小湍涡旋，照射在每个小湍窝的光束都产生独立的衍射和散射，宏观上表现为光束衍射，造成接收光功率起伏变化、光束相干性下降，称之为光束扩展。大气湍流一方面会降低激光雷达系统相干接收信号的外差效率，另一方面会对相干接收信号引入严重的随机相位噪声。
[0005]散斑噪声有目标的粗糙表面引起。当相干激光光束入射在粗糙表面时，粗糙表面会引起回波光的波前相位发生畸变，回波光的波前相位畸变不但导致与本征光的混频效率降低，从而降低系统的外差效率，还会使得回波光彼此之间发生建设性和破坏性的干涉，从而导致回波光斑呈现为亮斑和暗斑随机分布的形状。这些亮斑和暗斑随机分布的回波光斑具有颗粒状斑点外观，因此称之为散斑。当被测物体与激光雷达系统之间存在除光轴方向外的相对运动时，由于这种相对运动会改变出射光斑在粗糙表面处的位置，从而使得回波散斑模式发生变化，称之为动态散斑。由于散斑的模式随时间发生变化，因此回波光的振幅
和粗糙表面而引入的相位畸变也随时间的变化而发生变化。将这种由于散斑模式的改变而引入的噪声称之为散斑噪声。
[0006]目前，能够消除大气湍流噪声和散斑噪声影响，实现对实现远距离散射目标的高精度测距和测速的线性调频连续波激光雷达装置还未见报道。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于，提供一种双调制共光路线性调频连续波测距测速方法及装置。本专利技术可以有效克服大气湍流和散斑噪声的影响，具有激光探测精度高、灵敏度好、抗干扰能力强的优点。
[0008]本专利技术的技术方案：双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器后由第一光学分束器分束为第一光信号和第二光信号，然后分别进入第一相位调制器和第二相位调制器；利用第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制；利用第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制；调制后的第一光信号和第二光信号分别通过光学带通滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大后进入第三分束器分成本振信号和发射信号，将发射信号发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号和本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，光学低通滤波后采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过模数转换获得采样数据，使用数字信号处理单元对获得的采样数据进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，实现雷达平台与目标之间距离和速度的并行同步测量。
[0009]上述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器表示为：
[0010]E0(t)＝E0exp[j2πf0t+jφ
N0
+jφ0]；
[0011]式中，E0是光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；f0为光信号频率；t是时间；φ
N0
为光信号噪声相位；φ0为光信号初始相位。
[0012]前述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，表示为：
[0013][0014]其中，M1是第一射频电路放大倍数，V
RF1_M
是第一微波调频信号的振幅，V
RF1_B
是第一
微波基频信号的振幅，是第一微波调频信号的调频速率，表示为f
RF1_H
是第一微波调频信号的高频截止频率，f
RF1_L
是第一微波调频信号的低频截止频率，T1是第一微波调频信号的周期，B1是第一调频带宽，f
RF1_B
是第一微波基频信号的频率，φ
N_RF1
(t)是第一混频信号的噪声相位；t是时间；
[0015]第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制，调制后的光信号为：
[0016][0017]其中，E
0_PM1
是第一相位调制器调制后的第一光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；β1是第一相位调制器的调相系数，V
π_1
是第一相位调制器的半波电压，φ
N_PM1
(t)是第一相位调制器输出的噪声相位；
[0018]将式1通过贝塞尔函数展开得：
[0019][0020]其中，J
n
是第一类n阶贝塞尔函数，n＝0，1，2
…
；上式J0表示光载波，其余J
n
项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。
[0021]前述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，调制后的第一光信号采本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器后由第一光学分束器分束为第一光信号和第二光信号，然后分别进入第一相位调制器和第二相位调制器；利用第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制；利用第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制；调制后的第一光信号和第二光信号分别通过光学带通滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大后进入第三分束器分成本振信号和发射信号，将发射信号发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号和本振信号通过光学桥接器进行相干光混频，光学低通滤波后采用平衡接收获得具有正交特性的中频信号，经过模数转换获得采样数据，使用数字信号处理单元对获得的采样数据进行实时的快速傅里叶变换和互谱处理，实现雷达平台与目标之间距离和速度的并行同步测量。2.根据权利要求1所述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：雷达平台中窄线宽单频连续激光器产生光信号经过起偏器表示为：E0(t)＝E0exp[j2πf0t+jφ
N0
+jφ0]；式中，E0是光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；f0为光信号频率；t是时间；φ
N0
为光信号噪声相位；φ0为光信号初始相位。3.根据权利要求2所述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：第一微波调频信号发生器产生的调频信号和第一微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第一混频信号，表示为：其中，M1是第一射频电路放大倍数，V
RF1_M
是第一微波调频信号的振幅，V
RF1_B
是第一微波基频信号的振幅，是第一微波调频信号的调频速率，表示为f
RF1_H
是第一微波调频信号的高频截止频率，f
RF1_L
是第一微波调频信号的低频截止频率，T1是第一微波调频信号的周期，B1是第一调频带宽，f
RF1_B
是第一微波基频信号的频率，φ
N_RF1
(t)是第一混频信号的噪声相位；t是时间；第一混频信号作为第一相位调制器的射频驱动信号对第一光信号进行相位调制，调制后的光信号为：
其中，E
0_PM1
是第一相位调制器调制后的第一光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；β1是第一相位调制器的调相系数，V
π_1
是第一相位调制器的半波电压，φ
N_PM1
(t)是第一相位调制器输出的噪声相位；将式1通过贝塞尔函数展开得：其中，J
n
是第一类n阶贝塞尔函数，n＝0，1，2
…
；上式J0表示光载波，其余J
n
项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。4.根据权利要求3所述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：调制后的第一光信号采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k1阶单边带激光信号通过，表示为：其中，E
out1
(t)是经过调制和滤波的第一光信号，是参数为β1的k1阶第一类贝塞尔函数；采用对称三角波线性调制，调制后的第一光信号的频率随时间成对称三角形变化，在
一个周期内，前半部分称之为正向调频，后半部分称为负向调频，表示为：其中，E1是调制后的第一光信号振幅，表示为：φ
N1
(t)是调制后的第一光信号噪声和残余相位，表示为：k1是第一带通滤波单边带级次。5.根据权利要求2所述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：所述第二微波调频信号发生器产生的调频信号和第二微波基频信号发生器产生的基频信号经过混频和放大后得到第二混频信号，表示为：其中，M2是第二射频电路放大倍数，V
RF2_M
是第二微波调频信号的振幅，V
RF2_B
是第二微波基频信号的振幅，是第二微波调频信号的调频速率，表示为f
RF2_H
是第二微波调频信号的高频截止频率，f
RF2_L
是第二微波调频信号的低频截止频率，T2是第二微波调频信号的周期，B2是第二调频带宽，f
RF2_B
是第二微波基频信号的频率，φ
N_RF2
(t)是第二混频信号的噪声相位；t是时间；第二混频信号作为第二相位调制器的射频驱动信号对第二光信号进行相位调制，调制后的光信号为：其中，E
0_PM2
是第二相位调制器调制后的第二光信号振幅；exp是以自然常数e为底的指数函数；β2是第二相位调制器的调相系数，V
π_2
是第二相位调制器的半波电压，φ
N_PM2
(t)是第二相位调制器输出的噪声相位；将式2通过贝塞尔函数展开得：
其中，J
n
是第二类n阶贝塞尔函数，n＝0，1，2
…
；上式J0表示光载波，其余J
n
项则表示调制边带光信号，包括正边带和负边带。6.根据权利要求5所述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：调制后的第二光信号采用带通滤波器对残余载波和双边带进行滤波，使k2阶单边带激光信号通过，表示为：其中，E
out2
(t)是经过调制和滤波的第二光信号，是参数为β2的k2阶第一类贝塞尔函数；采用对称三角波线性调制，调制后的第二光信号的频率随时间成对称三角形变化，在一个周期内，前半部分称之为正向调频，后半部分称为负向调频，表示为：其中，E2是调制后的第二光信号振幅，表示为：φ
N2
(t)是调制后的第二光信号噪声和残余相位，表示为：k2是第二带通滤波单边带级次。7.根据权利要求1所述的双调制共光路线性调频连续波测距测速方法，其特征在于：调
制后的第一光信号和第二光信号分别通过滤波后进入第二光学分束器进行合束，再经过放大后进入第三分束器分成本振信号和发射信号；本振信号为时间延迟τ
L
的线性调频信号，表示为：其中，E
LO
是本振信号的振幅，exp是以自然常数e为底的指数函数；f0为光信号频率；k1是第一带通滤波单边带级次；t是时间；是第一微波调频信号的调频速率，表示为f
RF1_H
是第一微波调频信号的高频截止频率，f
RF1_L
是第一微波调频信...

【专利技术属性】
技术研发人员：职亚楠，孙建锋，
申请(专利权)人：杭州爱莱达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：