双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法及装置，雷达平台中具有独立传输和接收的参考通道和发射通道，由参考通道和发射通道分别获得参考复信号和回波复信号；通过回波复信号的快速傅里叶变换，在频谱域获得目标的多普勒频移，得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向；然后对回波复信号进行多普勒补偿，得到回波复信号的去多普勒频谱；参考复信号频谱与回波复信号的去多普勒频谱通过匹配滤波获得目标的高精度视向距离信息。该方法可以消除激光放大器和相位调制器引入的系统相位噪声，还可以消除测距过程中目标运动多普勒频移导致的相关峰值展宽，提高了测距测速精度，具有非常优秀的测距测速准确性和抗干扰能力。性和抗干扰能力。性和抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法及装置


[0001]本专利技术涉及激光雷达
，特别涉及一种双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法及装置。

技术介绍

[0002]传统激光雷达测距方式常采用脉冲激光飞行时间法，即发射较高峰值功率的脉冲，利用激光脉冲往返的时间间隔来获取距离信息，并通过距离的微分来获取速度信息。这种方法结构简单、技术成熟，但在远距离情况下工作时，需要激光器具备极高的峰值功率，而且测速依赖测距信息，如果测距数据不连续就会产生错误。
[0003]调频连续波激光雷达在时间域对发射激光的频率进行线性调制，回波信号与本振信号进行相干接收，通过获取外差频率实现目标的距离测量，通过波形调制可以同时实现多普勒速度测量。这是目前最广泛应用的相干激光雷达技术，优势在于激光器工作在长脉宽、低峰值功率状态下，可大大提高脉冲重复探测频率，从而提高空间分辨率；采用相干探测可获得更高的灵敏度；可以极大降低数据采集带宽要求。但是要求激光光源具备高重频、高调谐带宽以及高调谐线性度。
[0004]伪随机码测距利用伪随机序列互相关与自相关特性实现回波时延测量，从而实现视向距离分辨。基于伪随机码和光子计数的测距技术采用直接测量机制，将出射激光按照伪随机码进行强度调制，回波微弱的光子信号序列经过阈值甄别后得到接收的码元序列，该码元序列与原始伪随机码序列进行相关运算，相关运算的峰值所对应的距离即为目标距离[1]([1]Yufei Zhang,Yan He,Fang Yang,Yuan Luo,and Weibiao Chen,Three
‑
dimensional imaging lidarsystem based on high speed pseudorandom modulation and photon counting.Chinese Optics Letters,2016,14(11),111101)。该技术的优势在于即使回波信号微弱到光子量级，回波码元出现大量噪声，也能够利用回波码元与伪随机码之间的相关性得到正确的目标距离信息，从而大大提高了系统的灵敏度。但是盖革模式的雪崩光电二极管(APD)单光子探测器容易受外界噪声影响，成像速度慢，成本高，限制了这种激光雷达的应用。杨馥等人[2]([2]邱子胜，杨馥，叶星辰，李姝欣，基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距技术研究，激光与光电子学进展，2018，Vol.55,No.5,052801)提出结合伪随机码相位调制和相干外差探测技术的方法，能够在低峰值功率、长脉冲宽度状态下获取高的距离分辨率。在此基础上杨馥等人[3]([3]杨馥，邱子胜，李姝欣，程楚玉，刘政，傅紫源，基于伪随机码相位调制和外差探测的高精度激光测速测距系统研究，飞控与探测，2019，Vol.2，No.1，43)提出了利用伪随机码相位调制和外差探测技术的激光测速测距方法，实现径向速度和视相向距离测量。
[0005]但是目前的伪随机码调相测距测速依然存在以下问题：首先，激光放大器和相位调制器引入的系统相位噪声都将会严重影响伪随机编码调相测距测速的精度；其次，当激光雷达与测距目标之间存在高速相对运动时，会产生较大的多普勒频移，多普勒频移会导致接收机输入信号载波频率的偏移，导致相关峰值展宽，造成相关性能的恶化，序列持续时
间越长，多普勒频移对匹配结果的影响就越大。因此必须通过一定的方法消除激光放大器和相位调制器引入的系统相位噪声，同时消除测距过程中目标运动多普勒频移才能保证接收机正常解调。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，提供一种双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法及装置。本专利技术可以大幅度提高测距测速精度，具有非常优秀的测距测速准确性，而且抗干扰能力强，整体系统小型化，运行容易，具有良好的发展前景。
[0007]本专利技术的技术方案：双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，雷达平台中具有独立传输和接收的参考通道和发射通道；
[0008]在雷达平台的发射端，窄线宽连续激光光源发射的激光经过起偏后分束为本振光和信号光；将本振光分束为参考本振光和发射本振光；将信号光经过伪随机码相位调制，放大后再分束为参考信号光和发射信号光，参考信号光只经过光学延迟线，发射信号光则通过光学发射/接收器件射向目标并返回目标的回波信号光；
[0009]在雷达平台的接收端，参考通道和发射通道进行同步相干接收，参考信号光与参考本振光做零差正交相干接收，经过模数转换后由现场可编程门阵列进行复数化处理生成参考复信号；回波信号光与发射本振光做零差正交相干接收，经过模数转换后由现场可编程门阵列进行复数化处理生成回波复信号；在现场可编程门阵列中，回波复信号首先通过快速傅里叶变换，在频谱域获得目标的多普勒频移，得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向；然后在频谱域对回波复信号进行多普勒补偿，将峰值移到零频位置，得到回波复信号的去多普勒频谱；参考复信号通过快速傅里叶变换，先在频谱域进行加窗滤波并取共轭，与回波复信号的去多普勒频谱相乘后取傅里叶反变换并取模，实现匹配滤波；最后通过计算匹配滤波峰值位置获得目标的高精度视向距离信息。
[0010]上述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，雷达平台中，窄线宽连续激光光源发射未经调制的单频单模连续相干激光，经起偏器起偏，提高偏振度，表示为：
[0011]E0(t)＝E
0 exp[j2π(f0+δf)t+φ0]；
[0012]式中：f0为发射激光的主振频率，δf为激光主振频率的偏离值，φ0为窄线宽连续激光光源的初始相位，t是时间；E0是振幅，exp是以自然常数e为底的指数函数。
[0013]前述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，所述信号光经过伪随机码相位调制是通过电光相位调制器把伪随机码加载在信号光的相位上；所述伪随机码的相位调制表达为：
[0014][0015]其中，伪随机码记作为：
[0016][0017]式中，ΔT为伪随机码序列的码元宽度，k为码元序号，K为码元总数，p(k)为伪随机数，取值为0或1，rect代表矩形函数，t是时间。
[0018]前述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，所述参考复信号的生成是：在接收端，参考本振光和参考信号光表示为：
[0019]式中：表示参考信号光经过光学延迟线引入的参考信号光与参考本振光两路之间的延迟时间差，Z
ref
为光学延迟线的光学长度，c为光速；EL
O_ref
是参考本振光振幅，E
S_ref
是参考信号振幅；φ
n_amp
为激光放大器引入的噪声相位，φ
n_mod
为相位调制器引入的噪声相位；f0为发射激光的主振频率，δf为激光主振频率的偏离值，φ0为窄线宽连续激光光源的初始相位，t是时间，exp是以自然常数e为底的指数函数；
[0020]采用零差正交相干接收，参考信号光和参考本振光进行干涉，干涉光场表示为：
[0021]E本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，其特征在于：雷达平台中具有独立传输和接收的参考通道和发射通道；在雷达平台的发射端，窄线宽连续激光光源发射的激光经过起偏后分束为本振光和信号光；将本振光分束为参考本振光和发射本振光；将信号光经过伪随机码相位调制，放大后再分束为参考信号光和发射信号光，参考信号光只经过光学延迟线，发射信号光则通过光学发射/接收器件射向目标并返回目标的回波信号光；在雷达平台的接收端，参考通道和发射通道进行同步相干接收，参考信号光与参考本振光做零差正交相干接收，经过模数转换后由现场可编程门阵列进行复数化处理生成参考复信号；回波信号光与发射本振光做零差正交相干接收，经过模数转换后由现场可编程门阵列进行复数化处理生成回波复信号；在现场可编程门阵列中，回波复信号首先通过快速傅里叶变换，在频谱域获得目标的多普勒频移，得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向；然后在频谱域对回波复信号进行多普勒补偿，将峰值移到零频位置，得到回波复信号的去多普勒频谱；参考复信号通过快速傅里叶变换，先在频谱域进行加窗滤波并取共轭，与回波复信号的去多普勒频谱相乘后取傅里叶反变换并取模，实现匹配滤波；最后通过计算匹配滤波峰值位置获得目标的高精度视向距离信息。2.根据权利要求1所述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，其特征在于：雷达平台中，窄线宽连续激光光源发射未经调制的单频单模连续相干激光，经起偏器起偏，提高偏振度，表示为：E0(t)＝E0exp[j2π(f0+δf)t+φ0]；式中：f0为发射激光的主振频率，δf为激光主振频率的偏离值，φ0为窄线宽连续激光光源的初始相位，t是时间；E0是振幅，exp是以自然常数e为底的指数函数。3.根据权利要求1所述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述信号光经过伪随机码相位调制是通过电光相位调制器把伪随机码加载在信号光的相位上；所述伪随机码的相位调制表达为：其中，伪随机码记作为：式中，ΔT为伪随机码序列的码元宽度，k为码元序号，K为码元总数，p(k)为伪随机数，取值为0或1，rect代表矩形函数，t是时间。4.根据权利要求3所述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述参考复信号的生成是：在接收端，参考本振光和参考信号光表示为：
式中：表示参考信号光经过光学延迟线引入的参考信号光与参考本振光两路之间的延迟时间差，Z
ref
为光学延迟线的光学长度，c为光速；E
LO_ref
是参考本振光振幅，E
S_ref
是参考信号振幅；φ
n_amp
为激光放大器引入的噪声相位，φ
n_mod
为相位调制器引入的噪声相位；f0为发射激光的主振频率，δf为激光主振频率的偏离值，φ0为窄线宽连续激光光源的初始相位，t是时间，exp是以自然常数e为底的指数函数；采用零差正交相干接收，参考信号光和参考本振光进行干涉，干涉光场表示为：E
ref
(t:K,ΔT)＝E
LO_ref
(t:K,ΔT)+E
S_ref
(t
‑
τ
ref
:K,ΔT)；经过2
×
490
°
光学桥接器混频后的干涉光强四路输出分别为：式中，I
LO_ref
是和参考本振光有关的直流量，I
S_ref
是和参考信号光有关的直流量；光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被光电平衡探测器接收，光电平衡探测器输出的同相信号和正交信号分别为：式中：k
in
是同相信号的光电探测器响应率，k
qu
是正交信号的光电探测器响应率；考虑同相通道和正交通道的光电探测器响应率保持一致，经过滤波和模数转换后由现场可编程门阵列进行复数化处理生成参考复信号，表示为：
其中，i
ref
是参考通道中同相信号和正交信号的输出电压振幅。5.根据权利要求3所述的所述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述回波复信号的生成是：发射信号光通过光学发射/接收器件射向目标并返回目标的回波信号光，回波信号光与发射本振光两路的延迟时间表示为：其中，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，c为光速；目标的回波信号光带携带目标距离和运动多普勒信息，表示为其中E
S_emi
是发射信号振幅，...

【专利技术属性】
技术研发人员：职亚楠，孙玉娇，邹瑜，徐弼军，田克汉，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：