高精度測速測距雷射雷達系統及測速測距方法

2023-07-20 03:05:11

專利名稱：高精度測速測距雷射雷達系統及測速測距方法
技術領域：
本發明專利涉及雷射雷達，特別是一種高精度測速測距雷射雷達系統及測速測 距方法，它是一種聯合利用偽隨機碼調製技術、光子計數技術、相干探測技術和脈 衝壓縮技術的系統，可以高精度獲取目標的速度和距離信息。
背景技術：
飛行器在著陸時需要準確得知道自己的速度及位置信息。這樣對安全著陸具有 關鍵作用。尤其是存在顯著不連續性的著陸面，例如月球。而常用的通過測量距離 再將距離微分得到速度的方法，因為距離的不連續性不能得到正確的速度信息。而 將回波信號截成多個小的時間段，通過測量每個時間段的都卜勒頻移得到速度信息， 再根據時間段對應的時刻來計算距離信息的的方法，也不能得到高解析度的距離信 息。發明內容本發明專利要解決的問題在於克服以上現有方法的不足，提供一種高精度測速 測距雷射雷達系統及測速測距方法，該套系統能同時實現對目標高精度的速度信息 和距離信息測量。本發明的基本原理是將雷射經過線性啁啾調製和偽隨機碼調製，調製後的雷射 絕大部分作為出射雷射，由望遠鏡發射出去； 一小部分作為本振光用於相干探測； 將雷射回波信號分為兩部分 一部分通過和原始偽隨機碼做相關運算，得到距離信 息；另一部分通過和本振光做相干探測，進行脈衝壓縮，得到本振光和回波信號光 的頻率差，這個頻率差同時包括距離信息和都卜勒頻移；通過數學運算得到都卜勒 頻移，從而可以高精度獲取目標的速度和距離信息。本發明的技術解決方案如下一種高精度測速測距雷射雷達系統，包括雷射器和望遠鏡，其特點是在所述的 雷射器的輸出光束的光軸上依次設有線性啁啾調製器、偽隨機碼調製器和第一耦合 器，該第一耦合器的第一輸出端與環形器的第一埠相連，該環形器的第二埠的 輸出方向是望遠鏡，第一耦合器的第二輸出端經聲光調製器與相干探測和脈衝壓縮 裝置的第一輸入端相連，所述的環形器的第三埠接第二耦合器的輸入端，該第二 耦合器第一輸出端與所述的相干探測和脈衝壓縮裝置的第二輸入端相連，該第二耦合器的第二輸出端經單光子探測器和單光子計數器後接具有信號採集、處理、控制、 計算和顯示功能的計算機，所述的相干探測和脈衝壓縮裝置的輸出端接所述的計算 機， 一任意波形發生器的三個輸出端分別連接所述的線性啁啾調製器、偽隨機碼調 制器和計算機，為所述的線性啁啾調製器提供驅動信號，為所述的偽隨機碼調製器 和計算機提供偽隨機碼， 一聲光調製器驅動器為聲光調製器和所述的相干探測和脈 衝壓縮裝置提供聲光調製器驅動信號。所述的相干探測和脈衝壓縮裝置由第三耦合器、平衡探測器、90°移相器、第 一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器組成，所述的第三耦合 器為3dB光耦合器，具有兩輸入端，兩輸出端，兩輸入端分別為本相干探測和脈衝 壓縮裝置的第一輸入端和第二輸入端，所述的兩輸出端接所述平衡探測器的兩輸入 端，該平衡探測器輸出的電信號和所述的聲光調製器驅動器的驅動信號在所述第一 乘法器中混合，所述第一乘法器的輸出信號經過所述第一低通濾波器後得到信號I; 所述的聲光調製器驅動器的驅動信號經所述90。移相器移相9(T後，與所述平衡探 測器輸出的電信號在第二乘法器中混合，所述第二乘法器的輸出信號經過所述第二 低通濾波器後得到信號Q，信號I和信號Q的頻譜峰值表達式為/。 = ，其中A為線性啁啾調製速率，單位為赫茲每秒，/)為都卜勒頻率。所述的雷射器為單縱模光纖雷射器。所述的線性啁啾調製器為鈮酸鋰強度調製器。所述的所述偽隨機碼調製器為高速電光調製器。所述的第一耦合器為1: 99的光耦合器，其中1%的光用作本振光；99%的光通過望遠鏡發射。所述的第二耦合器為20: 80光耦合器，其中20%的光用於相干探測和脈衝壓 縮；80%的光用於相關運算。所述的所述望遠鏡是發射和接收共光軸的望遠鏡系統。利用所述的高精度測速測距雷射雷達系統進行測速測距的方法，包括下列步驟① 雷射器輸出雷射依次經過線性啁啾調製器和偽隨機碼調製器調製後被第一光耦合器分為兩部分大部分雷射由第一光耦合器的第一輸出端經所述的環形器第一 埠進入所述的環形器並經該環形器的第二埠輸出由所述的望遠鏡發射，小部分 雷射經過所述的聲光調製器移頻後作為本振光；② 所述的望遠鏡接收目標回波信號光，由所述的環形器第三埠進入所述的環 形器並經該環形器的第三埠進入第二耦合器，第二耦合器將回波信號光一分為二 第二耦合器的第二輸出端輸出大部分信號經單光子探測器和單光子計數器後進入計 算機，在計算機中與任意波形發生器提供的原始偽隨機碼做相關運算，相關運算峰值對應的時刻t與目標所處距離L的對應關係為Z =二，其中C為光速；2③ 第二耦合器的第一輸出端輸出小部分信號用於和本振光在相干探測和脈衝壓 縮裝置中做相干探測和脈衝壓縮，形成信號I和信號Q:④ 所述計算機對信號I和信號Q分別進行採集並做傅立葉變換後合為一路信號， 該信號的峰值頻率為/ = 2(&-力)，其中yt為線性啁啾調製速率，單位為赫茲每秒，./;,為都卜勒頻率，都卜勒頻率和平行於飛行器和目標連線的目標速度v之間的對應 關係為厶=^, ;i為雷射器的輸出波長；⑤ 所述的計算機綜合上述第②和第④歩的結果，得到目標速度v =挙—乃。4本發明的優點在於1、 採用光纖雷射器、成熟的光纖器件、以及全光纖光路連接，電光效率高、功 耗小、質量輕、易於連接、系統穩定可靠2、 採用了高速偽隨機碼調製和光子計數技術，即使在低峰值功率回波信號下也 能確保每次測量有足夠的信噪比。調製速率可達到lGHz，即偽隨機碼碼元長度為 lns，這樣距離解析度可達到15cm。3、 採用了相干探測和脈衝壓縮機制。採用相干探測，有效地放大了回波信號的 功率，使得系統相干探測這一部分可以工作在量子噪聲限，比直接探測獲得更高信 噪比；脈衝壓縮機制又將寬帶信號的能量集中到了一個單頻信號上，即在頻域上實 現了脈衝壓縮。相干探測機制和脈衝壓縮機制同時使用可使速度解析度達到lcm/s 量級。4、 本振信號和望遠鏡出射信號均經過了線性啁啾調製和偽隨機碼調製，這樣在 相干探測解調時，省去了啁啾解調這一步驟，簡化了系統。5、 距離探測和速度探測並非分立的兩路，這兩部分是有關聯的，本發明可以同 時高精度地獲取目標的速度和距離信息。。


圖1為本發明高精度測速測距雷射雷達系統整體結構框圖 圖2為本發明相干檢測、脈衝壓縮部分結構框中l一雷射器、2—線性啁啾調製器、3—偽隨機碼調製器、4—第一耦合器、 5—環形器、6—望遠鏡、7—聲光調製器、8—第二耦合器、9一相干探測和脈衝壓縮 裝置、IO—單光子探測器、11—單光子計數器、12—計算機、13—聲光調製器驅動、乘法器、95—乘法器、96—低通濾波器、97—低通濾波器具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護 範圍。首先請參照圖1，圖1為本發明高精度測速測距雷射雷達系統整體結構框圖。 山圖1可見，本發明高精度測速測距雷射雷達系統由雷射器l，線性啁啾調製器2， 偽隨機碼調製器3，聲光調製器7，任意波形發生器14，聲光調製器驅動器13，第 -一耦合器4，第二耦合器8，環形器5，望遠鏡6，第三耦合器91，平衡探測器92， 單光子探測器IO,單光子計數器ll，以及一臺具有信號處理、控制、計算、採集、 顯示功能的計算機12組成。其位置關係是在所述的雷射器l的輸出光束光軸上依 次設有線性啁啾調製器2、偽隨機碼調製器3、第一耦合器4。所述第一耦合器4將 雷射一分為二其中大部分光經過環形器5和望遠鏡6將雷射發射出去；另一小部 分光經過聲光調製器7作為本振光用於相干探測。所述望遠鏡6收集回波信號，回 波信號經過環形器5進入第二耦合器8。該第二耦合器8將回波信號一份為二其中一小部分經過相干探測和脈衝壓縮裝置9得到包含距離和速度的混合信息；另一大部分經過單光子探測器10、單光子計數器11後進入計算機12，在計算機12中與 任意波形發生器14提供的原始偽隨機碼做相關運算。相關運算峰值對應的時刻代表 了距離信息。綜合這兩部分信息，即可分別得到距離信息和速度信息。本實施例採用的具體器件為所述雷射器1為單縱模光纖雷射器；所述線性啁啾調製器2為鈮酸鋰強度調製器；所述偽隨機碼調製器3為高速電光調製器；所述任意波形發生器14含兩個輸出通道，分別線性啁啾調製器2和偽隨機碼調製器3提供驅動信號。為所述的計算機12提供偽隨機碼；所述第一耦合器4為1: 99的光耦 合器。其中1%的光用作本振光；99%的光通過望遠鏡6將雷射出射；所述第二耦合器8為20: 80光耦合器。輸出分為兩路，其中20%用作相干探測和脈衝壓縮， 80%用作相關運算；所述望遠鏡6是發射和接收共光軸的望遠鏡系統。所述的相干探測和脈衝壓縮裝置9由第三耦合器91、平衡探測器92、 90°移相 器93、第一乘法器94、第二乘法器95、第一低通濾波器96、第二低通濾波器97組 成，所述的第三耦合器91為3dB光耦合器，具有兩輸入端，兩輸出端，兩輸入端分 別為本相干探測和脈衝壓縮裝置9的第一輸入端和第二輸入端，兩輸出信號的相位 相差90° ，所述的兩輸出端接所述平衡探測器92的兩輸入端，該平衡探測器92輸 出的電信號和所述的聲光調製器驅動器13的驅動信號在所述第一乘法器94中混合， 所述第一乘法器94的輸出信號經過所述第一低通濾波器96後得到信號I;所述的聲光調製器驅動器13的驅動信號經所述90。移相器93移相9(T後，與所述平衡探 測器92輸出的電信號在第二乘法器95中混合，所述第二乘法器95的輸出信號經過 所述第二低通濾波器97後得到信號Q，信號I和信號Q的頻譜峰值表達式為 力，其中A為線性啁啾調製速率，單位為赫茲每秒，力為都卜勒頻率。本發明實施例高精度測速測距雷射雷達系統測速測距的具體過程是① 雷射器1輸出雷射依次經過線性啁啾調製器2和偽隨機碼調製器3調製後被 第一光耦合器4分為兩部分99%的雷射由第一光耦合器4的第一輸出端經所述的 環形器5第一埠進入所述的環形器5並經該環形器5的第二埠輸出由所述的望 遠鏡6發射，1%的雷射經過所述的聲光調製器7移頻後作為本振光；② 所述的望遠鏡6接收目標回波信號光，由所述的環形器5第三埠進入所述 的環形器5並經該環形器5的第三埠進入第二耦合器8，第二耦合器8將回波信 號光一分為二第二耦合器(8)的第二輸端輸出80%的信號經單光子探測器10和 單光子計數器li後進入計算機12，在計算機12中與任意波形發生器14提供的原 始偽隨機碼做相關運算，相關運算峰值對應的時刻t與目標所處距離L的對應關係為丄-^，其中c為光速； 2③ 第二耦合器8的第一輸出端輸出20%的信號用於和本振光在相干探測和脈衝 壓縮裝置9中做相干探測和脈衝壓縮，形成信號I和信號Q;④ 所述計算機12對信號I和信號Q分別進行採集並做傅立葉變換，得到FFTI、 FFTQ，再將這兩個傅立葉變換後的信號合為一路數位訊號i^T"+FFrg2。此數字 信號峰值對應的頻率包含了距離信息和速度信息。該數位訊號FF772 +^^7^2的峰 值頻率/ = 2(&-厶)，其中/t為線性啁啾調製速率，單位為赫茲每秒，力為都卜勒 頻率，都卜勒頻率和平行於飛行器和目標連線的目標速度v之間的對應關係為 乂/=^，義為雷射器的輸出波長；義⑤ 所述的計算機12綜合上述第②和第④步的結果，得到目標速度
權利要求
1、一種高精度測速測距雷射雷達系統，包括雷射器(1)和望遠鏡(6)，其特徵是在所述的雷射器(1)的輸出光束的光軸上依次設有線性啁啾調製器(2)、偽隨機碼調製器(3)和第一耦合器(4)，該第一耦合器(4)的第一輸出端與環形器(5)的第一埠相連，該環形器(5)的第二埠的輸出方向是望遠鏡(6)，第一耦合器(4)的第二輸出端經聲光調製器(7)與相干探測和脈衝壓縮裝置(9)的第一輸入端相連，所述的環形器(5)的第三埠接第二耦合器(8)的輸入端，該第二耦合器(8)第一輸出端與所述的相干探測和脈衝壓縮裝置(9)的第二輸入端相連，該第二耦合器(8)的第二輸出端經單光子探測器(10)和單光子計數器(11)後接具有信號採集、處理、控制、計算和顯示功能的計算機(12)，所述的相干探測和脈衝壓縮裝置(9)的輸出端接所述的計算機(12)，一任意波形發生器(14)的三個輸出端分別連接所述的線性啁啾調製器(2)、偽隨機碼調製器(3)和計算機(12)，為所述的線性啁啾調製器(2)提供驅動信號，為所述的偽隨機碼調製器(3)和計算機(12)提供偽隨機碼，一聲光調製器驅動器(13)為聲光調製器(7)和所述的相干探測和脈衝壓縮裝置(9)提供聲光調製器驅動信號。
2、 根據權利要求l所述的高精度測速測距雷射雷達系統，其特徵在於所述的相 幹探測和脈衝壓縮裝置(9)由第三耦合器(91)、平衡探測器(92)、90。移相器(93)、 第一乘法器(94)、第二乘法器(95)、第一低通濾波器(96)、第二低通濾波器(97) 組成，所述的第三耦合器(91)為3dB光耦合器，具有兩輸入端，兩輸出端，兩輸 入端分別為本相干探測和脈衝壓縮裝置(9)的第一輸入端和第二輸入端，所述的兩 輸出端接所述平衡探測器(92)的兩輸入端，該平衡探測器(92)輸出的電信號和 所述的聲光調製器驅動器(13)的驅動信號在所述第一乘法器(94)中混合，所述 第一乘法器(94)的輸出信號經過所述第一低通濾波器(96)後得到信號I;所述 的聲光調製器驅動器(13)的驅動信號經所述90。移相器(93)移相9(T後，與所 述平衡探測器(92)輸出的電信號在第二乘法器(95)中混合，所述第二乘法器(95) 的輸出信號經過所述第二低通濾波器(97)後得到信號Q，信號I和信號Q的頻譜 峰值表達式為/。=虹-力，其中A為線性啁啾調製速率，單位為赫茲每秒，力為 都卜勒頻率。
3、 根據權利要求1所述的高精度測速測距雷射雷達系統，其特徵在於所述的激 光器(1)為單縱模光纖雷射器。
4、 根據權利要求1所述的高精度測速測距雷射雷達系統，其特徵在於所述的線 性啁啾調製器(2)為鈮酸鋰強度調製器。
5、 根據權利要求1所述的高精度測速測距雷射雷達系統，其特徵在於所述的所 述偽隨機碼調製器(3)為高速電光調製器。
6、 根據權利要求1所述的高精度測速測距雷射雷達系統，其特徵在於所述的第 一耦合器(4)為l: 99的光耦合器，其中1。"的光用作本振光；99%的光通過望遠 鏡(6)發射。
7、 根據權利要求1所述的高精度測速測距雷射雷達系統，其特徵在於所述的第 二耦合器(8)為20: 80光耦合器，其中20%的光用於相干探測和脈衝壓縮；80% 的光用於相關運算。
8、 根據權利要求l所述的高精度測速測距雷射雷達系統，其特徵在於所述的所 述望遠鏡(6)是發射和接收共光軸的望遠鏡系統。
9、 一種利用權利要求1或2所述的高精度測速測距雷射雷達系統進行測速測距 的方法，其特徵在於包括下列步驟① 雷射器(1)輸出雷射依次經過線性啁啾調製器(2)和偽隨機碼調製器(3) 調製後被第一光耦合器(4)分為兩部分大部分雷射由第一光耦合器(4)的第一 輸出端經所述的環形器(5)第一埠進入所述的環形器(5)並經該環形器(5)的 第二埠輸出由所述的望遠鏡(6)發射，小部分雷射經過所述的聲光調製器(7) 移頻後作為本振光；② 所述的望遠鏡(6)接收目標回波信號光，由所述的環形器(5)第三埠進 入所述的環形器(5)並經該環形器(5)的第三埠進入第二耦合器(8)，第二耦 合器(8)將回波信號光一分為二第二耦合器(8)的第二輸出端輸出大部分信號 經單光子探測器(10)和單光子計數器(11)後進入計算機(12)，在計算機(12) 中與任意波形發生器(14)提供的原始偽隨機碼做相關運算，相關運算峰值對應的時刻t與目標所處距離L的對應關係為丄=^，其中c為光速；2③ 第二耦合器(8)的第一輸出端輸出小部分信號用於和本振光在相干探測和脈 衝壓縮裝置(9)中做相干探測和脈衝壓縮，形成信號I和信號Q;④ 所述計算機(12)對信號I和信號Q分別進行採集並做傅立葉變換後合為一 路信號，該信號的峰值頻率為/ = 2(&-力)，其中yt為線性啁啾調製速率，單位為赫 茲每秒。^為都卜勒頻率，都卜勒頻率和平行於飛行器和目標連線的目標速度v之間的對應關係為/,=^， A為雷射器的輸出波長；義⑤ 所述的計算機(12)綜合上述第②和第④步的結果，得到目標速度
全文摘要
一種高精度測速測距雷射雷達系統及測速測距方法，基本原理是將雷射經過線性啁啾調製和偽隨機碼調製，調製後的雷射絕大部分作為出射雷射，由望遠鏡發射出去；一小部分作為本振光用於相干探測；將雷射回波信號分為兩部分一部分通過和原始偽隨機碼做相關運算，得到距離信息；另一部分通過和本振光做相干探測，進行脈衝壓縮，得到本振光和回波信號光的頻率差，這個頻率差同時包括距離信息和都卜勒頻移；通過數學運算得到都卜勒頻移，從而得到速度信息，本發明的特點是可以高精度地獲取目標的速度和距離信息。
文檔編號G01S17/02GK101236253SQ200810034379
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月7日 優先權日2008年3月7日
發明者馥 楊, 巖 賀, 陳衛標 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所