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CN110824493A - 一种采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达 - Google Patents

一种采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达 Download PDF

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CN110824493A
CN110824493A CN201911098869.3A CN201911098869A CN110824493A CN 110824493 A CN110824493 A CN 110824493A CN 201911098869 A CN201911098869 A CN 201911098869A CN 110824493 A CN110824493 A CN 110824493A
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CN
China
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phase
frequency
laser
signal
coherent
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CN201911098869.3A
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English (en)
Inventor
任宁
赵彬
刘博�
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Institute of Optics and Electronics of CAS
Original Assignee
Institute of Optics and Electronics of CAS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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Abstract

本发明公开了一种采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达，包括主激光器(空间耦合)、可调谐本振激光器、接收光学系统、3dB耦合器、平衡探测器、鉴频鉴相模块(PFD)、电荷泵和环路滤波器。主激光器发射的激光打到目标反射回来的回波信号与本振光干涉后得到拍频信号，与设定的参考信号经过鉴频鉴相模块得到两信号的相位差，通过环路滤波器产生对应的控制电压，对本振激光器的频率进行调控，使得拍频信号锁定到设定的参考信号相位，此时拍频信号满足时域相参累加的条件，更有利于微弱信号的提取，最终提高了相干激光雷达的探测距离。

Description

一种采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达
技术领域
本发明属于相干激光雷达技术领域，特别涉及一种采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达。
背景技术
相干激光雷达中回波信号光与本振光干涉产生拍频信号，利用本振增益提取出回波信号，极大提高了探测的灵敏度和激光雷达的作用距离，为进一步提高探测的灵敏度可对拍频信号进行相参累加。
目前多采用频域相参累加的方式，且已发展的比较成熟，本发明考虑在此基础上采用时域相参累加进一步提高探测灵敏度。但信号光传输过程中由于激光器自身的相位噪声、平台震动、大气扰动以及多普勒频移等因素的影响，导致拍频信号是的相位是抖动的，此时回波信号时域相参累加后并不能改善回波信号的信噪比。只有满足时域相参的信号累加后信噪比才会提高，因此，保证回波信号相位的稳定是通过时域相参累加提高探测灵敏度的基础。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达，能够以时域累加的方式实现对远距离目标的探测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达。该激光雷达包括主激光器(空间耦合)、可调谐本振激光器、接收光学系统、3dB耦合器、平衡探测器、鉴频鉴相模块、电荷泵和环路滤波器。
所述的主激光器用于发射空间连续激光信号至被测目标上；
所述的可调谐本振激光器用于产生本振光信号，可通过PZT调谐本振光信号频率；
所述的接收光学系统用于接收被测目标反射/散射的激光回波信号；
所述的3dB耦合器用于使回波光信号与本振光信号耦合成相位相差180°的两路光信号；
所述的平衡探测器用于分别响应3dB耦合器输出的两路光信号，并对两个光电流之差做跨阻放大；
所述的鉴频鉴相模块用于产生频差信号与参考信号上升沿的脉冲差；
所述的电荷泵用于响应鉴频鉴相器模块输出的脉宽差，产生对应的充电/放电电流；
所述的环路滤波器用于产生可调谐本振激光器的控制电压，同时也用于滤除高频信号。
与现有技术相比，本发明所述的采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达的优势在于：
该相干激光雷达，采用了光锁相技术，实现了拍频信号的相位稳定，在此基础上回波信号经时域相参累加后信噪比得到显著的提高，可实现对远距离目标的探测。
该相干激光雷达，采用了鉴频鉴相模块构成光锁相环，通过鉴频鉴相模块中引入参考信号降低环路的捕获带宽，保证了对环路噪声的抑制，保证环路的跟踪性能。此外相较于其他的鉴相器，因鉴频鉴相模块输出的是两信号的脉宽差，所以鉴频鉴相模块既能鉴频又能鉴相，且锁定精度较高。
该相干激光雷达，采用依据环路带宽和相位裕度设计的优化后的环路滤波器，实现了环路对大带宽的快速捕获。
附图说明
图1为本发明一种采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达的结构示意图；
图2为本发明的回波信号时域相参累加的简单示意图。
图中：1为主激光器，2为可调谐本振激光器，3为接收光学系统，4为3dB耦合器，5为平衡探测器，6为鉴频鉴相模块，7为电荷泵，8为环路滤波器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提出的采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达，包括线宽为kHz量级的1064nm固体激光器作为主激光器1(空间耦合)；具有温度调谐和PZT调谐功能的1064nm固体激光器作为可调谐本振激光器2，其温度调谐系数可达GHz/℃，PZT调谐系数为几十MHz/V；采用准直器作为接收光学系统3、保偏光纤的3dB耦合器4、高带宽的平衡探测器5、ADI公司的鉴频鉴相模块6、电荷泵7和环路滤波器8，最终构成环路带宽100kHz，相位裕度为45°的光锁相环路。利用主激光器1发射至目标反射/散射的回波信号与本可调谐本振激光器2产生的本振光干涉经平衡探测器5得到拍频电信号。利用鉴频鉴相模块6产生拍频信号与设定的射频参考信号的单边沿的脉宽差，进而控制电荷泵7产生对应的充/放电电流。利用环路滤波器8产生驱动可调谐本振激光器2的控制电压信号，利用PZT调谐的方式实现对可调谐本振激光器2输出频率的调控。进而实现拍频信号在相位上与参考信号的锁定，得到稳定的拍频信号，其信噪比显著提高，因而可使得相干激光雷达能够在光锁相环的基础上对远离目标进行探测。
经过采用光锁相环的相干激光雷达输出的拍频信号锁定在鉴频鉴相器模块6的射频参考信号的相位上。所以拍频信号经过时域相参累加后会使信号的信噪比得到提高的原理可近似如图2所示，可以明显看出信号的信噪比得到改善，进一步提高了相干激光雷达的探测灵敏度，可实现对远距离目标的探测。

Claims (4)

1.一种采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达，其特征在于：该相干激光雷达包括主激光器(1)、可调谐本振激光器(2)、接收光学系统(3)、3dB耦合器(4)、平衡探测器(5)、鉴频鉴相模块(6)、电荷泵(7)和环路滤波器(8)，所述的主激光器(1)用于发射空间连续激光信号至被测目标上；所述的可调谐本振激光器(2)用于产生本振光信号，可通过PZT调谐本振光信号频率；所述的接收光学系统(3)用于接收被测目标反射/散射的激光回波信号；所述的3dB耦合器(4)用于使回波光信号与本振光信号耦合成相位相差180°的两路光信号；所述的平衡探测器(5)用于分别响应3dB耦合器输出的两路光信号，并对两个光电流之差做跨阻放大；所述的鉴频鉴相模块(6)用于产生频差信号与参考信号上升沿的脉冲差；所述的电荷泵(7)用于响应鉴频鉴相器模块输出的脉宽差，产生对应的充电/放电电流；所述的环路滤波器(8)用于产生可调谐本振激光器的控制电压，同时也用于滤除高频信号。
2.根据权利要求1所述的采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达，其特征在于：采用了鉴频鉴相模块(6)构成光锁相环，通过鉴频鉴相模块(6)中引入参考信号可降低环路的捕获带宽，可更好的抑制环路噪声，保证环路的跟踪性能；此外相较于其他的鉴相器，因鉴频鉴相模块(6)输出的是两信号的脉宽差，所以鉴频鉴相模块(6)既能鉴频又能鉴相，且锁定精度较高。
3.根据权利要求1所述的采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达，其特征在于：采用经过优化后的环路滤波器(8)，可以使环路带宽和相位裕度优化到合适的值，从而可实现环路对大带宽的快速捕获。
4.根据权利要求1所述的采用光锁相技术提高探测距离的相干激光雷达，其特征在于：采用了光锁相技术，实现了拍频信号的相位稳定，在此基础上回波信号经时域相参累加后信噪比可得到显著的提高，进一步提高了相干激光雷达的探测灵敏度，可实现对远距离目标的探测。
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