CN115015886B - 双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，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。
背景技术
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。
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。
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 modulationand 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。
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。
发明内容
本发明的目的在于，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。本发明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。
本发明的技术方案：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；
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。
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：
E0(t)＝E0 exp[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。
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：
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。
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：
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，Zref为光学延迟线的光学长度，c为光速；ELO_ref是参考本振光振幅，ES_ref是参考信号振幅；φn_amp为激光放大器引入的噪声相位，φn_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：
Eref(t:K,ΔT)＝ELO_ref(t:K,ΔT)+ES_ref(t-τref: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，ILO_ref是和参考本振光有关的直流量，IS_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：kin是同相信号的光电探测器响应率，kqu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，iref是参考通道中同相信号和正交信号的输出电压振幅。
前述的所述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，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ES-emi是发射信号振幅，φn_amp为激光放大器引入的噪声相位，φn_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；
接收端，回波信号与发射本振光表示为：
；其中，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；
采用零差正交相干接收，回波信号光与发射本振光进行干涉，干涉光场表示为：
Eemi(t:K,ΔT)＝ELO_emi(t:K,ΔT)+ES_emi(t-τemi: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，ILO_emi是和发射本振光有关的直流量，IS_emi是和发射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：
其中，kin是同相信号的光电探测器响应率，kqu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回波复信号，表示为：
前述的所述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，采用触发电路提供触发信号，实现参考通道和发射通道的同步接收。
前述的所述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法，所述目标的速度信息和高精度视向距离信息的获得是：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；
所述快速傅里叶变换表示为：
取模之后，通过重心法提取频谱峰值位置和正负，得到多普勒频移fDoppler；
多普勒频率fDoppler与目标运动的速度成正比，表示为：
其中，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，λ0是激光波长；
由于多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；由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，表示为：
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为：
对参考复信号做快速傅里叶变换：
在频域进行加窗滤波后取共轭，表示为：
然后与回波复信号的去多普勒频谱相乘，得到：
再取傅里叶反变换并取模，实现匹配滤波：
其中tri为三角函数，表示为：
以峰值作为判据，通过重心法提取匹配滤波函数峰值位置N，通过公式
其中，Zref为光学延迟线的光学长度，c为光速，ΔT为伪随机码序列的码元宽度，R是目标距离；
最终通过计算匹配滤波峰值位置就获得目标的高精度视向距离信息R，视向分辨率为
前述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法的装置，包括窄线宽连续激光光源，窄线宽连续激光光源连接有第一光学分束器，第一光学分束器连接有电光相位调制器和第三光学分束器；所述电光相位调制器经任意波形发生器与伪随机编码器连接；所述电光相位调制器的输出端经激光放大器连接有第二光学分束器，第二光学分束器连接有光学环形器和光学延迟线；所述光学环形器经光学扫描器连接有发射接收望远镜；所述第三光学分束器与光学延迟线一同连接有第一光学混频器，第一光学混频器的输出端依次连接有第一光电平衡探测器、第一滤波器和第一模数转换器；所述第三光学分束器与光学环形器一同连接有第二光学混频器，第二光学混频器的输出端依次连接有第二光电平衡探测器、第二滤波器和第二模数转换器；所述第一模数转换器和第二模数转换器一同连接有现场可编程门阵列，现场可编程门阵列连接有上位计算机；所述现场可编程门阵列还分别与伪随机编码器和光学扫描器连接。
与现有技术相比，本发明采用窄线宽连续激光光源，降低了对光源的要求。本发明结合伪随机码相位调制和相干零差探测技术，将光路分为双通道，分别是参考通道和发射通道，独立传输和接收；采用伪随机码高速相位调制激光发射；将参考通道和发射通道实现同步相干接收，分别获得参考复信号和回波复信号；首先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；然后在频谱域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。该方法不仅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，而且整体系统小型化，运行容易，具有良好的发展前景。此外，本发明在长脉宽、低峰功率状态下，具有高灵敏度的优点，能够实现远距离探测。本发明实现了收发同轴，有利于集成小型化，简化了后期测速测距处理算法，具有良好的发展前景。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图；
图2给出多普勒补偿前，回波复信号做快速傅里叶变换(FFT)的频谱分布。
图3给出多普勒补偿后，回波复信号做快速傅里叶变换(FFT)的频谱分布。
图4给出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的远距离目标的高精度视向距离信息。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：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；
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。
实现上述方法的装置，如图1所示，包括窄线宽连续激光光源1，窄线宽连续激光光源1连接有第一光学分束器2，第一光学分束器2连接有电光相位调制器3和第三光学分束器4；所述电光相位调制器3经任意波形发生器5与伪随机编码器6连接；所述电光相位调制器3的输出端经激光放大器7连接有第二光学分束器8，第二光学分束器8连接有光学环形器9和光学延迟线10；所述光学环形器9经光学扫描器11连接有发射接收望远镜12；所述第三光学分束器4与光学延迟线10一同连接有第一光学混频器13，第一光学混频器13的输出端依次连接有第一光电平衡探测器14、第一滤波器15和第一模数转换器16；所述第三光学分束器4与光学环形器9一同连接有第二光学混频器17，第二光学混频器17的输出端依次连接有第二光电平衡探测器18、第二滤波器19和第二模数转换器20；所述第一模数转换器16和第二模数转换器20一同连接有现场可编程门阵列21，现场可编程门阵列21连接有上位计算机22；所述现场可编程门阵列21还分别与伪随机编码器6和光学扫描器11连接。
实施例2：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；
在雷达平台的发射端，窄线宽连续激光光源采用人眼安全的1550nm单模窄线宽连续光纤激光器，激光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护。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，确保偏振消光比大于25dB，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。
然后偏振光通过第一光学分束器分为信号光和本振光，分数比为10:90，大部分能量作为信号光，小部分能力作为本振光。
伪随机序列既具有确定性的本质，又具有随机信号的某些特征。伪随机码测距利用伪随机码序列互相关与自相关特性，实现回波时延测量，从而实现距离分辨。伪随机编码调相具有调制重频高、保密性强、测距精度与距离无关、峰值旁瓣比高等优点，但数据采集带宽要求与信号发射波形带宽相同。最长线性反馈移位寄存器序列，简称m序列，是现在使用最广泛的一种伪随机码序列。信号光经过伪随机码相位调制，连续M序列编码由任意波形发生器产生，伪随机序列的长度2048，调制速率1GHz/s，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。
再经过掺铒光纤放大器放大到1W，然后通过第二光学分束器分束为参考信号和发射信号，分数比为1:99，发射信号通过光学器件射向目标并返回目标的回波信号。
本振光经过第三光纤分束器分束，分数比为50:50，分别为参考本振光和发射本振光。
对于参考复信号的生成是：在接收端，参考本振光和参考信号表示为：
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，Zref为光学延迟线的光学长度，c为光速；ELO_ref是参考本振光振幅，ES_ref是参考信号振幅；φn_amp为激光放大器引入的噪声相位，φn_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：
Eref(t:K,ΔT)＝ELO_ref(t:K,ΔT)+ES_ref(t-τref: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，ILO_ref是和参考本振光有关的直流量，IS_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：kin是同相信号的光电探测器响应率，kqu是正交信号的光电探测器响应率；
考虑同相通道(I通道)和正交通道(Q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，iref是参考通道中同相信号和正交信号的输出电压振幅。
所述回波复信号的生成是：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，回波信号光与发射本振光两路的延迟时间差可以表示为：
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ES_emi是发射信号振幅，φn_amp为激光放大器引入的噪声相位，φn_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；
接收端，回波信号光与发射本振光表示为：
其中，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；
采用零差正交相干接收，回波信号光与发射本振光进行干涉，干涉光场表示为：
Eemi(t:K,ΔT)＝ELO_emi(t:K,ΔT)+ES_emi(t-τemi: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，ILO_emi是和发射本振光有关的直流量，IS_emi是和发射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：
其中，kin是同相信号的光电探测器响应率，kqu是正交信号的光电探测器响应率；
考虑I通道和Q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回波复信号，表示为：
每个通道采样率2.5GHz。为保证同步性,采用现场可编程门阵列控制触发电路同时给两个信号的采集和任意波形发生器提供触发信号，实现两信号同步接收并进行匹配滤波处理。
对回波复信号做快速傅里叶变换，在频谱域获取多普勒频移；
所述快速傅里叶变换表示为：
取模之后，通过重心法提取频谱峰值位置和正负，得到多普勒频移fDoppler；
多普勒频率fDoppler与目标运动的速度成正比，表示为：
其中，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，λ0是激光波长；
由于多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为：
如图2和如图3所示，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为：
对参考复信号做快速傅里叶变换：
在频域进行加窗滤波后取共轭，表示为：
然后与回波复信号的去多普勒频谱相乘，得到：
再取傅里叶反变换并取模，实现匹配滤波：
其中tri为三角函数，表示为：
以峰值作为判据，通过重心法提取匹配滤波函数峰值位置N，通过公式
其中，Zref为光学延迟线的光学长度，c为光速，ΔT为伪随机码序列的码元宽度，R是目标距离；
最终通过计算匹配滤波峰值位置就获得目标的高精度视向距离信息R，视向分辨率为
本实施例中，采用重心法提取多普勒峰值位置，测速精度可以达到1cm/s。测距分辨率为15cm，测距精度1cm，重复频率为100kHz。综上所述，本发明采用窄线宽连续激光光源，降低了对光源的要求。本发明结合伪随机码相位调制和相干零差探测技术，将光路分为双通道，分别是参考通道和发射通道，独立传输和接收；采用伪随机码高速相位调制激光发射；将参考通道和发射通道实现同步相干接收，分别获得参考复信号和回波复信号；首先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；然后在频谱域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。该方法不仅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，而且整体系统小型化，运行容易，具有良好的发展前景。此外，本发明在长脉宽、低峰功率状态下，具有高灵敏度的优点，能够实现远距离探测。本发明实现了收发同轴，有利于集成小型化，简化了后期测速测距处理算法，具有良好的发展前景。
Claims (8)
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，Zref为光学延迟线的光学长度，c为光速；ELO_ref是参考本振光振幅，ES_ref是参考信号振幅；φn_amp为激光放大器引入的噪声相位，φn_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：
Eref(t:K,ΔT)＝ELO_ref(t:K,ΔT)+ES_ref(t-τref: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，ILO_ref是和参考本振光有关的直流量，IS_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：kin是同相信号的光电探测器响应率，kqu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，iref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ES_emi是发射信号振幅，φn_amp为激光放大器引入的噪声相位，φn_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；
接收端，回波信号与发射本振光表示为：
；其中，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；
采用零差正交相干接收，回波信号光与发射本振光进行干涉，干涉光场表示为：
Eemi(t:K,ΔT)＝ELO_emi(t:K,ΔT)+ES_emi(t-τemi: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，ILO_emi是和发射本振光有关的直流量，IS_emi是和发射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：
其中，kin是同相信号的光电探测器响应率，kqu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回波复信号，表示为：
6.根据权利要求1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：采用触发电路提供触发信号，实现参考通道和发射通道的同步接收。
7.根据权利要求5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：所述目标的速度信息和高精度视向距离信息的获得是：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；
所述快速傅里叶变换表示为：
取模之后，通过重心法提取频谱峰值位置和正负，得到多普勒频移fDoppler；
多普勒频率fDoppler与目标运动的速度成正比，表示为：
其中，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，λ0是激光波长；
由于多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；由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，表示为：
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为：
对参考复信号做快速傅里叶变换：
在频域进行加窗滤波后取共轭，表示为：
然后与回波复信号的去多普勒频谱相乘，得到：
再取傅里叶反变换并取模，实现匹配滤波：
其中tri为三角函数，表示为：
以峰值作为判据，通过重心法提取匹配滤波函数峰值位置N，通过公式
其中，Zref为光学延迟线的光学长度，c为光速，ΔT为伪随机码序列的码元宽度，R是目标距离；
最终通过计算匹配滤波峰值位置就获得目标的高精度视向距离信息R，视向分辨率为
8.根据权利要求1-7任一项所述的双通道伪随机码调相测距测速激光雷达方法的装置，其特征在于：包括窄线宽连续激光光源(1)，窄线宽连续激光光源(1)连接有第一光学分束器(2)，第一光学分束器(2)连接有电光相位调制器(3)和第三光学分束器(4)；所述电光相位调制器(3)经任意波形发生器(5)与伪随机编码器(6)连接；所述电光相位调制器(3)的输出端经激光放大器(7)连接有第二光学分束器(8)，第二光学分束器(8)连接有光学环形器(9)和光学延迟线(10)；所述光学环形器(9)经光学扫描器(11)连接有发射接收望远镜(12)；所述第三光学分束器(4)与光学延迟线(10)一同连接有第一光学混频器(13)，第一光学混频器(13)的输出端依次连接有第一光电平衡探测器(14)、第一滤波器(15)和第一模数转换器(16)；所述第三光学分束器(4)与光学环形器(9)一同连接有第二光学混频器(17)，第二光学混频器(17)的输出端依次连接有第二光电平衡探测器(18)、第二滤波器(19)和第二模数转换器(20)；所述第一模数转换器(16)和第二模数转换器(20)一同连接有现场可编程门阵列(21)，现场可编程门阵列(21)连接有上位计算机(22)；所述现场可编程门阵列(21)还分别与伪随机编码器(6)和光学扫描器(11)连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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