专利名称：亚毫米级线性调谐激光测距系统及信号处理方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达技术，具体指一种用于测距的亚毫米级线性调谐激光测距系统及其信号处理方法。
背景技术：
当前激光雷达系统按回波的探测方式可分为直接探测激光雷达与相干探测激光
雷达。直接探测结构简单，应用最为广泛，但只能得出激光能量的变化，这种系统是通过测
c. At
量发射和接收光信号的时间延迟(At)来计算距离尺=~^，c是光速，但是分辨率在厘米
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级左右，而且必须使用超窄发射脉冲、高速采样以及灵敏度非常高的雪崩光电二极管作为探测器，对器件要求比较高。相干探测利用连续的本振光信号与回波在探测器上混频，探测灵敏度高，且可得出回波频率与相位变化，在大型相干激光雷达以及激光多普勒雷达中得到应用。由激光雷达理论可知，功率受限时，所探测的距离越远，要求脉冲时宽越大；而要实现的距离分辨率越高，则需要的带宽越大，简单脉冲的时宽带宽乘积接近于1，时宽与带宽相互制约，不能同时增大。故对这种恒定波长的简单激光脉冲，最大作用距离与距离分辨率不可能同时兼顾。最好的解决办法就是，采用具有大时宽与大带宽的复杂信号形式来作为发射信号。信号理论早就指出，大时宽与带宽的发射信号，必须使用复杂的调制波形。常用的有三种形式线性调频、非线性调频和相位编码调制。由于线性调频信号(LFM信号，即啁啾信号)易于产生、便于处理、对多普勒频移不敏感，所以其应用最广。微波雷达已经有了成功的应用，同理，借鉴微波雷达，激光雷达也出现了一些新体制，包括线性调频连续波 (LFMCff)激光雷达、伪随机码调相激光雷达以及啁啾信号调幅激光雷达等。伪随机码调相激光雷达由于受到多普勒敏感以及距离压缩旁瓣太高等限制，这种体制的激光雷达应用少有研究；非线性调频激光的信号源调制较为复杂，也很少有研究。啁啾信号调幅激光雷达虽然进展比较大，但是由于其是在幅度上实现啁啾信号调制，而且一般采用声光调制的方式，调制带宽在一般在200MHz左右，由于距离分辨率等于
Pr=告，c为光速，B是调制带宽，其对应距离分辨率为0. 75m，难以实现大带宽的调制就限
制了其距离分辨率的提高。线性调频连续波激光雷达可以采用多种调制方式，声光调制、电光调制和线性调谐等方式。声光调制如上述，其调制带宽比较小；电光调制的调制带宽直接与电压的大小有关，由于受到核心器件(非线性晶体)的最大耐压限制，调制的带宽比声光调制还小；而采用线性调谐可以轻易地实现几十nm范围的调制，对应的带宽就是THz量级，理论分辨率可以达到亚毫米级甚至更小。因为激光器输出谐振波长为λ的激光，必须满足腔长L = η·λ (η为激光器纵模的序号)的驻波条件，所以半导体可调谐激光器的工作原理是通过控制压电陶瓷的伸缩来调节激光谐振腔的腔长，从而实现调整波长的功能。虽然波长是线性变化，频率V = J'c是光速，则频率必然不是线性变化，但是由于光波段的频率比较高，所以
频率可以近似看作线性变化，仍然可以按照普通线性调频(啁啾)信号的雷达进行分析处理，但必须要加上合适的非线性调频误差补偿，这也是本专利要解决的问题。无论系统采用何种形式的载波，无论采用何种调制方式，获得大带宽的信号是最终的目标，纵观所有的系统，采用半导体线性调谐激光器可以取得的带宽最大，一般的波长调谐可以很轻松的实现1550 1630nm之间调谐，例如本专利只选择了 1550 1560nm之间进行线性调谐，目的是使系统的采样率不至于太高。目前NewFocus公司已经有多种型号的波长可调谐激光器，调谐速度有20nm/s，也有lOOnm/s的，本专利采用的就是20nm/s。因此在增大采样率以满足测距要求的情况下，这种系统的带宽还可以继续增大，对应距离分辨率也可以继续增大。本专利在于解决了这种线性调谐方式的回波通道相位误差补偿方法，而且是自适应地补偿办法，凭借数字信号处理的方法，使得这种THz以上的大带宽方式得以应用。
发明内容
本发明的目的是为相干探测激光雷达技术中的线性调频连续波雷达，特指可以实现超大带宽(THz级)信号的线性调谐雷达，提出一种能够使其回波通道相位误差得以自适应补偿，实现信号的频谱压缩，也即脉冲压缩的系统及信号处理算法，从而实现对应带宽的真正意义上的高分辨率，采用半导体激光器直接发射的线性调谐脉冲，无需进行其他的调制，基于解线频调的脉冲压缩技术，利用相位误差自适应补偿程序，结合参考通道数据的信息对回波通道数据进行相位误差补偿，在回波通道数据的频域压缩出超窄脉冲，脉冲的位置与距离一一对应，实现高分率的距离测量，也就使得这种形式的雷达可以真正应用。而且该系统也继承了激光雷达的优点，距离分辨率不随距离增加而降低。波长随时间线性调谐的脉冲信号经发射后，回波信号与同微小延迟的回波本振信号之间存在一个与距离相对应的延时，由于波长调谐啁啾信号，也可以近似看成是线性调频信号，频率随时间线性变化，因此通过相干混频后，固定的延时转换为固定的频差，通过检测频差，也即是频谱中峰值对应的频率位置，就可以得到从而得到回波延时，进而得到目标距离。啁啾信号的“频率-时间”表达式为(锯齿波，即在单周期内频率只随时间线性下降)
权利要求
1.一种亚毫米级线性调谐激光测距系统，它包括线性调谐半导体激光器(1)、90:10光纤耦合器⑵、发射准直镜⑶、极化偏振分束镜⑷、λ /4波片(5)、接收准直镜(6) ,50:50 光纤耦合器I (7)、50:50光纤耦合器II (8)、50:50光纤耦合器III (9)、50 50光纤耦合器 IV (10)、回波通道平衡探测器(11)、参考通道平衡探测器(12)、参考延时光纤(13)、数据采集模块(14)和信号处理程序模块(15)，其特征在于线性调谐半导体激光器(1)输出的激光束&经90:10光纤耦合器( 分为两部分，一部分作为本底光记为S1，另一部分作为发射光记为S2，S2经发射准直镜C3)发射，经过极化偏振分束镜⑷时，一部分反射，另一部分透射，&透射部分激光通过λ/4波片(5)后，激光光偏振方向由线偏振转换为圆偏振，经自由空间路径发射到目标(16)上；本底光S1经过 50 50光纤耦合器I (7)被分成本振光&和参考光&两部分，本振光&经过50 50光纤耦合器II⑶被分成回波本振光^v1和参考本振光；目标(16)对&透射部分激光信号反射，反射回来的信号光，记为回波信号Rtl，它通过 λ/4波片( 后转变为线偏振光，偏振方向与发射时经过λ/4波片( 前的偏振方向垂直，经过极化偏振分束镜(4)时，回波信号Rtl大部分光被反射，反射部分经接收准直镜(6) 耦合到光纤中，记为回波接收信号R1 ；回波接收信号R1与回波本振光Sp1进入50:50光纤耦合器III (9)后耦合在一起，发生混频，被回波通道平衡探测器(11)探测接收，光信号转换为电信号，记为回波通道信号数据A ；参考光、经过一段参考延时光纤(1 后与参考本振光S3_2再进入50 50光纤耦合器 IV(IO)，耦合在一起，发生混频，被参考通道平衡探测器(1 探测接收，光信号转换为电信号，记为参考通道信号数据B;数据采集模块(14)采集两个平衡探测器输出的电信号获得回波通道数据A和参考通道数据B，然后利用信号处理模块(1 对回波通道信号数据A和参考通道信号数据B进行处理得到目标的距离数据。
2.根据权利要求1所述的亚毫米级线性调谐激光测距系统，其特征在于所述的信号处理模块(1 对回波通道信号数据A与参考通道信号数据B的处理步骤如下①对回波通道数据A和参考通道数据B的数据进行加与数据长度等长的汉明窗w(t)， 得到加窗后的回波通道数据A1 A1 = AXwU)(1)和参考通道数据B1 B1 = BXwU)(2)②利用时-频分析从加窗后的回波通道数据A1中提取出相位随时间的分布I1CO，再从加窗后的参考通道数据B1中提取出相位随时间的分布^1O);③将数据B1的相位^siO)减去理想参考通道的相位分布而得到参考通道数据B1的相位误差分布Ai^10):^Blit) = ^Blit)-^Idealit)⑶其中理想参考通道的相位分布为φΜεα1( ) = ^·ΚΓ^- (4)式中是线性调频系数，对于特定系统是个常数，夂,=|，τ为调谐脉冲信号的时间宽度，B为信号带宽，B = c/λ rc/ λ2, A1为激光调谐的起始波长，λ 2为激光调谐的终止波长，c为光速；艮为参考延时光纤中的光程，等于参考延时光纤的长度与光纤折射率1. 5 的乘积；④将相位误差分布乘以一个尺度变换因子ξ，I为0 1之间的某个数，得到变换后的相位误差分布t；拿数据A1的相位分布减去变换后的相位误差分布 <·Δ%1(0，即得到补偿后的回波通道数据A1的相位分布φαο( ) = φΑΙ( )-ξ^φΒΙ( )(5)⑤把补偿后的回波通道数据A1的相位分布与原始的回波通道数据A1的幅度分布 Aabs (t)，结合成为补偿后的回波通道数据C :C = Aabs (O · exp[ ]·φαο(0]⑷⑥对补偿后的回波通道数据C进行傅里叶变换，并计算锐化函数S(ξ )值
全文摘要
本发明公开了一种亚毫米级线性调谐激光测距系统以及信号处理方法，它应用于激光测距。本发明的系统由线性调谐半导体激光器、90:10光纤耦合器、发射准直镜、极化偏振分束镜、λ/4波片、接收准直镜、4个50:50光纤耦合器、2个平衡探测器、参考延时光纤、数据采集模块和信号处理程序模块构成。本发明的亚毫米级线性调谐激光测距系统是基于大范围线性调谐激光脉冲信号，采用零差相干探测及平衡探测技术，最后利用特殊的信号处理程序，计算得出目标的距离信息，优点是系统大部分基于光纤器件，稳定性高，结构简单，探测灵敏度高，作用距离远，测距分辨率可以达到亚毫米级。
文档编号G01S17/36GK102495411SQ201110317209
公开日2012年6月13日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者凌元, 张琨锋, 徐显文, 洪光烈, 胡以华, 舒嵘, 龙启强 申请人:中国科学院上海技术物理研究所