专利名称：基于微波光子学的飞秒测距激光雷达数据测量装置及方法
技术领域：
本发明属于飞秒光学检测、微波信号处理技术领域，尤其是ー种基于微波光子学的飞秒测距激光雷达实时数据的测量装置及方法。
背景技术：
基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达的信号，是ー个时域上的干涉条纹，属于微波脉冲。在现有方案中，通常是采用高速光电探测器采集时域干渉信号，然后使用实时采样磷光示波器对光电探测器输出的电信号进行采样和记录。但是，通常实时采样磷光示波器的响应频率低于高速光电探测器的响应频率，这会限制信号测量的动态范围； 而且，为了保证探测的精度，实时采样磷光示波器的采样频率一般很高(GHz数量级)。对于长时间、实时探测任务，数据量极大，因此，这对于数据的高速存储是一个很大挑战。最后，由于在实时监测高速振动目标时，飞秒激光脉冲的重复频率很高(MHz数量级)，而现有方案中是采用先记录数据，后继再处理的办法，这对于实时监测并闭环控制高速运动的物体(如磁悬浮陀螺)就已经失去了意义。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提出了ー种基于微波光子学的飞秒测距激光雷达实时数据的測量装置及方法。根据本发明的一方面，提出ー种基于微波光子学的飞秒测距激光雷达实时数据测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤步骤1，将基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达测量得到的距离信号转化为时域干涉条纹的频率信号，即微波脉冲频率信号；步骤2，将所述微波脉冲频率信号经过带通滤波器滤波后使用微波放大器放大；步骤3，将放大后的微波脉冲频率信号作为调制信号，对载波进行相位调制，其中，所述微波脉冲频率信号的频率对应于所述载波第一边带信号的中心频率；步骤4，通过光学鉴频器，使用边缘方法检测所述载波第一边带信号的频率，即可得到所述微波脉冲频率信号的频率。其中，所述带通滤波器的带通范围为1-40GHZ。其中，所述载波采用单频连续光激光器产生。所述步骤4进ー步为通过检测所述载波第一边带信号在鉴频器上透过率的变化，来反演所述载波第一边带信号的频率变化。其中，所述光学鉴频器为串联式光纤干涉仪。所述步骤4进ー步包括以下步骤步骤41，測量得到所述串联式光纤干涉仪输出的两路信号信号強度的比值
R12 ( W m);步骤42，根据所述信号強度的比值与所述微波脉冲频率信号的频率ωπ之间的关系求得所述微波脉冲频率信号的频率ωπ。所述信号強度的比值与所述微波脉冲频率信号的频率ωπ之间的关系为
刚输)=丨其中，足=^kip，Ii1为ー阶Bessel函数在零点附近的斜率，^为调制系数，
、ち(％ +ω ,)分别为所述串联式光纤干涉仪输出的两路信号的透过率函数，死为载波的相位角。所述透过率函数+ 0m)、f2(i^ + %)分别为
权利要求
1.ー种基于微波光子学的飞秒测距激光雷达实时数据测量方法，其特征在干，该方法包括以下步骤 步骤1，将基于实时色散傅立叶变换的飞秒测距激光雷达测量得到的距离信号转化为时域干涉条纹的频率信号，即微波脉冲频率信号； 步骤2，将所述微波脉冲频率信号经过带通滤波器滤波后使用微波放大器放大； 步骤3，将放大后的微波脉冲频率信号作为调制信号，对载波进行相位调制，其中，所述微波脉冲频率信号的频率对应于所述载波第一边带信号的中心频率； 步骤4，通过光学鉴频器，使用边缘方法检测所述载波第一边带信号的频率，即可得到所述微波脉冲频率信号的频率。
2.根据权利要求I所述的测量方法，其特征在于，所述带通滤波器的带通范围为I-40GHz ο
3.根据权利要求I所述的测量方法，其特征在于，所述载波采用单频连续光激光器产生。
4.根据权利要求I所述的测量方法，其特征在于，所述步骤4进ー步为通过检测所述载波第一边带信号在鉴频器上透过率的变化，来反演所述载波第一边带信号的频率变化。
5.根据权利要求I所述的测量方法，其特征在于，所述光学鉴频器为串联式光纤干涉仪。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤4进ー步包括以下步骤 步骤41，測量得到所述串联式光纤干涉仪输出的两路信号信号強度的比值R12(Com)； 步骤42，根据所述信号強度的比值与所述微波脉冲频率信号的频率ωπ之间的关系求得所述微波脉冲频率信号的频率ωπ。
7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述信号強度的比值与所述微波脉冲频率信号的频率Oni之间的关系为
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述透过率函数 (化+匕)、$0^ + iO分别为
9.ー种基于微波光子学的飞秒测距激光雷达实时数据的测量装置，其特征在于，该测量装置包括带通滤波器(I)、微波放大器(2)、单频连续光激光器(3)、光学相位调制器(4)、鉴频器、探測器(9)和光电探测器(10)，其中 所述带通滤波器(I)用于对转换得到的飞秒测距激光雷达的时域微波脉冲频率信号进行滤波；所述微波放大器(2)用于对经过滤波后的信号进行放大； 所述单频连续光激光器(3)用于产生载波信号； 所述光学相位调制器(4)用于以经所述微波放大器(2)放大后的信号作为调制信号对所述载波信号进行相位调制； 所述鉴频器用于检测经所述相位调制得到的载波信号的频移； 所述探测器(9)和光电探测器(10)用于接收所述鉴频器输出的两路信号，并测量这两路信号的信号強度值。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于，所述鉴频器为串联式光纤干涉仪。
11.根据权利要求8所述的测量装置，其特征在于，所述串联式光纤干涉仪依次包括偏振控制器(5)、保偏光纤(6)、偏振控制器(7)以及光纤偏振分束器PBS (8)。
12.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括示波器(11)，用于接收、显示和处理所述探测器(9)和光电探测器(10)接收到的信号。
13.根据权利要求7所述的测量装置，其特征在于，根据所述两路信号的信号强度值的比值与所述微波脉冲频率信号的频率ωπ之间的关系求得所述微波脉冲频率信号的频率
14.根据权利要求13所述的测量装置，其特征在于，所述信号强度值的比值与所述微波脉冲频率信号的频率之间的关系为其中
15.根据权利要求14所述的测量方法，其特征在于，所述透过率函数$(化+ m)、 + %)分别为
全文摘要
本发明公开了一种基于微波光子学的飞秒测距激光雷达实时数据测量方法和装置。该方法包括以下步骤将飞秒测距激光雷达测量得到的距离信号转化为微波脉冲频率信号；将微波脉冲频率信号带通滤波后放大；将放大后的信号作为调制信号对载波进行相位调制；通过光学鉴频器检测载波第一边带信号的频率，得到所述微波脉冲频率信号的频率。该装置包括带通滤波器、微波放大器、单频连续光激光器、光学相位调制器、鉴频器、探测器和光电探测器和示波器。本发明结合光学边缘鉴频技术，解决了现有的飞秒测距激光雷达实时数据的传统测量方法响应频率不够、数据存储要求高，以及实时闭环控制难以实现的问题。
文档编号G01S17/08GK102841355SQ20121031530
公开日2012年12月26日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者夏海云, 胡冬冬, 孙东松, 窦贤康, 舒志峰, 薛向辉 申请人:中国科学技术大学