基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光雷达领域，具体涉及基于微波光子信号处理的相位编码激光成像 雷达。
【背景技术】
[0002] 相位编码激光雷达依据码源对光波载频信号进行调相，而后发射相位编码激光脉 冲信号。目标反射激光脉冲编码信号，经传输延迟被接收机接收并由探测器转化为回波编 码电信号，相位编码回波信号与激光发射相位编码信号经过数据采集送入计算机完成相关 运算，再经过信号处理，最终给出目标的距离参数。但相位编码信号的探测需要高速探测器 对信号进行快速采样，用于激光成像雷达的阵列探测器对激光信号的采样速度受到阵列探 测器制作工艺的限制，不能满足大面阵相位编码激光雷达对信号采样的速度要求，从而限 制了相位编码信号的码宽，并造成了相位编码激光成像雷达测距分辨率低的缺陷。相位编 码激光成像雷达探测器的每个像素为处理相位编码信号，需要保持较大带宽，但由于系统 采用阵列探测器，像素数目众多，因此整个系统需要极大的信号带宽，信号处理器的负担极 重。在信号处理器设计的处理能力受到制约的情况下，系统能采用的相位编码信号的码宽 进一步受到限制。因此相位编码体制在激光成像雷达方面的应用在未能克服这两个难题的 情况下，不能在实际中体现其优势。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是解决现有相位编码激光成像雷达的采样速率低、信号处理器总信 号带宽受限，导致测距分辨率低的问题，提出基于微波光子信号处理的相位编码激光成像 雷达，突破探测器采样速率和信号总带宽对距离分辨率的限制，降低系统对探测器采样速 率的要求，降低信号处理的计算量，降低系统硬件要求，提高激光雷达系统距离分辨率和信 号处理速率。系统在接收端采用解调制器控制进入探测器的激光编码信号，并利用累积型 阵列探测器的累积探测信号特性对采集到的信号进行累积，从而判断信号的相位延迟，并 转化为目标距离。
[0004] 本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
[0005] 本发明包括激光器、激光调制单元、光学天线、相位编码信号发生器、脉冲信号发 生器、激光解调单元、信号处理器和计算机，所述的激光解调单元包括阵列探测器和解调制 器；
[0006] 激光器发射幅度恒定的激光信号，相位编码信号发生器产生调制信号和解调制信 号，脉冲信号发生器产生时钟信号；激光信号经过激光调制单元调制成为伪随机激光脉冲 序列信号，经过光学天线照射在目标上；光学天线接收目标的激光脉冲回波信号；激光脉 冲回波信号经过解调制器，照射在阵列探测器上；在解调制器中，解调制信号控制激光脉冲 回波信号是否通过解调制器，实现解调制信号与激光脉冲回波信号的相乘；阵列探测器在 选通时间内对激光信号进行累积探测，并将累积得到的信号输出给信号处理器，实现解调 制信号与激光脉冲回波信号乘积的相加；信号处理器根据阵列探测器输出的累积信号中的 最高峰，判断激光脉冲回波信号相对于发射的伪随机激光脉冲序列信号的相位差，并输出 给计算机，计算机综合所有像素，计算目标的距离，成目标三维像。
[0007] 所述的激光调制单元包括调制器、第一信号源和第一存储器；所述的光学天线包 括光学发射天线和光学接收天线。
[0008] 所述的激光解调单元还包括选通门控制器、第二信号源和第二存储器；所述相位 编码信号发生器的信号输出端连接第二存储器的信号输入端，第二存储器的信号输出端连 接第二信号源的信号输入端；所述脉冲信号发射器的时钟信号输出端连接第二信号源的时 钟信号输入端；所述第二信号源的解调制信号输出端连接解调制器的解调制信号输入端； 所述第二信号源的控制信号输出端连接选通门控制器的控制信号输入端；所述选通门控制 器的控制信号输出端连接阵列探测器及信号处理器的控制信号输入端；所述阵列探测器的 信号输出端连接信号处理器的接收信号输入端；所述信号处理器的信号输出端连接计算机 的信号输入端。
[0009] 所述的激光器用来发射恒定强度的激光信号，激光器的激光发射端连接调制器的 光输入端，调制器的光输出端连接光学发射天线的光输入端；所述的光学接收天线用来接 收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线输出的光信号输入到解调制器的光输入端，解 调制器的光信号输出端输出的光信号照射在阵列探测器的像素表面上。
[0010] 所述相位编码信号发生器的信号输出端连接第一存储器的信号输入端，第一存储 器的信号输出端连接第一信号源的信号输入端；所述脉冲信号发生器的时钟信号输出端连 接第一信号源的时钟信号输入端，第一信号源的驱动脉冲信号输出端连接调制器的驱动脉 冲信号输入端。
[0011] 本发明的具有的有益效果：
[0012] 1.采样速率低
[0013] 本发明根据解调制器和累积型阵列探测器的硬件特性，使信号相关运算的相乘和 信号相加过程在信号解调制和累积探测过程中通过硬件完成，采样的时间等于kN+1倍的 子码宽度。相对于其他相位编码雷达的采样时间，本发明的采样时间被延长了kN+1倍，避 免了对回波信号的高速采集，使阵列探测器能够满足系统的采样要求。设信号子码宽度t， 探测器采样时间为（kN+1)t。
[0014] 2.测距分辨率高
[0015] 因为采用相位编码方法调制激光信号，使本发明的测距分辨率达到信号子码宽度 T。在雷达的调制和解调过程中，均可以采用高频调制器进行调制，因此可以极大地减小信 号子码宽度。另由于探测器采用的是累积型探测器对照射在探测器上的激光信号进行累积 探测后输出，累积时间与解调制信号序列周期长度相等，雷达的采样频率不再需要大于或 等于信号频率的2倍，因此序列子码宽度不再受雷达采样频率所限制。综合这两个因素，信 号子码宽度可以极大地减小，使得雷达的测距分辨率等于信号子码宽度，得到极高的雷达 测距分辨率。设信号子码宽度T，则雷达测距分辨率为
[0016] 3.运算量少，可实时探测
[0017] 常规相位编码激光雷达系统中解调制信号与回波信号的卷积运算占用了大量的 计算机资源，当采用阵列探测器时，运算量成倍增长，因此在信号处理器的处理带宽受限 时，系统无法实时探测。由于本发明的解调制器采用微波光子器件，解调制信号与回波信号 的乘积实质上是在解调制器中完成，且处理过程为光学信号处理过程，避免了信号间的串 扰。当累积型探测器对解调后的信号进行累积探测时，实质上是完成了解调制信号与回波 信号乘积的相加。这样由解调制器和累积型探测器在微波光子学领域内共同完成了解调制 信号和回波信号的卷积，避免了常规相位编码激光雷达系统中采用电信号的卷积运算。信 号处理器和计算机所起到的作用仅为时统作用，依信号输出的顺序判断解调制信号和回波 信号的相位差，计算目标距离和成目标距离像。因此在计算机中的运算量明显减小，系统可 以实现实时探测过程。
[0018]4?信噪比高
[0019]本发明发射宽脉冲激光信号（宽度为m序列周期Nt)，信号能量大。因为采用选 通方式接收信号，雷达不接收选通区间外的背景噪声和大气散射噪声，从而降低了噪声能 量，充分发挥了距离选通激光成像雷达的高信噪比优势。又因为本发明采用相位编码方式 对信号进行调制，接收仍采用等效的相关运算的算法，可以提高信号信噪比#倍。
[0020] 5.测距范围大
[0021] 本发明发射宽脉冲激光信号（宽度为m序列周期Nt)，信号能量大，从而使雷达的 测量范围增加。由于使用相位编码方式，进行距离的大尺度测量，可以通过改变序列长度改 变提高信号信号比，从而提高测距距离。
[0022] 6.抗干扰性能好
[0023] 因为采用相位编码方式，编码规律近乎于随机序列，具备优良的抗干扰性能。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的工作流程图；
[0025] 图2为本发明的信号示意图。
【具体实施方式】
[002