与T3的互相关函数可以由1~2和T3的解调函数得到。
[0071] 以上推导过程可以进一步延伸，得到更广泛的解调制信号构造方法。
[0072] 设A - (A，^，…，A\h \ 11，11 i:，…，A、，())7 其中 k E N，T4为基于微波光子 信号处理的相位编码激光雷达的解调制信号，其构造为调制信号序列在重复正整数k个 周期后，在其结尾加入一个0信号。则上述推导可以看做是k=l的特例。根据以上推导 可以得到序列1\和T3的相关函数，其形式可以表示为：
[0074] 序列1\与T3的互相关函数可以由T4和T3的解调函数得到。
[0075] 由于序列1\与T3是周期重复的，探测器输出信号的顺序即变成Dp(T4,T3)，其中p =0, 1，2, . . .，N-1。因此可按照探测器输出信号最大值的位置查看序列1\与T3的相关峰位 置，避免了计算机计算解调制信号序列和回波序列的互相关运算，节约了大量计算机资源， 减少了计算时间，使雷达能够实时进行探测。
[0076] 根据1\和T3的解调函数得到序列T:与T3的相位差L，并计算目标距离R为
[0078] 3.传统的相关检测法中，激光脉冲回波序列的检测通常是由信号处理器进行相关 运算来检测的，该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达采用了相位编码脉冲振幅调 制方式对恒定强度的激光信号进行了信息加载过程。此方法将相位编码信号的相关运算分 解为乘积与求和两个步骤，并分别通过分离的解调制器65和累积型阵列探测器64实现这 两个步骤，成功避免了阵列探测器采样速率低、难与窄相位编码信号子码宽度匹配的限制， 使系统能够采用更窄子码宽度的脉冲序列作为激光脉冲信号，提高了系统的测距分辨率， 同时具备了相位编码激光成像雷达的探测距离远、信噪比高等优点。
[0079] 4.传统的相关检测过程中，序列相关检测通常是电信号与电信号的相关检测过 程，该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达采用微波光子器件实现电信号对激光回 波信号的相关检测。系统中解调制器65和累积型阵列探测器64输入的信号为电信号，解 调制器65在解调制信号的控制下，完成激光回波信号与解调制信号的相乘，选通门控制器 61在解调制信号的输入下，输出选通门控制电信号，累积型阵列探测器64在选通门控制电 信号的控制下完成激光回波信号与解调制信号乘积的相加过程。由于光的传播特性，这个 过程实现了信号的并行处理，缩短了探测时间，系统可以实现实时探测过程。各像素接收光 信号之间的串扰极小，降低了噪声。
[0080] 5.传统的检测过程中，相位编码信号的序列检测通常需要完成编码序列每一位编 码的探测，该基于微波光子信号处理的相位编码激光雷达不再对相位编码信号的每一位编 码信号进行探测，系统的一次采样为解调制信号和回波信号的一次卷积过程，使系统的采 样时间加长到（kN+1) T，其中k为正整数，而常规相位编码激光雷达的采样时间为T。
[0081] 6.该基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达中回波信号与发射信号相 位差的判断方法如下：
[0082] 雷达中回波信号T3与发射信号T i之间的相位差被成功的转化为回波信号T3与解 调制信号1之间的相位差。阵列探测器64在选通时间内累积信号，并将累积得到的信号 输出给信号处理器7。阵列探测器64输出信号的顺序显示了相关峰位置，信号处理器7根 据阵列探测器64输出的N次累积信号中相关峰位置，判断回波信号相对于发射的伪随机激 光脉冲信号的相位差L，由此计算目标与激光雷达之间的距离j
。该基于微波光子 信号处理的相位编码激光成像雷达根据解调制器65和累积型阵列探测器64的硬件特性完 成系统的重新设计，使计算回波信号T3与发射信号T :的相位差转化为寻找探测器输出最高 值位置，极大地减少了系统的计算量，系统可以实现实时探测过程。
【主权项】
1. 基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，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，其特 征在于：所述的激光解调单元包括阵列探测器和解调制器； 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。2. 根据权利要求1所述的基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，其特征在 于：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。3. 根据权利要求1所述的基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，其特征在 于：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。4. 根据权利要求2所述的基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，其特征在 于：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。5. 根据权利要求2所述的基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达，其特征在 于：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。
【专利摘要】本发明公开了一种基于微波光子信号处理的相位编码激光成像雷达。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制作工艺限制，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，导致相位编码激光成像雷达测距分辨率低。本发明采用光学器件，通过微波光子信号处理方法完成回波信号和参考信号的卷积过程；卷积过程包含在激光解调制器中完成的回波信号和参考信号的乘积过程和在累积型探测器中完成的信号乘积的累加过程。本发明突破探测器采样速率和信号总带宽对距离分辨率的限制，降低对探测器采样速率的要求，提高激光雷达系统距离分辨率和信号处理速率。
【IPC分类】G01S17/89
【公开号】CN104931975
【申请号】CN201510337375
【发明人】吴龙, 杨成华, 张勇, 张君, 张子静, 杨晓城, 鲍佳, 杨旭
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年9月23日
【申请日】2015年6月17日