前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及前置混频的啁嗽调制光子计数激光雷达，属于计数激光雷达技术领 域。
【背景技术】
[0002] 啁嗽调制光子计数激光雷达融合了两大微弱信号探测技术，即啁嗽调制解调技术 和Gm-AH)光子计数技术，这使得啁嗽调制光子计数激光雷达具有极高的响应灵敏，对微弱 信号探测领域具有重要的意义，因此成为了研究的热点。但是啁嗽调制式光子激光雷达所 使用的工作在盖革模式下的雪崩光电二极管Gm-AH)光子探测器每次采样探测后都需要一 定的时间进行雪崩抑制，目前Gm-AH)器件的死时间一般为几十纳秒，这极大的限制了采样 探测的频率，从而致使啁嗽调制式光子激光雷达的信号调制带宽也受到限制。众所周知，啁 嗽调制式光子激光雷达的测距精度和信号的调制带宽成反比关系，因此较低的信号调制带 宽一直都制约着啁嗽调制式光子激光雷达测距精度的提高。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是为了解决现有啁嗽调制光子计数激光雷达采用的Gm-AH)器件固有 的死时间限制了其采样探测的频率，进而制约了其测距精度的问题，提供了一种前置混频 的啁嗽调制光子计数激光雷达。
[0004] 本发明所述前置混频的啁嗽调制光子计数激光雷达，它包括信号发射器、激光器、 发射光学系统、可调门宽控制模块、接收光学系统、Gm-AH)单光子探测器、低通滤波器、傅里 叶变换模块和计算机，
[0005] 信号发射器用于产生啁嗽调制电信号，该啁嗽调制电信号分为两路，一路用于驱 动激光器产生强度受啁嗽调制的激光信号，该激光信号经由发射光学系统准直后，照射到 待测目标；另一路输出给可调门宽控制模块，使可调门宽控制模块产生系列携带啁嗽调制 电信号的采样门，并输出给Gm-AH)单光子探测器，该系列采样门的时间间隔相同，宽度正 比于啁嗽调制电信号幅度；
[0006] 待测目标依次在每个采样门内反射的激光信号由接收光学系统接收，并聚焦在Gm-AH)单光子探测器的光敏面上，使Gm-AH)单光子探测器依次响应每个采样门内待测目 标反射的激光信号能量，Gm-AH)单光子探测器采样探测的结果为携带啁嗽调制电信号的采 样门与携带啁嗽调制电信号的激光信号能量相乘的结果，该结果经低通滤波器滤除高频信 号，挑选出中频信号，该中频信号经傅里叶变换模块变换后，再经计算机从中频频谱上找到 中频峰值的位置，根据中频的频率正比于两路啁嗽调制电信号之间的时间差，从而得到待 测目标的距离。
[0007] 可调门宽控制模块的第i个采样门的宽度tgate(i)为：
[0008]
[0009] 其中i=l，2,3，……，n;n为采样门的总个数；
[0010] 式中t为第i个采样门的初始时刻，tsaBI^是相邻两个采样门的时间间隔，Δt是 最大米样门的时间宽度，f。是啁嗽调制的初始调制频率，k是啁嗽调制的调制斜率：
[0011] k=B/T，B为调制带宽，T为调制时间；
[0012] 沪是啁嗽调制的初始相位。
[0013] 待测目标反射的激光信号强度、^为：
[0014]
[0015] 式中I_k是激光器的峰值发射功率，Μ为待测目标反射的激光信号衰减系数，τ为 激光在待测目标和接收光学系统之间往返时间的延迟；
[0016] Gm-AH)单光子探测器依次响应的每个采样门内待测目标反射的激光信号能量 EG)为：
[0017]
[0018] 上式最终的表达式中第一项为差频信号，即中频信号，其余为高频项。
[0019] 本发明的优点：本发明利用本振啁嗽调制信号直接调制Gm-APD采样门，使其采样 门的宽度正比于本振啁嗽调制信号的强度，通过采样门的时间变化完成与回波反射信号的 混频，这样Gm-APD响应的就是混频后的中频信号，只要Gm-APD的采样频率满足中频信号的 两倍即可，解除了Gm-AH)有限的采样频率对信号调制带宽的限制，从而可以工作在更高的 信号调制带宽下，有效的提高了其系统的测距精度。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明所述前置混频的啁嗽调制光子计数激光雷达的原理框图；
[0021] 图2是可调采样门宽度控制示意图；
[0022] 图3是本发明前置混频雷达工作在调制带宽B= 10MHz情况下的中频信号曲线 图；
[0023] 图4是本发明前置混频雷达工作在调制带宽B= 20MHz情况下的中频信号曲线 图；
[0024] 图5是本发明前置混频雷达工作在调制带宽B= 30MHz情况下的中频信号曲线 图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0025] 一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述前置混频 的啁嗽调制光子计数激光雷达，它包括信号发射器1、激光器2、发射光学系统3、可调门宽 控制模块4、接收光学系统5、Gm-APD单光子探测器6、低通滤波器7、傅里叶变换模块8和 计算机9，
[0026] 信号发射器1用于产生啁嗽调制电信号，该啁嗽调制电信号分为两路，一路用于 驱动激光器2产生强度受啁嗽调制的激光信号，该激光信号经由发射光学系统3准直后，照 射到待测目标；另一路输出给可调门宽控制模块4,使可调门宽控制模块4产生系列携带啁 嗽调制电信号的采样门，并输出给Gm-APD单光子探测器6,该系列采样门的时间间隔相同， 宽度正比于啁嗽调制电信号幅度；
[0027] 待测目标依次在每个采样门内反射的激光信号由接收光学系统5接收，并聚焦在 Gm-APD单光子探测器6的光敏面上，使Gm-APD单光子探测器6依次响应每个采样门内待测 目标反射的激光信号能量，Gm-AH)单光子探测器6采样探测的结果为携带啁嗽调制电信号 的采样门与携带啁嗽调制电信号的激光信号能量相乘的结果，该结果经低通滤波器7滤除 高频信号，挑选出中频信号，该中频信号经傅里叶变换模块8变换后，再经计算机9从中频 频谱上找到中频峰值的位置，根据中频的频率正比于两路啁嗽调制电信号之间的时间差， 从而得到待测目标的距离。
[0028] 可调门宽控制模块4的第i个采样门的宽度⑴为：
[0029]
[0030] 其中i=l，2,3，……，n;n为采样门的总个数；
[0031] 式中t为第i个采样门的初始时刻，tsaBI^是相邻两个采样门的时间间隔，Δt是 最大米样门的时间宽度，f。是啁嗽调制的初始调制频率，k是啁嗽调制的调制斜率：
[0032] k=B/T，B为调制带宽，T为调制时间；
[0033] F是啁嗽调制的初始相位。
[0034] 待测目标反射的激光信号强度:
[0035]
[0036] 式中I_k是激光器2的峰值发射功率，Μ为待测目标反射的激光信号衰减系数，τ 为激光在待测目标和接收光学系统5之间往返时间的延迟；
[0037] Gm-AH)单光子探测器6依次响应的每个采样门内待测目标反射