专利名称：亚毫米级线性调谐激光测距系统的制作方法
技术领域：
亚毫米级线性调谐激光测距系统技术领域[0001]本专利涉及激光雷达技术，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：
[0002]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2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。[0003]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。[0004]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。[0005]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。[0006]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。[0007]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
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。
专利摘要本专利公开了一种亚毫米级线性调谐激光测距系统，它应用于激光测距。本专利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。本专利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G01S17/36GK202281835SQ20112039764
公开日2012年6月20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, 吴世辉, 张锟峰, 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