一种基于克尔光频梳的混沌激光测距装置及测距方法

本发明涉及激光测距，尤其涉及一种基于克尔光频梳的混沌激光测距装置及测距方法。

背景技术：

1、在激光技术和雷达技术的日益深入，演变出来了激光雷达技术，该技术的原理是用激光作为信号源来替代经典的雷达技术中的电磁波，具有体积小，质量轻，采集信号实时性强，分辨率高的优点；因此，激光雷达技术能够被广泛应用在智能驾驶，军事航空航天等领域中。但是，在激光雷达系统的实际应用中，由于外界环境的干扰，激光雷达的性能会受到较大的影响，无法保证正常工作。

2、混沌激光作为非线性激光系统的输出，是激光器输出不稳定性的一种特殊形式，和其他混沌信号一样，具有非线性、确定性、对初值的敏感性、存在吸引子、长期不可预测等特性。混沌激光在频域表现为类噪声的宽带连续功率谱，在时域表现为对初始条件及其敏感的非周期随机信号，具有良好的相关特性。利用混沌激光作为探测信号的混沌激光雷达既能满足高精度测量要求，又具有高抗干扰能力，成为提高激光雷达系统抗干扰能力的一种波形信号选择。但是，现有技术中的混沌激光雷达采用解复用单元和探测器阵列采集信号，复杂度较高，不易于并行化拓展，此外，在对信号进行相关性检测，通常采用计算多次平均值求取相关系数的方法，或者采用以for循环为基本结构的互相关算法，相关系数运算量大，消耗了大量的时间，无法满足超高速测距的需求。因此，如何使激光雷达同时兼顾较低的系统复杂度和超高速测距是当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于克尔光频梳的混沌激光测距装置及测距方法。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于克尔光频梳的混沌激光测距装置，包括：

3、克尔光频梳产生模块，用于将泵浦光发送到非线性微环谐振腔，产生混沌克尔光频梳；

4、克尔光频梳收发模块，包含分束器、发射模块和接收模块；其中，所述分束器用于将所述混沌克尔光频梳分为功率不同的两路光频梳信号；

5、所述发射模块用于将功率高的一路光频梳信号进行功率放大后，通过信号发射单元发射到目标物体的水平方向上；

6、所述接收模块由回波信号接收端和参考信号接收端组成，所述回波信号接收端用于接收经所述目标物体反射后的回波光信号，并经光电转换处理得到回波电信号；所述参考信号接收端用于对另一路光频梳信号进行功率衰减得到参考光信号，并经光电转换处理得到参考电信号；

7、上位机，用于通过循环卷积互相关算法，对所述回波电信号和所述参考电信号进行互相关处理，得到所述目标物体的距离信息。

8、优选地，所述上位机包含序列抽取单元、互相关计算单元和距离计算单元；

9、所述序列抽取单元，用于将所述参考电信号和所述回波电信号的时间序列进行抽样提取，得到所述参考电信号和所述回波电信号的离散序列；

10、所述互相关计算单元，用于获取循环卷积互相关算法，并将所述参考电信号和所述回波电信号的离散序列输入所述循环卷积互相关算法，得到互相关系数序列；

11、所述循环卷积互相关算法，具体为：

12、

13、其中，xcor为所述参考电信号与所述回波电信号的互相关系数序列；sr为所述参考电信号的离散序列，其长度为n+n；s为所述回波电信号的离散序列，其长度为n；es为均值中心处理后的所述回波电信号的离散序列；one为长度为n的单位序列；为长度为n的循环卷积运算；

14、均值中心处理后的所述回波电信号的离散序列es表示为：

15、

16、所述循环卷积运算表示为：

17、

18、所述距离计算单元，用于基于所述互相关系数序列，通过峰值延时得到混沌克尔光频梳从发射到被接收的飞行时间，并根据所述飞行时间计算所述目标物体的距离。

19、优选地，所述克尔光频梳产生模块包括：

20、半导体激光器，用于产生泵浦光；

21、光功率放大器，用于对所述泵浦光进行功率放大；

22、滤波器，对功率放大后的泵浦光进行滤波；

23、偏振控制器，用于对滤波后的泵浦光进行偏振调节；

24、第一准直镜，用于将偏振调节后的泵浦光水平射入非线性微环谐振腔；

25、所述非线性微环谐振腔，用于在泵浦光下发生非线性效应，产生高宽带的混沌克尔光频梳；

26、第二准直镜，用于获取所述非线性微环谐振腔产生的混沌克尔光频梳；

27、隔离器，用于对所述混沌克尔光频梳中的光学干扰信号进行隔离。

28、优选地，所述非线性微环谐振腔为近零色散的氮化硅微环谐振腔。所述发射模块包括依次连接的掺饵光纤功率放大器、第三准直镜和信号发射单元；

29、所述掺饵光纤功率放大器，用于对功率高的一路光频梳信号进行功率放大；

30、所述第三准直镜，用于将功率放大后的光频梳信号发射到所述信号发射单元；

31、所述信号发射单元包含光栅和位于所述光栅一级衍射方向上的红外反射镜；所述光栅用于对所述光频梳信号进行衍射；所述红外反射镜用于将发生衍射后的光频梳信号射向目标物体。

32、优选地，所述信号发射单元还包含电压源和与所述电压源电连接的振镜；

33、所述振镜用于使所述红外反射镜反射的克尔光频梳以竖直方向对所述目标物体进行扫描，得到所述目标物体的三维点阵图。

34、优选地，所述接收模块包含多通道示波器，与所述多通道示波器连接的第一雪崩光电探测器和第二雪崩光电探测器，以及与所述第一雪崩光电探测器连接的可调衰减器；

35、所述可调衰减器，用于对另一路光频梳信号进行功率衰减，得到参考光信号；

36、所述第一雪崩光电探测器，用于将所述参考光信号转换为参考电信号；

37、所述第二雪崩光电探测器，用于接收经目标物体反射后的回波光信号，并将所述回波光信号转换为回波电信号；

38、所述多通道示波器，用于通过第一通道和第二通道分别采集所述参考电信号和所述回波电信号，并将所述参考电信号和所述回波电信号传至所述上位机。

39、此外，本发明还提供一种基于克尔光频梳的混沌激光测距方法，包括：

40、通过分布式反馈激光器和光反馈电路产生一个混沌干扰光源；

41、通过克尔光频梳产生模块产生混沌克尔光频梳，并通过分束器将所述混沌克尔光频梳分成功率不同的两路光频梳信号；

42、将所述混沌干扰光源与功率高的一路所述光频梳信号共同发射至目标物体；

43、通过回波信号接收端获取经所述目标物体反射后的含干扰的回波光信号，进行光电转换处理后得到含干扰的回波电信号；

44、通过参考信号接收端获取另一路光频梳信号，进行光电转换处理后得到参考电信号；

45、通过循环卷积互相关算法，对所述参考电信号与所述含干扰的回波电信号进行互相关处理，得到所述目标物体的距离信息。

46、优选地，所述通过循环卷积互相关算法，对所述参考电信号与所述含干扰的回波电信号进行互相关处理，得到所述目标物体的距离信息，包括：

47、将所述参考电信号和所述回波电信号的时间序列进行抽样提取，得到所述参考电信号和所述回波电信号的离散序列；

48、获取循环卷积互相关算法；

49、将所述参考电信号和所述回波电信号的离散序列输入所述循环卷积互相关算法，以得到互相关系数序列；

50、基于所述互相关系数序列，通过峰值延时得到混沌克尔光频梳从发射到被接收的飞行时间；

51、根据所述飞行时间计算所述目标物体的距离；

52、其中，所述循环卷积互相关算法为：

53、

54、上式中，xcor为所述参考电信号与所述回波电信号的互相关系数序列；sr为所述参考电信号的离散序列，其长度为n+n；s为所述回波电信号的离散序列，其长度为n；es为均值中心处理后的所述回波电信号的离散序列；one为长度为n的单位序列；为长度为n的循环卷积运算；

55、均值中心处理后的所述回波电信号的离散序列es表示为：

56、

57、所述循环卷积运算表示为：

58、

59、优选地，所述飞行时间包含克尔光频梳在光纤中传输的时间以及在空气中传播的时间；

60、所述根据所述飞行时间计算所述目标物体的距离，包括：

61、获取距离模型；

62、将所述飞行时间输入所述距离模型，得到所述目标物体的实际距离；

63、其中，所述距离模型为：

64、

65、其中，d为所述目标物体的实际距离；c为克尔光频梳在空气中的传播速度；δt为所述飞行时间；l为从掺铒光纤放大器到信号发射单元的光纤长度。

66、由上述可知，本发明提供的基于克尔光频梳的混沌激光测距装置和测距方法，克尔光频梳产生模块产生高宽带的混沌克尔光频梳，该高宽带的混沌克尔光频梳具有高带宽特性，并具有良好的抗干扰能力；克尔光频梳收发模块以混沌克尔光频梳为激光源，通过分束器将激光源分为功率不同的两路光频梳信号，其中功率较小的一路光频梳信号输入接收模块的参考信号接收端，由参考信号接收端对该路光频梳信号进行衰减后，经过光电转换得到参考电信号；另一路光频梳信号输入发射模块，通过发射模块对该路光频梳信号进行放大后，通过信号发射单元发射到目标物体的水平方向上，经目标物体反射后的光频梳信号作为回波光信号被接收模块的回波信号接收端接收，经过光电转换后，得到回波电信号，该克尔光频梳收发模块通过信号发射单元发射测距信号，同时通过雪崩探测器和多通道示波器采集参考信号和回波信号，具有结构简单、复杂程度低的优点；最后由上位机获取回波电信号和参考电信号，通过循环卷积互相关算法进行互相关处理，得到目标物体的距离信息，可以实现超高速测距的目的。