一种太赫兹带宽的调频连续波激光测距装置的制作方法

本发明属于激光雷达，涉及一种太赫兹带宽的调频连续波激光测距装置。

背景技术：

1、雷达作为全天候、全时间和远距离目标检测识别的唯一手段，自发明以来就受到了广泛的关注，被认为是未来智能社会必不可少的传感器。在过去的几十年里，人们致力于提高雷达的功能、精度和响应时间，其中关键是高速产生、控制和处理宽带信号。传统的雷达以电子为载体实现信号的产生和处理，不管是数字技术还是模拟技术，在分辨率和处理速度等方面都面临着带宽瓶颈，难以满足人们对高性能雷达的需求。直接数字频率合成(dds)技术虽然克服了模拟技术的很多缺点，但是输出带宽范围依然有限。

2、调频连续波(fmcw)激光雷达采用频率随时间变化的调制信号进行相干测量，通过测量回波信号与本振信号的频率差进行探测，这使得可以用较小的接收端带宽实现信号的解调，能够相对容易地实现更高的测量分辨力。此外相较于传统的使用脉冲激光信号的飞行时间(tof)法，使用调频连续波不需要高精度的计时器和接收器，不存在距离盲区，可提供更大的测距范围和更高的分辨率与灵敏度，并且理论上不受环境光和其他激光发射器的影响，信噪比更高，对人眼安全。

3、在实现本发明的过程中，发明人发现，现有基于调频连续波激光雷达技术存在以下问题：为了获得大带宽，传统激光雷达通过对激光波长进行线性调节，实现近似线性调频信号的调制。虽然这种基于腔内调制的方法能实现几十ghz甚至thz的调频带宽，然而对于调频信号这种非稳态信号而言，腔内光场的弛豫振荡效应和跳模现象使得该方法输出的调频激光存在严重的非线性效应，且线宽通常在几十mhz量级，最大无模糊距离通常在1m左右。

4、因此，目前需要有一种更好的方案来解决现有技术中的问题。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明的目的是：为了解决上述调频连续波激光雷达现有技术中的问题，实现相干长度可达km量级的超宽带的调频连续光，提出一种基于微波光子学循环移频和扫频技术的太赫兹带宽的调频连续波激光测距装置，以实现窄线宽、调频线性度好、太赫兹带宽的连续光信号，用于激光测距。

3、(二)技术方案

4、为了解决上述技术问题，本发明提供一种太赫兹带宽的调频连续波激光测距装置，其包括种子光系统、循环移频系统、循环扫频系统、时序控制系统、发射/探测系统；

5、所述种子光系统用于产生持续时间为t0、周期为t的方波脉冲光作为循环移频系统的输入光，起始频率为f0；

6、所述循环移频系统用于将方波脉冲光生成首尾相连且脉冲间频率阶梯式变化的准连续光信号；

7、所述循环扫频系统将循环移频系统生成的n+1段频率阶梯式变化的准连续光信号的每个脉冲的频率连续调谐至下一个脉冲的起始频率，实现准连续光在频域上的连续变化；

8、所述时序控制系统用于将种子光的持续时间t0、循环扫频一圈所需时间和循环扫频周期相等，即通过同源触发信号发生器，对光开关调制信号和循环扫频调制信号的起始时间进行同步，使得每个光脉冲能够从起始时间开始扫频，最终生成在时域上和频域上都是连续的线性调频光信号，实现多段调频连续光的拼接实现太赫兹带宽的调频连续波功能；

9、所述发射/探测系统用于发射循环扫频探测光束和接收回波光束，本振光与回波信号相干混频，经平衡探测器、信号放大器、混频器、低通滤波器后进入信息处理系统，得到中频频谱来计算目标物的距离。

10、其中，所述种子光系统包括窄线宽单频光纤激光器1、光开关2、同步触发器3；窄线宽单频光纤激光器1与光开关2连接，光路时序控制由同步触发器3控制。

11、其中，所述循环移频系统包括同步触发器3、第一2×2光纤耦合器4、第一电光调制器5、第一edfa放大9和带通滤波器10、任意波形发生器6、第一射频开关7、第一微波放大器8；所述第一2×2光纤耦合器4的输入端口连接光开关2的输出端口，输出端口与第一电光调制器5的光信号输入端口相连，任意波形发生器6输出的固定频率的微波与第一射频开关7输入端口连接，第一射频开关7的输出端口与第一微波放大器8的输入端口连接，第一微波放大器8的输出端口连接第一电光调制器5的微波信号输入端口，第一电光调制器5的光信号输出端口与第一edfa放大器9的输入端口连接，第一edfa放大器9的输出端口与带通滤波器10的输入端口连接，带通滤波器10的输出端口作为输入与第一2×2光纤耦合器4连接；任意波形发生器6和第一微波放大器8用于产生固定频率的射频信号，射频信号的值即为每段循环移频的频率间隔；第一edfa放大器9补偿循环移频环路中光强的损耗；通过设置带通滤波器10的中心频率和通带带宽，控制循环移频的圈数和最大移频的大小。

12、其中，所述循环扫频系统包括第二电光调制器11、任意波形发生器6、第二射频开关12、第二微波放大器13、同步触发器3；第一2×2光纤耦合器4的输出端与第二电光调制器11的光信号输入端口相连，任意波形发生器6的波形输出端口与第二射频开关12连接后与第二微波放大器13的输入端口相连，第二微波放大器13的输出端口连接第二电光调制器11的微波信号输入端口。

13、其中，所述时序控制系统包括同步触发器3、光开关2、第一射频开关7和第二射频开关12；同步触发器3的电信号输出端口分别与光开关2、第一射频开关7、第二射频开关12的电输入端口相连；信号光在循环移频环路中的每一次作用时间、第一射频开关时间和第二射频开关时间都等于方波脉冲的持续时间t0。

14、其中，所述发射/探测系统包括1×2光纤分束器14、第二edfa放大器15、环形器16、发射/接收光学望远镜17、目标物18、第二2×2光纤耦合器19、平衡光电探测器20、信号放大器21、混频器22、低通滤波器23、信息采集与处理系统24；第二电光调制器11的光信号输出端口与1×2光纤分束器14的输入端口连接，1×2光纤分束器14分束后形成两路输出光，其中一路作为本振光，另一路作为探测光，其中本振光与2×2光纤耦合器19的输入端口连接，探测光与第二edfa放大器15的输入端口连接，第二edfa放大器15的输出端口与环形器16的第一端口连接，环形器16的第二端口与发射/接收光学望远镜17的输入端口连接后发射到空间中对目标物18进行探测，由目标物18反射后的光由发射/接收光学望远镜17进行接收，接收后的光信号经环形器16的第三端口输出后与2×2光纤耦合器19的输入端口连接，2×2光纤耦合器19的输出端口连接平衡光电探测器20输入端口，平衡光电探测器20的输出端口依次连接信号放大器21、混频器22和低通滤波器23后最终与信息采集与处理系统24相连。

15、其中，所述窄线宽单频光纤激光器1发出的激光为连续光，波长中心在1550nm且激光线宽小于10khz。

16、其中，所述循环移频系统中，第一电光调制5为iq调制器，任意波形发生器6和第一微波放大器8用于产生固定频率的射频信号，作为第一电光调制器5的驱动信号，时序由同步触发器3控制；任意波形发生器6的微波信号大于10ghz；第一edfa放大器9选用掺饵光纤放大器，用于对经第一电光调制器5移频后的弱的移频光信号进行光-光放大并补偿光在循环移频环路中的损耗；带通滤波器10为可调谐滤波器。

17、其中，所述循环扫频系统中，循环移频光脉冲序列作为循环扫频系统的输入光，所述第二电光调制器11为iq调制器，第二电光调制器11用于对经循环移频后的的n+1段移频光分别进行线性调频，实现对n+1段载波抑制下的单边带调制；任意波形发生器6和微波放大器13用于产生两路正交的射频信号，作为第二电光调制器11的驱动信号，任意波形发生器6产生的波形为锯齿波或三角波。

18、其中，所述时序控制系统中，同步触发器3用于实现对整个光路系统、循环移频系统和循环扫频系统的时序控制和同步；

19、所述的分束合束器件中，第一2×2光纤耦合器4用于方波脉冲种子光的输入作为循环移频的起点，其输出端作为循环移频的输出；1×2光纤分束器14的功分比为90:10，其中90％部分作为探测光，10％部分作为本振光；所述第二2×2光纤耦合器19对本振光和探测光的回波信号耦合后输出；

20、所述第一电光调制器4、第二电光调制器11和任意波形发生器6的带宽均大于10ghz，所述平衡光电探测器12的带宽大于1ghz。

21、(三)有益效果

22、上述技术方案所提供的太赫兹带宽的调频连续波激光测距装置，通过采用基于微波光子学技术的循环移频和循环扫频技术对激光载波进行调制，不会引入调频非线性或恶化激光的线宽；通过循环移频技术和循环扫频技术，即可得到等效的具有太赫兹级的带宽的窄线宽的线性调频信号，实现激光雷达远距离高精度测距，提供雷达系统的距离分辨率。