的激光信号能量 EG)为：
[0038]
[0039] 上式最终的表达式中第一项为差频信号，即中频信号，其通过傅里叶变换可以得 到与往返时间成正比的中频。其余为高频项，通过低通滤波器将其滤除。
[0040] 本发明中，发射光学系统3接收的激光信号携带有啁嗽调制信息。激光照射待测 目标后，经过待测目标的发射以及一段往返的大气的衰减，一部分被待测目标反射回来的 激光信号到达接收光学系统5,由接收光学系统5进行收集，将回波信号聚焦在Gm-AH)单 光子探测器6的光敏面上进行采样探测。Gm-APD的采样探测响应的就是每个探测门内回 波信号的能量，这个能量的大小正是由回波信号的强度以及采样门的时间宽度两部分决定 的。这样Gm-AH)采样探测的结果就是两路啁嗽信号相乘的结果，然后经过低通滤波器7过 滤掉高频信号，挑选出低频的差频信号，即中频信号。
[0041] 本发明设计了一种新型的混频方式。现有啁嗽调制光子计数激光雷达混频是采 用Gm-AH)将回波的啁嗽信号采样为电信号，然后和本振的电信号进行混频，混频过程在 Gm-AH)采样探测之后，故称为后置混频。区别于此，本发明提出的混频方式是通过本振的啁 嗽调制电信号调制采样门的宽度，利用采样门时间和回波信号功率相乘的关系直接混频， Gm-AH)直接采样混频后的中频信号，该方法混频过程发生在Gm-AH)采样之前，所以称为前 置混频。
[0042] 使用本振啁嗽电信号调制采样门的宽度，使得采样门的间距相等，但是采样门的 宽度正比于对应位置的本振信号的强度。
[0043] 采样门的宽度控制如图2所示，整个曲线就是信号发射器1产生的啁嗽调制电信 号，由于Gm-AH)每次探测后都需要一定的死时间进行雪崩抑制和重置加速电场，所以本发 明采用门控制的方法进行采样探测，图2中的虚线就是每个探测门的位置，其间隔为 最大的探测门的门宽为At，对应于啁嗽调制信号的峰值位置，而最小的门宽为0,对应于 啁嗽信号波谷位置。图2中矩形框为Gm-APD的探测门。
[0044] 经过光在目标和雷达之间往返时间τ的延迟，以及往返大气和目标反射等因素 对信号的衰减，待测目标反射的激光信号强度表示为1^。。通过采样门的时间宽度和回波 信号的强度相互作用完成了混频，Gm-AH)对采样门内的信号能量响应，即是对中频信号的 响应，从而通过低频滤波和傅里叶变换可以得到与往返时间成正比的中频。
[0045] 下面对本发明所述的前置混频啁嗽调制光子计数激光雷达系统性能进行验证。例 如Gm-APD探测器的死时间为50ns，最高的采样频率为20MHz，根据能斯特采样定理可以得 到啁嗽调制信号的最高调制频率不能高于10MHz。然而对于本发明采用的前置混频的方法， 混频过程被完成在探测器之前，这样Gm-AH)光子探测器响应的实际是差频后的低频信号。 因此前置混频方法可以打破啁嗽调制信号最大频率的限制，允许啁嗽调制式光子激光雷达 工作在更大的带宽下。
[0046] 图3至图5分别展示了前置混频方法工作在10MHz，20MHz，30MHz带宽情况下的中 频信号。仍然使用50ns死时间的Gm-APD，前置混频方法在大于10MHz的带宽情况下仍然获 得了清晰的中频信号，这说明前置混频方法可以突破带宽的限制，工作在更大带宽下。对于 调制体制的激光雷达系统，当调制带宽B增大时，很多系统参数都将提高，例如：测距精度 oR=c!{IB^jlSNR)，以及距离分辨率Δdis=V(2B)。由此证明，本发明的前置混频方法 可以有效的提尚啁嗽调制式光子激光雷达系统性能。
【主权项】
1. 一种前置混频的啁嗽调制光子计数激光雷达，其特征在于，它包括信号发射器（I)、 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)， 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-Aro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； 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-AH)单光子探测器(6)的光敏面上，使Gm-AH)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-APD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。2. 根据权利要求1所述的前置混频的啁嗽调制光子计数激光雷达，其特征在于，可调 门宽控制模块（4)的第i个采样门的宽度tgata(i)为：其中i = l，2,3,……，η ;n为采样门的总个数； 式中t为第i个采样门的初始时刻，tsani_是相邻两个采样门的时间间隔，Λ t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： k = B/T，B为调制带宽，T为调制时间； 炉是啁嗽调制的初始相位。3. 根据权利要求1所述的前置混频的啁嗽调制光子计数激光雷达，其特征在于，待测 目标反射的激光信号强度If3dltl为：式中I_k是激光器（2)的峰值发射功率，M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； Gm-Aro单光子探测器（6)依次响应的每个采样门内待测目标反射的激光信号能量 EU)为：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。
【专利摘要】前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达，属于计数激光雷达技术领域。本发明是为了解决现有啁啾调制光子计数激光雷达采用的Gm-APD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。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-APD单光子探测器、低通滤波器、傅里叶变换模块和计算机，它利用本振啁啾调制信号直接调制Gm-APD采样门，使其采样门的宽度正比于本振啁啾调制信号的强度，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。本发明作为一种计数激光雷达。
【IPC分类】G01S17/88
【公开号】CN105425244
【申请号】CN201510955368
【发明人】张子静, 赵远, 张勇, 靳辰飞, 苏建忠, 吕华
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月16日