基于光學正交解調的相干零差多普勒測速激光雷達系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及激光雷達技術，具體涉及一種基于光學正交解調的相干零差多普勒測 速激光雷達系統。解決了多普勒測速激光雷達速度方向難以分辨的問題。
【背景技術】
[0002] 現行相干測速激光雷達按本振或發射信號是否經過固定移頻分為外差探測和零 差探測。外差探測將本振或發射信號經過一個固定的移頻，在回波接收混頻時得到回波信 號頻率變化的大小，該頻率值包括固定的移頻，減去該固定值可得到多普勒頻率的大小及 正負。但在典型小型激光雷達系統中常采用同軸收發系統，會產生較強的光信號反射，外差 探測容易得到較強的中頻干擾，使得外差探測在小型測速激光雷達系統中難以應用。
[0003] 零差探測的激光發射信號和接收信號均不經過額外固定頻率的移頻，在同軸發射 系統中，強反射信號產生零頻干擾，通過交流耦合可以完全抑制該干擾。但是零差探測在信 號處理時只能提取出速度的大小，而不能提取出速度的方向。
[0004] NASA的ALHAT計劃中多普勒激光雷達對發射激光在頻域進行對稱三角線性調頻 調制，并采用趨勢判斷，以此實現對速度大小及方向的判別，同時實現距離測量，采用趨勢 判斷，一定程度上可以提取出速度大小和方向，但是也存在較多誤判斷的點。中國科學院上 海技術物理研究所通過對零差探測系統中的發射信號經過"線性調頻連續波"調制，實現了 一定范圍內目標速度和方向的判別，但調制對激光器提出了較高的要求，且系統時間利用 率較低，無法實現高頻次的脈沖積累。
[0005] 采用相干零差同軸收發探測體制，降低對激光器的需求，并且提高系統探測的時 間利用率，實現對目標速度大小及方向的探測，具有重要意義。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是在現有相干多普勒測速激光雷達的技術上，提出了一種基于光學 正交解調的相干零差多普勒測速激光雷達系統，解決現有相干多普勒測速激光雷達速度方 向難以分辨，且對激光器要求較高，以及作用距離較短的問題。
[0007] 如圖1窄線寬激光器產生未經調制的單一頻率的相干激光，該相干激光經分束器 按照一定比例分成兩部分，其中大能量部分用于發射，小能量部分作為本振；大能量部分經 多路光開關分時切換，經環形器、同軸收發望遠鏡發射，回波激光經同軸收發望遠鏡接收， 經環形器、光開關切換后變成一路回波光信號，最后和本振信號一起進入90度光學橋接 器，形成4路輸出光信號，其中本振信號具有90度相位差（0°、90°、180°、270° );其中 0°、180°進入一個平衡探測器構成I通道，90°、270°進入另一個平衡探測器構成Q通 道；I路、Q路的平衡探測器輸出進入高速ADC，轉換成數字信號，形成I路信號、Q路信號， 進入由DSP或FPGA或者微處理器構成數字信號處理模塊；由I路信號和Q路信號組成復 數，進行復數信號處理，得出回波光和本振光頻率差的大小和方向，進而得出目標速度的大 小和方向。
[0008] 激光同聲波一樣，具有多普勒效應，波長為λ的窄線寬激光器發射的激光，照射 到激光視線方向速度為V的運動目標上將產生多普勒頻移fd，光速為c，由多普勒頻移可以 反推出目標速度：
[0009] V = λ · fd/2 (I)
[0010] 窄線寬激光器本振光頻率和發射激光頻率一致，設角頻率為ωω，回波光因多普勒 效應其角頻率為W s，其中多普勒頻率fd= (ω S-Wu])八2 3〇。
[0011] 信號光幅度設為Es，初始相位為I%，可以表示為
。同 樣本振光也可以表示為
，其中本振光幅度為Εω，初始相 位攀滅。
[0012] 90度光學橋接器是2輸入4輸出器件，具有多種構建方式，其基本特性如下，如圖 2在其內部，信號光一分為二形成SpS3信號，本振光經處理形成具有90度相位差的兩個信 號SjP S4。信號光和本振光兩兩進入180度的2X2親合器。本振信號相移0度的2X2親 合器構成同相I路信號通道，輸入端的兩個信號S 2可以表示為：
[00131
⑵
[0014] 本振信號相移90度的2X2耦合器構成正交相Q路信號通道，輸入端的兩個信號 s3、S4可以表示為：
[0015]
⑶
[0016] 90度橋接器輸出的I通道、Q通道光信號經平衡探測器光電轉換后形成電信號，其 特性可以表示為：
[0017]
⑷
[0018] 其中_為光電轉換效率，匕為信號光功率，P ω為本振光功率。兩個平衡探測器輸 出的信號可以構成一個復數信號V(t)，對復數信號進行傅里葉變換，將得到復數信號的頻 率，且是正負可分的頻率。
[0019]
(5)
[0020] 高速ADC^tV1U)、V(j(t)進行數字采樣，在數字信號處理模塊內部，進行復數組合， 并進行實時快速FFT處理，將得到單一峰值的信號頻譜，而其鏡像頻點峰值較小。信號峰值 處頻點為多普勒頻率（W s-Cou3)A3I,正負可分，是多普勒頻率匕，由多普勒頻率可以得到 目標速度。
[0021] 快速FFT采用實時信號處理，每處理完一個采樣周期后可以繼續處理下一個采樣 周期的數據。因為系統發射信號未經過調制，目標速度在短時不變情況下，得到的信號頻譜 是一致的，可以進行頻譜累加，信號得到加強，而噪聲由于不相關則不會產生明顯加強。則 該方式可以在回波信號較弱，低信噪比情況下，對信號進行脈沖積累，提取微弱信號，進而 提取目標速度。
[0022] 在同軸光路系統中鏡面會反射較強的光信號，同時環形器泄漏也會產生較強的光 信號，二者均通過回波通道進入探測器。由于激光發射時未經調制，這兩種回波光信號將產 生較強的零頻干擾，通過交流耦合可以直接剔除該干擾。
[0023] 單通道的測速過程非常短暫，通過多路光開關同步切換發射的激光和接收的回波 激光，可以分時實現多個方向的多普勒速度測量。
[0024] 因此，本發明提出一種基于光學正交解調的多普勒相干零差測速激光雷達系統， 如圖1，
[0025] 1.系統組成包括同軸收發望遠鏡1、環形器2、發射光開關3、接收光開關4、窄線寬 激光器5、90度光學橋接器6、平衡探測器7、高速ADC 8、數字信號處理模塊9。
[0026] 2.由窄線寬激光器產生未經調制的單一頻率的相干激光，該激光經分束后形成能 量差別較大的兩個光束，大能量部分通過發射光開關選擇某一個方向的通道，經環形器、收 發望遠鏡反射，回波光經收發望遠鏡及環形器進入系統，并經接收光開關形成單一通道的 回波光信號；小能量部分作為本振光信號參與相干混頻。
[0027] 3.激光發射后，經光開關、環形器、收發望遠鏡發射和接收，接收光開關輸出的回 波光信號和窄線寬激光器分出的本振信號一起進入90度光學橋接器，經其處理后，形成I 通路和Q通路信號，進行平衡探測器轉換成電信號，再經高速ADC采樣形成兩路數字序列， 兩路數字序列進入數字信號處理模塊，經處理得到目標速度。
[0028] 此處提到的數字信號處理模塊可以是DSP或FPGA、或微型處理器。
[0029] 基于光學正交解調的相干零差測速激光雷達數據處理方法的具體工作流程如 下：
[0030] 1.數字信號處理模塊控制激光發射和接收的光開關，使兩者切換到相同的某一通 道，同時數字信號處理模塊觸發窄線寬激光器發射。
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