基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105372670A(43)申请公布日2016.03.02(21)申请号201510864318.9(22)申请日2015.12.01(66)本国优先权数据201520736225.32015.09.22CN(71)申请人中国科学院上海技术物理研究所地址200083上海市虹口区玉田路500号(72)发明人吴军舒嵘徐卫明童鹏(74)专利代理机构上海新天专利代理有限公司31213代理人郭英(51)Int.Cl.G01S17/58(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图2页(54)发明名称基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统(57)摘要本发明公开了一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统，它应用于相干激光雷达系统。本发明包括同轴收发望远镜、光纤环形器、发射光开关、接收光开关、窄线宽激光器、90度光学桥接器、平衡探测器、高数ADC、数字信号处理模块。本发明的相干零差多普勒测速激光雷达系统，基于光学正交解调直接得到回波信号频率和本振光频率的差值大小及方向，得到多个方向分时的目标速度大小和方向。CN105372670ACN105372670A权利要求书1/1页1.一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统，包括同轴收发望远镜(1)、光纤环形器(2)、发射光开关(3)、接收光开关(4)、窄线宽激光器(5)、90度光学桥接器(6)、平衡探测器(7)、高速ADC(8)、数字信号处理模块(9)，其特征在于：窄线宽激光器(5)产生未经调制的单一频率的相干激光，经激光分束后一部分用于发射，另外一部分用作本振信号；激光通过同轴收发望远镜(1)和光纤环形器(2)实现同轴收发，经由发射光开关(3)和接收光开关(4)切换实现多通道分时速度探测；回波激光和本振激光进入90度光学桥接器(6)进行光信号处理，形成I通路、Q通路信号，并经由两个平衡探测器(7)转换成电信号，经两个高速ADC(8)数字化获得正交的两路数据；I通路、Q通路信号进入数字信号处理模块(9)进行处理，经处理得到目标速度大小和方向。2CN105372670A说明书1/5页基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统技术领域[0001]本发明涉及激光雷达技术，具体涉及一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统。解决了多普勒测速激光雷达速度方向难以分辨的问题。背景技术[0002]现行相干测速激光雷达按本振或发射信号是否经过固定移频分为外差探测和零差探测。外差探测将本振或发射信号经过一个固定的移频，在回波接收混频时得到回波信号频率变化的大小，该频率值包括固定的移频，减去该固定值可得到多普勒频率的大小及正负。但在典型小型激光雷达系统中常采用同轴收发系统，会产生较强的光信号反射，外差探测容易得到较强的中频干扰，使得外差探测在小型测速激光雷达系统中难以应用。[0003]零差探测的激光发射信号和接收信号均不经过额外固定频率的移频，在同轴发射系统中，强反射信号产生零频干扰，通过交流耦合可以完全抑制该干扰。但是零差探测在信号处理时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计划中多普勒激光雷达对发射激光在频域进行对称三角线性调频调制，并采用趋势判断，以此实现对速度大小及方向的判别，同时实现距离测量，采用趋势判断，一定程度上可以提取出速度大小和方向，但是也存在较多误判断的点。中国科学院上海技术物理研究所通过对零差探测系统中的发射信号经过“线性调频连续波”调制，实现了一定范围内目标速度和方向的判别，但调制对激光器提出了较高的要求，且系统时间利用率较低，无法实现高频次的脉冲积累。[0005]采用相干零差同轴收发探测体制，降低对激光器的需求，并且提高系统探测的时间利用率，实现对目标速度大小及方向的探测，具有重要意义。发明内容[0006]本发明的目的是在现有相干多普勒测速激光雷达的技术上，提出了一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统，解决现有相干多普勒测速激光雷达速度方向难以分辨，且对激光器要求较高，以及作用距离较短的问题。[0007]如图1窄线宽激光器产生未经调制的单一频率的相干激光，该相干激光经分束器按照一定比例分成两部分，其中大能量部分用于发射，小能量部分作为本振；大能量部分经多路光开关分时切换，经环形器、同轴收发望远镜发射，回波激光经同轴收发望远镜接收，经环形器、光开关切换后变成一路回波光信号，最后和本振信号一起进入90度光学桥接器，形成4路输出光信号，其中本振信号具有90度相位差(0°、90°、180°、270°)；其中0°、180°进入一个平衡探测器构成I通道，90°、270°进入另一个平衡探测器构成Q通道；I路、Q路的平衡探测器输出