專利名稱：相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)，特別是一種相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào) 檢測(cè)解調(diào)裝置。
背景技術(shù)：
在全球范圍內(nèi)獲取高分辨率的大氣風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息以及對(duì)三維風(fēng)場(chǎng) 的直接測(cè)量使得多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)得到了越來越多的關(guān)注。通過測(cè)量 氣溶膠和分子的散射信號(hào)，獲得實(shí)時(shí)大氣參數(shù)，為各種天氣變化做出預(yù) 警。迄今為止，多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)是唯一能夠獲得直接三維風(fēng)場(chǎng)輪廓 線的有效工具，具有廣闊的發(fā)展前景。
相干激光測(cè)風(fēng)技術(shù)的發(fā)展，不僅取決于激光技術(shù)本身的長(zhǎng)期發(fā)展， 同時(shí)還取決于各種器件、探測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)采集和控制技術(shù)的產(chǎn)生和快速 發(fā)展。為了獲得相干探測(cè)所具有的高靈敏度和信噪比，就必須對(duì)雷達(dá)回 波信號(hào)的檢測(cè)解調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，充分發(fā)揮相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)在 微弱信號(hào)探測(cè)方面的獨(dú)特性能和優(yōu)越的探測(cè)能力。
多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)從探測(cè)技術(shù)上可分為相干探測(cè)和直接探測(cè)兩 種。直接探測(cè)通過調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率，直接探測(cè)回波信號(hào)，利用發(fā) 射信號(hào)和接收信號(hào)之間的頻率差推算出時(shí)間延遲，從而獲得風(fēng)場(chǎng)信息。 相干探測(cè)則是在直接探測(cè)的基礎(chǔ)上引入一束參考光束進(jìn)行測(cè)量。相對(duì)于 直接探測(cè)而言，相干探測(cè)具有更高的靈敏度，顯著提高了接收信號(hào)的信
噪比，其靈敏度比非相干系統(tǒng)提高了3 4個(gè)數(shù)量級(jí)，并且已有大量詳細(xì) 的理論和實(shí)驗(yàn)研究證明了相干探測(cè)體制的優(yōu)勢(shì)。
國(guó)內(nèi)對(duì)測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)的研究主要集中在直接探測(cè)激光雷達(dá)方面，中 國(guó)海洋大學(xué)和中科院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所在該方面做了大量的研究 并獲得了相關(guān)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息。而對(duì)相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)方面技術(shù)的研究仍是一項(xiàng)研究空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)回波信號(hào)檢測(cè)解 調(diào)裝置，該裝置應(yīng)具有實(shí)時(shí)、連續(xù)測(cè)量解調(diào)、集成度高、操作簡(jiǎn)便的優(yōu) 點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置，特點(diǎn)是其構(gòu)成包括脈沖 光監(jiān)測(cè)模塊、回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊、信號(hào)正交解調(diào)模塊和信號(hào)放大 調(diào)理模塊四部分，光電二極管、第一帶通濾波器和第一放大器依次連接 構(gòu)成脈沖光監(jiān)測(cè)模塊；雪崩探測(cè)器、第二帶通濾波器和第二放大器依次 連接構(gòu)成了回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊；正交解調(diào)芯片構(gòu)成了信號(hào)正交解 調(diào)模塊；第一低通濾波器和第三放大器、第二低通濾波器和第四放大器 構(gòu)成了具有雙路信號(hào)放大的信號(hào)放大調(diào)理模塊；輸出雙路信號(hào)傳遞給下 級(jí)的數(shù)據(jù)采集卡，其位置關(guān)系是光電二極管接收本振激光和脈沖激光 在本裝置表面相干混頻后產(chǎn)生的拍頻光信號(hào)，其輸出的電信號(hào)經(jīng)第一帶 通濾波器和第一放大器后，得到脈沖光監(jiān)測(cè)模塊的輸出信號(hào)；雪崩探測(cè) 器接收本振激光和米氏散射回波光信號(hào)在本裝置表面相干混頻后產(chǎn)生的 拍頻光信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)第二帶通濾波器和第二放大器后，得到回波信 號(hào)光相干檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)，所述的脈沖光監(jiān)測(cè)模塊的輸出信號(hào)和回 波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)由所述的正交解調(diào)芯片作用，得到相 位差為90°的兩路正交信號(hào)，再分別由信號(hào)放大調(diào)理模塊中的第一低通 濾波器、第三放大器和第二低通濾波器、第四放大器后，最終得到相干 測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置的兩路輸出信號(hào)，這兩路輸出信號(hào)最終 送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理和顯示。
所述的光電二極管為1064nm的PIN光電二極管(P-type intrinsic N-type Photo Diode,以下簡(jiǎn)稱為PIN光電二極管)。
所述的構(gòu)成信號(hào)正交解調(diào)模塊由正交解調(diào)芯片RF2713構(gòu)成。
工作過程如下雪崩探測(cè)器接收含有風(fēng)場(chǎng)信息的散射回波光信號(hào)和本振激光在該探 測(cè)器表面相干混頻后產(chǎn)生的拍頻，其輸出的電信號(hào)經(jīng)第二帶通濾波器和 第二放大器作用后，得到回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)。與此同
時(shí)，PIN光電二極管接收本振激光和脈沖激光在本發(fā)明裝置表面相千混 頻后產(chǎn)生的拍頻光信號(hào)，輸出的電信號(hào)經(jīng)第一帶通濾波器和第一放大器 作用后，得到脈沖光監(jiān)測(cè)模塊的輸出信號(hào)。脈沖光監(jiān)測(cè)模塊的輸出信號(hào) 和回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)再由信號(hào)正交解調(diào)模塊中的正交 解調(diào)芯片RF2713作用，得到相位相差90。的兩路正交信號(hào)，并由信號(hào)放 大調(diào)理模塊IV中的第一低通濾波器、第三放大器和第二低通濾波器、第 四放大器分別作用，最終得到相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置的兩 路輸出信號(hào)，這兩路輸出信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理和顯 示。
由于相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)工作環(huán)境和雷達(dá)內(nèi)部構(gòu)成器件而引入的頻率 漂移，在裝置內(nèi)用一個(gè)PIN光電二極管監(jiān)測(cè)脈沖激光頻率的漂動(dòng)情況， 并為后期數(shù)據(jù)處理時(shí)的時(shí)序抖動(dòng)糾錯(cuò)，以免影響相干探測(cè)中的測(cè)量精度
本裝置選取正交解調(diào)芯片RP2713實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正交解調(diào)，在消除外 界因素對(duì)探測(cè)信號(hào)相位的影響的同時(shí)，還有效地縮短了裝置的調(diào)試時(shí)間， 增加了裝置在不同回波信號(hào)頻率時(shí)的通用性，減少了裝置所占用的體積。
在本裝置設(shè)計(jì)過程中，通過設(shè)計(jì)光信號(hào)探測(cè)和對(duì)探測(cè)器轉(zhuǎn)換后所得 電信號(hào)的正交解調(diào)、低通濾波從而使對(duì)輸出數(shù)據(jù)的處理難度大大降低， 帶寬控制在50MHz范圍以內(nèi)。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下
1、 本發(fā)明通過正交解調(diào)芯片直接實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的正交解調(diào)，具有調(diào)試 方便、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
2、 同時(shí)設(shè)計(jì)本地振蕩器與低通濾波使輸出信號(hào)帶寬降低，帶寬為 50MHz以內(nèi)，降低了對(duì)后面數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率、帶寬的要求和數(shù)據(jù)處 理的難度。


圖1是本發(fā)明相干激光測(cè)高頻率解調(diào)電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中i一脈沖光監(jiān)測(cè)模塊，n—回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊，III—
信號(hào)正交解調(diào)模塊，IV—信號(hào)放大調(diào)理模塊。
1一PIN光電二極管，2—第一帶通濾波器，3—第一放大器，4~雪 崩探測(cè)器，5—第二帶通濾波器，6—第二放大器，7—正交解調(diào)芯片 RF2713， 8—第一低通濾波器，9一第二低通濾波器，IO—第三放大器， ll一第四放大器，12—數(shù)據(jù)采集卡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置 也是實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢
測(cè)解調(diào)裝置的構(gòu)成包括脈沖光監(jiān)測(cè)模塊i 、回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊n、 信號(hào)正交解調(diào)模塊in和信號(hào)放大調(diào)理模塊iv四部分。piN光電二極管i、 第一帶通濾波器2、第一放大器3依次相連構(gòu)成脈沖光監(jiān)測(cè)模塊i;雪
崩探測(cè)器4、第二帶通濾波器5、第二放大器6依次相連構(gòu)成回波信號(hào)光 相干檢測(cè)模塊II ;正交解調(diào)芯片RF2713 7構(gòu)成了信號(hào)正交解調(diào)模塊III; 第一低通濾波器8和第三放大器10、第二低通濾波器9和第四放大器11 分別相連構(gòu)成了雙路信號(hào)放大的信號(hào)放大調(diào)理模塊IV;最后，相干測(cè)風(fēng) 激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置的輸出信號(hào)傳遞給下級(jí)處理單元數(shù)據(jù)采集卡 12。其位置關(guān)系是PIN光電二極管1接收本振激光和脈沖激光在其表 面相干混頻后產(chǎn)生的拍頻光信號(hào)，其輸出的電信號(hào)經(jīng)第一帶通濾波器2 和第一放大器3作用后，得到脈沖光監(jiān)測(cè)模塊I的輸出信號(hào)。雪崩探測(cè) 器4接收本振激光和米氏散射回波光信號(hào)在其表面相干混頻后產(chǎn)生的拍 頻光信號(hào),其輸出的電信號(hào)經(jīng)第二帶通濾波器5和第二放大器6作用后， 得到回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊II的輸出信號(hào)。脈沖光監(jiān)測(cè)模塊I的輸出 信號(hào)和回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊II的輸出信號(hào)由信號(hào)正交解調(diào)模塊III中的正交解調(diào)芯片RF2713 (7)作用，得到相位差為90°的兩路正交信號(hào)， 再由信號(hào)放大調(diào)理模塊IV中的第一低通濾波器8、第三放大器IO)和第 二低通濾波器9、第四放大器ll分別作用，最終得到相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá) 信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置的兩路輸出信號(hào)，這兩路輸出信號(hào)最終送入數(shù)據(jù)采集 卡12進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理和顯示。
同時(shí)，在裝置內(nèi)用一個(gè)PIN光電二極管監(jiān)測(cè)脈沖激光頻率的漂動(dòng)情 況，并為后期數(shù)據(jù)處理時(shí)的時(shí)序抖動(dòng)糾錯(cuò)，降低對(duì)相干探測(cè)測(cè)量精度和 探測(cè)信噪比的影響。
所述的光電二極管為響應(yīng)波長(zhǎng)為1064nm的PIN光電二極管。同時(shí)， 在PIN光電二極管后放置一級(jí)帶通濾波器以消除噪聲的影響。
所述的信號(hào)正交解調(diào)模塊III由芯片RF2713構(gòu)成，無需過多的外部電路 配合工作，操作簡(jiǎn)便。
所述的信號(hào)頻率帶寬為0—200MHz。
考慮到裝置處理的信號(hào)屬于高頻電路設(shè)計(jì)范圍，而且占用的頻帶寬。 因此，印刷電路板的制作情況直接決定著裝置輸出信號(hào)的有效性和可靠 性。在畫制印刷電路板時(shí)要注意器件的布置和走線的合理性，以減少串 擾；各元器件之間的距離要盡可能最短，同時(shí)，為了減少電磁輻射還要 減小印刷電路板自身的面積。
本發(fā)明采用電子學(xué)元器件實(shí)現(xiàn)了相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝 置，從而消除了實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)信息提取時(shí)對(duì)光路校準(zhǔn)要求高和后期數(shù)據(jù)處理 難度大的影響，而且由于采用正交解調(diào)芯片不需要反復(fù)校準(zhǔn)直接實(shí)現(xiàn)了 正交解調(diào)的要求，可以一次完成裝置的調(diào)試，增強(qiáng)了裝置的通用性，因 此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于調(diào)節(jié)、成本低、體積小、集成度高的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)驗(yàn)表明本發(fā)明可實(shí)時(shí)精確的對(duì)米氏散射回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和前 期處理，大大降低后期數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理的速度和難度，具有實(shí)時(shí)測(cè) 量、操作簡(jiǎn)便、體積小、便于系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、一種相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置，特征在于其構(gòu)成包括脈沖光監(jiān)測(cè)模塊、回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊、信號(hào)正交解調(diào)模塊和信號(hào)放大調(diào)理模塊四部分，光電二極管(1)、第一帶通濾波器(2)和第一放大器(3)依次連接構(gòu)成脈沖光監(jiān)測(cè)模塊；雪崩探測(cè)器(4)、第二帶通濾波器(5)和第二放大器(6)依次連接構(gòu)成了回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊；正交解調(diào)芯片(7)構(gòu)成了信號(hào)正交解調(diào)模塊；第一低通濾波器(8)和第三放大器(10)、第二低通濾波器(9)和第四放大器(11)構(gòu)成了具有雙路信號(hào)放大的信號(hào)放大調(diào)理模塊；輸出雙路信號(hào)傳遞給下級(jí)的數(shù)據(jù)采集卡(12)，其位置關(guān)系是光電二極管(1)接收本振激光和脈沖激光在本裝置表面相干混頻后產(chǎn)生的拍頻光信號(hào)，其輸出的電信號(hào)經(jīng)第一帶通濾波器(2)和第一放大器(3)后，得到脈沖光監(jiān)測(cè)模塊的輸出信號(hào)；雪崩探測(cè)器(4)接收本振激光和米氏散射回波光信號(hào)在本裝置表面相干混頻后產(chǎn)生的拍頻光信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)第二帶通濾波器(5)和第二放大器(6)后，得到回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)，所述的脈沖光監(jiān)測(cè)模塊的輸出信號(hào)和回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊的輸出信號(hào)由所述的正交解調(diào)芯片(7)作用，得到相位差為90°的兩路正交信號(hào)，再分別由信號(hào)放大調(diào)理模塊中的第一低通濾波器(8)、第三放大器(10)和第二低通濾波器(9)、第四放大器(11)作用，最終得到相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置的兩路輸出信號(hào)，這兩路輸出信號(hào)最終送入數(shù)據(jù)采集卡(12)進(jìn)行后期的數(shù)據(jù)處理和顯示。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置，其 特征在于所述的光電二極管為響應(yīng)波長(zhǎng)為1064nm的PIN光電二極管。
全文摘要
一種相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)解調(diào)裝置，是一種用于實(shí)現(xiàn)相干激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)回波信號(hào)的檢測(cè)和頻率解調(diào)電路，由脈沖光監(jiān)測(cè)模塊、回波信號(hào)光相干檢測(cè)模塊、信號(hào)正交解調(diào)模塊和信號(hào)放大調(diào)理模塊四部分構(gòu)成，本發(fā)明可實(shí)時(shí)精確的對(duì)米氏散射回波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和前期處理，大大降低后期數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理的速度和難度，具有實(shí)時(shí)測(cè)量、操作簡(jiǎn)便、體積小、便于系統(tǒng)集成的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S7/539GK101545977SQ20091005059
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者劉繼橋, 尚建華, 臧華國(guó), 陳衛(wèi)標(biāo) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所