本發(fā)明屬于激光測速領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

調(diào)頻連續(xù)波(frequency-modulated continuous-wave，F(xiàn)M/CW)激光雷達具有的高信號調(diào)制帶寬帶來的高的測距分辨率、測距-測速同時進行、且對探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCS)的帶寬要求不高的特點，逐漸成為一種重要的探測體制。但由于傳統(tǒng)的FM/CW激光雷達系統(tǒng)采用鋸齒波頻率調(diào)制信號進行探測時，存在距離-速度耦合問題，即探測到的回波頻譜峰值同時包含目標的距離和速度的耦合信息，無法通過單次測量及單次解算獲得的被測移動目標距離，運算量大，測量時間長。因此，亟需提供一種進行單次測量，測量過程簡單，運算量小的測速系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決傳統(tǒng)的鋸齒波調(diào)制FM/CW激光雷達測速時，由于距離-速度耦合無法經(jīng)過單次測量、單次解算獲得被測移動目標移動速度的問題。本發(fā)明提供了一種基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)。馬赫-增德爾調(diào)制器(Mach-Zehnder modulator，MZM)。

基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)，它包括單頻連續(xù)激光器、2個2×1耦合器、2個1×2分束器、雙平行MZM、光纖激光放大器、可調(diào)F-P濾波器、光環(huán)形器、光纖自聚焦準直器、光電探測器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器；

2個2×1耦合器分別定義為1號2×1耦合器和2號2×1耦合器；

2個1×2分束器分別定義為1號1×2分束器和2號1×2分束器，且1號1×2分束器輸出光強相同的兩束光；

單頻連續(xù)激光器輸出的連續(xù)光和光纖激光放大器輸出的光，經(jīng)1號2×1耦合器耦合后，入射至雙平行MZM，雙平行MZM對接收的耦合光的頻率進行平移后，又經(jīng)1號1×2分束器進行分束，獲得兩束光；

其中，一束光經(jīng)光纖激光放大器進行功率放大后，入射至1號2×1耦合器；

另一束光入射至可調(diào)F-P濾波器進行濾波后，又經(jīng)2號1×2分束器進行分束后，獲得兩束光，該兩束光分別為信號光和本振光，且信號光的光強大于本振光的光強；

信號光依次經(jīng)過光環(huán)形器和光纖自聚焦準直器后，入射至被測移動目標，被測移動目標反射的回波信號光經(jīng)光環(huán)形器入射至2號2×1耦合器，

本振光入射至2號2×1耦合器，

2號2×1耦合器對接收的本振光和回波信號光進行耦合后，入射至光電探測器進行光電轉(zhuǎn)化，

光電探測器輸出的電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)化后，獲得的數(shù)據(jù)信號輸入至數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)據(jù)信號進行處理，從而獲得被測移動目標的移動速度。

所述的數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)據(jù)信號進行處理，從而獲得被測移動目標的移動速度的具體過程為：

步驟一、數(shù)字信號處理器對接收的數(shù)據(jù)信號進行傅里葉變換和中頻濾波，獲得外差信號的頻譜且外差信號的頻譜由N個sinc函數(shù)構(gòu)成，且所述的N個sinc函數(shù)的幅值形成兩個sinc函數(shù)包絡，N為大于且等于10的整數(shù)；

步驟二、提取兩個sinc函數(shù)包絡的幅值最大值所對應的峰值頻率f_-、f₊，且f₊>f_-；

步驟三、將峰值頻率f_-、峰值頻率f₊代入到公式一中進行解算，獲得被測移動目標的移動速度v_r；

其中，m_R＝round(f_-/△f)，

△f表示頻率調(diào)制間隔，λ表示單頻連續(xù)激光器輸出的連續(xù)光的波長，m_R表示中間變量，round()表示取整函數(shù)。

所述的可調(diào)F-P濾波器輸出的光為頻率階梯狀變化的信號。

所述的雙平行MZM接收的驅(qū)動信號為正弦波電壓信號。

所述的可調(diào)F-P濾波器接收的驅(qū)動信號為階梯狀電壓信號。

所述的f₊-f_-＝△f。

所述的f_d表示雙平行MZM對接收的耦合光的頻率進行平移后，所輸出的光信號的頻率。

本發(fā)明帶來的有益效果是：

1、本發(fā)明所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)可將被測移動目標的距離信息和速度信息有效隔離，擺脫了現(xiàn)有技術(shù)中距離-速度耦合對系統(tǒng)應用的限制；調(diào)制端采用單頻連續(xù)激光光源、雙平行MZM和光纖激光放大器構(gòu)成光纖回路與可調(diào)F-P光纖濾波器共同構(gòu)成信號調(diào)制系統(tǒng)來產(chǎn)生梯狀頻率調(diào)制信號，信號調(diào)制帶寬和調(diào)制周期均可以根據(jù)實際需求進行調(diào)諧，增強了系統(tǒng)的靈活性；

2、接收端直接利用測量的外差信號進行速度解算，解算結(jié)果與目標距離無關(guān)，擺脫了距離-速度耦合的困擾；

3、全光路元件均采用光纖元件，系統(tǒng)光路屬于柔性光路，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，集成度高。

4、本發(fā)明所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，進行單次測量即可獲得被測移動目標的移動速度，測量過程簡單，運算量小。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)的原理示意圖。

圖2為雙平行MZM和光纖激光放大器構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為外差信號頻譜的頻譜圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)，它包括單頻連續(xù)激光器1、2個2×1耦合器、2個1×2分束器、雙平行MZM 3、光纖激光放大器5、可調(diào)F-P濾波器6、光環(huán)形器7、光纖自聚焦準直器8、光電探測器9、模數(shù)轉(zhuǎn)換器10和數(shù)字信號處理器11；

2個2×1耦合器分別定義為1號2×1耦合器2-1和2號2×1耦合器2-2；

2個1×2分束器分別定義為1號1×2分束器4-1和2號1×2分束器4-2，且1號1×2分束器4-1輸出光強相同的兩束光；

單頻連續(xù)激光器1輸出的連續(xù)光和光纖激光放大器5輸出的光，經(jīng)1號2×1耦合器2-1耦合后，入射至雙平行MZM3，雙平行MZM3對接收的耦合光的頻率進行平移后，又經(jīng)1號1×2分束器4-1進行分束，獲得兩束光；

其中，一束光經(jīng)光纖激光放大器5進行功率放大后，入射至1號2×1耦合器2-1；

另一束光入射至可調(diào)F-P濾波器6進行濾波后，又經(jīng)2號1×2分束器4-2進行分束后，獲得兩束光，該兩束光分別為信號光和本振光，且信號光的光強大于本振光的光強；

信號光依次經(jīng)過光環(huán)形器7和光纖自聚焦準直器8后，入射至被測移動目標，被測移動目標反射的回波信號光經(jīng)光環(huán)形器7入射至2號2×1耦合器2-2，

本振光入射至2號2×1耦合器2-2，

2號2×1耦合器2-2對接收的本振光和回波信號光進行耦合后，入射至光電探測器9進行光電轉(zhuǎn)化，

光電探測器9輸出的電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器10進行模數(shù)轉(zhuǎn)化后，獲得的數(shù)據(jù)信號輸入至數(shù)字信號處理器11，數(shù)字信號處理器11對接收的數(shù)據(jù)信號進行處理，從而獲得被測移動目標的移動速度。

原理分析：單頻連續(xù)激光器1輸出的頻率為f₀的連續(xù)光，傳入由雙平行MZM和光纖激光放大器5構(gòu)成的環(huán)形結(jié)構(gòu)，具體參見圖2，該環(huán)形結(jié)構(gòu)用來產(chǎn)生載波抑制單邊帶的頻移信號構(gòu)成的頻率梳。入射至雙平行MZM 3的驅(qū)動信號為頻率為△f的正弦電壓信號，且被分為具有90°相位差的兩部分，分別輸入到雙平行MZM 3的兩個調(diào)制器端口，通過設(shè)置合適的偏壓，載波被抑制而激光能量集中到上邊帶，且上邊帶的中心頻率為f₀+△f。經(jīng)過調(diào)制的單邊帶信號被分成兩部分：一部分輸入到下個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，另一部分則在經(jīng)過光纖激光放大器5放大后返回雙平行MZM 3，進入下一個循環(huán)。經(jīng)過一系列的循環(huán)后，調(diào)制回路的輸出信號就形成了一系列以△f為頻率間隔的頻率梳。

雙平行MZM 3輸出的光信號需要經(jīng)過濾波處理。因此，可在調(diào)制回路的后面設(shè)置一個由梯狀函數(shù)的驅(qū)動信號所驅(qū)動的可調(diào)F-P濾波器6對產(chǎn)生的頻率梳按時序依次進行濾波，最終可得到階梯狀時間間隔為t₀，階梯狀的頻率調(diào)制間隔為△f的光調(diào)制信號。

本發(fā)明所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)中，各光學部件的連接采用單模保偏光纖實現(xiàn)，保證信號光與本振光、線性頻率調(diào)制光與單頻激光之前的偏振方向相同，提高外差效率，進而提高系統(tǒng)的探測性能。

具體實施方式二：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的數(shù)字信號處理器11對接收的數(shù)據(jù)信號進行處理，從而獲得被測移動目標的移動速度的具體過程為：

步驟一、數(shù)字信號處理器11對接收的數(shù)據(jù)信號進行傅里葉變換和中頻濾波，獲得外差信號的頻譜且外差信號的頻譜由N個sinc函數(shù)構(gòu)成，且所述的N個sinc函數(shù)的幅值形成兩個sinc函數(shù)包絡，N為大于且等于10的整數(shù)；

步驟二、提取兩個sinc函數(shù)包絡的幅值最大值所對應的峰值頻率f_-、f₊，且f₊>f_-；

步驟三、將峰值頻率f_-、峰值頻率f₊、代入到公式一中進行解算，獲得被測移動目標的移動速度v_r；

其中，m_R＝round(f_-/△f)，

△f表示頻率調(diào)制間隔，λ表示單頻連續(xù)激光器1輸出的連續(xù)光的波長，m_R表示中間變量，round()表示取整函數(shù)。

本實施方式，可調(diào)F-P濾波器6通過1號1×2分束器4-1進行分束，分成信號光和本振光，信號光經(jīng)過光纖自聚焦準直器8擴束準直后，照射到被測移動目標，經(jīng)被測移動目標反射后，目標回波信號經(jīng)光電探測器9進行光電探測，光電探測器9還對本振光進行光電探測，并將探測的兩個結(jié)果經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入至數(shù)字信號處理器11，數(shù)字信號處理器11對接收的數(shù)據(jù)信號進行傅里葉變換和中頻濾波后，得到圖3所述的頻譜信息，從而解算出被測移動目標的移動速度。圖3中，峰值頻率f_-所對應的幅值最大值A(chǔ)f_-，峰值頻率f₊所對應的幅值最大值A(chǔ)_f+。

本發(fā)明所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)的測量的速度信息與距離信息相互獨立，簡化了測量方法。

具體實施方式三：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的可調(diào)F-P濾波器6輸出的光為頻率階梯狀變化的信號。

具體實施方式四：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的雙平行MZM3接收的驅(qū)動信號為正弦波電壓信號。

具體實施方式五：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式一所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的可調(diào)F-P濾波器6接收的驅(qū)動信號為階梯狀電壓信號。

具體實施方式六：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式二所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的f₊-f_-＝△f。

具體實施方式七：參見圖1說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式二所述的基于雙平行MZM的超寬帶梯狀FM/CW激光測速系統(tǒng)的區(qū)別在于，所述的

f_d表示雙平行MZM 3對接收的耦合光的頻率進行平移后，所輸出的光信號的頻率。