基于微波光子信號處理的相位編碼激光成像雷達的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光雷達領(lǐng)域，具體涉及基于微波光子信號處理的相位編碼激光成像 雷達。
【背景技術(shù)】
[0002] 相位編碼激光雷達依據(jù)碼源對光波載頻信號進行調(diào)相，而后發(fā)射相位編碼激光脈 沖信號。目標反射激光脈沖編碼信號，經(jīng)傳輸延遲被接收機接收并由探測器轉(zhuǎn)化為回波編 碼電信號，相位編碼回波信號與激光發(fā)射相位編碼信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集送入計算機完成相關(guān) 運算，再經(jīng)過信號處理，最終給出目標的距離參數(shù)。但相位編碼信號的探測需要高速探測器 對信號進行快速采樣，用于激光成像雷達的陣列探測器對激光信號的采樣速度受到陣列探 測器制作工藝的限制，不能滿足大面陣相位編碼激光雷達對信號采樣的速度要求，從而限 制了相位編碼信號的碼寬，并造成了相位編碼激光成像雷達測距分辨率低的缺陷。相位編 碼激光成像雷達探測器的每個像素為處理相位編碼信號，需要保持較大帶寬，但由于系統(tǒng) 采用陣列探測器，像素數(shù)目眾多，因此整個系統(tǒng)需要極大的信號帶寬，信號處理器的負擔極 重。在信號處理器設(shè)計的處理能力受到制約的情況下，系統(tǒng)能采用的相位編碼信號的碼寬 進一步受到限制。因此相位編碼體制在激光成像雷達方面的應(yīng)用在未能克服這兩個難題的 情況下，不能在實際中體現(xiàn)其優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有相位編碼激光成像雷達的采樣速率低、信號處理器總信 號帶寬受限，導致測距分辨率低的問題，提出基于微波光子信號處理的相位編碼激光成像 雷達，突破探測器采樣速率和信號總帶寬對距離分辨率的限制，降低系統(tǒng)對探測器采樣速 率的要求，降低信號處理的計算量，降低系統(tǒng)硬件要求，提高激光雷達系統(tǒng)距離分辨率和信 號處理速率。系統(tǒng)在接收端采用解調(diào)制器控制進入探測器的激光編碼信號，并利用累積型 陣列探測器的累積探測信號特性對采集到的信號進行累積，從而判斷信號的相位延遲，并 轉(zhuǎn)化為目標距離。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0005] 本發(fā)明包括激光器、激光調(diào)制單元、光學天線、相位編碼信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā) 生器、激光解調(diào)單元、信號處理器和計算機，所述的激光解調(diào)單元包括陣列探測器和解調(diào)制 器；
[0006] 激光器發(fā)射幅度恒定的激光信號，相位編碼信號發(fā)生器產(chǎn)生調(diào)制信號和解調(diào)制信 號，脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生時鐘信號；激光信號經(jīng)過激光調(diào)制單元調(diào)制成為偽隨機激光脈沖 序列信號，經(jīng)過光學天線照射在目標上；光學天線接收目標的激光脈沖回波信號；激光脈 沖回波信號經(jīng)過解調(diào)制器，照射在陣列探測器上；在解調(diào)制器中，解調(diào)制信號控制激光脈沖 回波信號是否通過解調(diào)制器，實現(xiàn)解調(diào)制信號與激光脈沖回波信號的相乘；陣列探測器在 選通時間內(nèi)對激光信號進行累積探測，并將累積得到的信號輸出給信號處理器，實現(xiàn)解調(diào) 制信號與激光脈沖回波信號乘積的相加；信號處理器根據(jù)陣列探測器輸出的累積信號中的 最高峰，判斷激光脈沖回波信號相對于發(fā)射的偽隨機激光脈沖序列信號的相位差，并輸出 給計算機，計算機綜合所有像素，計算目標的距離，成目標三維像。
[0007] 所述的激光調(diào)制單元包括調(diào)制器、第一信號源和第一存儲器；所述的光學天線包 括光學發(fā)射天線和光學接收天線。
[0008] 所述的激光解調(diào)單元還包括選通門控制器、第二信號源和第二存儲器；所述相位 編碼信號發(fā)生器的信號輸出端連接第二存儲器的信號輸入端，第二存儲器的信號輸出端連 接第二信號源的信號輸入端；所述脈沖信號發(fā)射器的時鐘信號輸出端連接第二信號源的時 鐘信號輸入端；所述第二信號源的解調(diào)制信號輸出端連接解調(diào)制器的解調(diào)制信號輸入端； 所述第二信號源的控制信號輸出端連接選通門控制器的控制信號輸入端；所述選通門控制 器的控制信號輸出端連接陣列探測器及信號處理器的控制信號輸入端；所述陣列探測器的 信號輸出端連接信號處理器的接收信號輸入端；所述信號處理器的信號輸出端連接計算機 的信號輸入端。
[0009] 所述的激光器用來發(fā)射恒定強度的激光信號，激光器的激光發(fā)射端連接調(diào)制器的 光輸入端，調(diào)制器的光輸出端連接光學發(fā)射天線的光輸入端；所述的光學接收天線用來接 收目標的激光回波脈沖信號，光學接收天線輸出的光信號輸入到解調(diào)制器的光輸入端，解 調(diào)制器的光信號輸出端輸出的光信號照射在陣列探測器的像素表面上。
[0010] 所述相位編碼信號發(fā)生器的信號輸出端連接第一存儲器的信號輸入端，第一存儲 器的信號輸出端連接第一信號源的信號輸入端；所述脈沖信號發(fā)生器的時鐘信號輸出端連 接第一信號源的時鐘信號輸入端，第一信號源的驅(qū)動脈沖信號輸出端連接調(diào)制器的驅(qū)動脈 沖信號輸入端。
[0011] 本發(fā)明的具有的有益效果：
[0012] 1.采樣速率低
[0013] 本發(fā)明根據(jù)解調(diào)制器和累積型陣列探測器的硬件特性，使信號相關(guān)運算的相乘和 信號相加過程在信號解調(diào)制和累積探測過程中通過硬件完成，采樣的時間等于kN+1倍的 子碼寬度。相對于其他相位編碼雷達的采樣時間，本發(fā)明的采樣時間被延長了kN+1倍，避 免了對回波信號的高速采集，使陣列探測器能夠滿足系統(tǒng)的采樣要求。設(shè)信號子碼寬度t， 探測器采樣時間為（kN+1)t。
[0014] 2.測距分辨率高
[0015] 因為采用相位編碼方法調(diào)制激光信號，使本發(fā)明的測距分辨率達到信號子碼寬度 T。在雷達的調(diào)制和解調(diào)過程中，均可以采用高頻調(diào)制器進行調(diào)制，因此可以極大地減小信 號子碼寬度。另由于探測器采用的是累積型探測器對照射在探測器上的激光信號進行累積 探測后輸出，累積時間與解調(diào)制信號序列周期長度相等，雷達的采樣頻率不再需要大于或 等于信號頻率的2倍，因此序列子碼寬度不再受雷達采樣頻率所限制。綜合這兩個因素，信 號子碼寬度可以極大地減小，使得雷達的測距分辨率等于信號子碼寬度，得到極高的雷達 測距分辨率。設(shè)信號子碼寬度T，則雷達測距分辨率為
[0016] 3.運算量少，可實時探測
[0017] 常規(guī)相位編碼激光雷達系統(tǒng)中解調(diào)制信號與回波信號的卷積運算占用了大量的 計算機資源，當采用陣列探測器時，運算量成倍增長，因此在信號處理器的處理帶寬受限 時，系統(tǒng)無法實時探測。由于本發(fā)明的解調(diào)制器采用微波光子器件，解調(diào)制信號與回波信號 的乘積實質(zhì)上是在解調(diào)制器中完成，且處理過程為光學信號處理過程，避免了信號間的串 擾。當累積型探測器對解調(diào)后的信號進行累積探測時，實質(zhì)上是完成了解調(diào)制信號與回波 信號乘積的相加。這樣由解調(diào)制器和累積型探測器在微波光子學領(lǐng)域內(nèi)共同完成了解調(diào)制 信號和回波信號的卷積，避免了常規(guī)相位編碼激光雷達系統(tǒng)中采用電信號的卷積運算。信 號處理器和計算機所起到的作用僅為時統(tǒng)作用，依信號輸出的順序判斷解調(diào)制信號和回波 信號的相位差，計算目標距離和成目標距離像。因此在計算機中的運算量明顯減小，系統(tǒng)可 以實現(xiàn)實時探測過程。
[0018]4?信噪比高
[0019]本發(fā)明發(fā)射寬脈沖激光信號（寬度為m序列周期Nt)，信號能量大。因為采用選 通方式接收信號，雷達不接收選通區(qū)間外的背景噪聲和大氣散射噪聲，從而降低了噪聲能 量，充分發(fā)揮了距離選通激光成像雷達的高信噪比優(yōu)勢。又因為本發(fā)明采用相位編碼方式 對信號進行調(diào)制，接收仍采用等效的相關(guān)運算的算法，可以提高信號信噪比#倍。
[0020] 5.測距范圍大
[0021] 本發(fā)明發(fā)射寬脈沖激光信號（寬度為m序列周期Nt)，信號能量大，從而使雷達的 測量范圍增加。由于使用相位編碼方式，進行距離的大尺度測量，可以通過改變序列長度改 變提高信號信號比，從而提高測距距離。
[0022] 6.抗干擾性能好
[0023] 因為采用相位編碼方式，編碼規(guī)律近乎于隨機序列，具備優(yōu)良的抗干擾性能。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的工作流程圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明的信號示意圖。
【具體實施方式】
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