基于偽隨機碼相位調(diào)制和外差探測的測速測距系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種聯(lián)合利用偽隨機碼相位調(diào)制技術(shù)、外差探測技術(shù)的高精度激光雷 達測速測距系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的測速測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)彈在進行軍事打擊時需要獲得精準的目標位置和速度信息，運對于導(dǎo)彈命中率 有著十分重要的作用，尤其是對于不斷運動的打擊目標，例如執(zhí)行反導(dǎo)任務(wù)。而早期傳統(tǒng)的 通過測量距離再將距離微分得到速度的方法，因為距離的不連續(xù)性不能得到正確的速度信 息。而將回波信號截成多個小的時間段，通過測量每個時間段的多普勒頻移得到速度信息， 再根據(jù)時間段對應(yīng)的時刻來計算距離信息的方法，也不能得到高分辨率的距離信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提高距離分辨率W實現(xiàn)高精度的速度信息和距離信 息測量。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于偽隨機碼相位調(diào)制 和外差探測的測速測距系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器，由第一禪合器將激光器的輸出光束 分為兩部分，一部分光束為光束一，另一部分光束為光束二；
[0005] 光束一輸入電光相位調(diào)制器，由任意波形發(fā)生器驅(qū)動電光相位調(diào)制器對光束一進 行相位調(diào)制后，再經(jīng)由光纖放大器放大，進入環(huán)形器，環(huán)形器一方面通過望遠鏡將調(diào)制放大 后的光束一發(fā)射出去，另一方面通過望遠鏡接收反射回來的回波信號光；
[0006] 光束二輸入聲光移頻器，由正弦信號發(fā)生器驅(qū)動聲光移頻器利用光束二產(chǎn)生本征 信號光，第二禪合器同時接收來自聲光移頻器的本征信號光W及來自環(huán)形器的回波信號 光，第二禪合器的混合信號輸出端口與平衡探測器相連，由平衡探測器產(chǎn)生相干光信號，由 計算機通過采集單元采集經(jīng)放大器放大后的相干光信號，采集單元同時采集任意波形發(fā)生 器輸出的電光相位調(diào)制器驅(qū)動信號，采集單元與任意波形發(fā)生器間通過外部觸發(fā)器實現(xiàn)時 間同步；
[0007] 在計算機中，相干光信號和不同延遲的電光相位調(diào)制器驅(qū)動信號相乘并做傅里葉 變換，傅里葉變換峰值最大處對應(yīng)的延遲量代表距離信息。
[000引優(yōu)選地，在所述計算機中，傅里葉變換峰值頻率與聲光移頻器的頻率差即為多普 勒頻移，通過數(shù)學(xué)計算得出對應(yīng)的速度信息。
[0009 ] 優(yōu)選地，激光器為1550nm單縱模光纖激光器。
[0010] 優(yōu)選地，所述電光相位調(diào)制器為妮酸裡高速電光相位調(diào)制器。
[0011] 優(yōu)選地，所述第一禪合器為1:99的光禪合器，其中，1 %的光為所述光束二;99 %的 光為所述光束一。
[0012] 優(yōu)選地，所述望遠鏡是發(fā)射和接收共光軸的望遠鏡系統(tǒng)。
[0013] 優(yōu)選地，所述采集單元為雙通道AD采集卡。
[0014] 本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是提供了一種利用上述的基于偽隨機碼相位調(diào)制和外 差探測的測速測距系統(tǒng)進行測速測距的方法，其特征在于，包括下列步驟：
[0015] 第一步、由第一禪合器將激光器輸出的光束分為光束一及光束二，光束一依次經(jīng) 過電光相位調(diào)制器和光纖放大器后，再經(jīng)由環(huán)形器通過望遠鏡發(fā)射出去；
[0016] 同時，聲光移頻器將光束二移頻后形成本征信號光；
[0017] 第二步、環(huán)形器通過望遠鏡接收發(fā)射到目標后反射回來的回波信號光，第二禪合 器同時接收來自環(huán)形器的回波信號光及來自聲光移頻器的本征信號光，再經(jīng)由平衡探測器 產(chǎn)生相干光信號，相干光信號通過放大器的放大，采集單元同時采集放大后的相干光信號 及任意波形發(fā)生器輸出的電光相位調(diào)制器驅(qū)動信號后輸入給計算機；
[0018] 第Ξ步、在計算機中，放大后的相干光信號依次與不同延遲的電光相位調(diào)制器驅(qū) 動信號相乘并經(jīng)過快速傅里葉變換，得到不同延遲下頻率與信號歸一化強度的圖像；
[0019] 傅里葉變換峰值最大處所對應(yīng)的延遲時間t = nTo,式中，To為電光相位調(diào)制器驅(qū)動 信號碼元寬度，η為依次進行延遲的次數(shù)，目標所處距離L = cnT日/2，式中，C為光速；
[0020] 傅里葉變換峰值對應(yīng)的頻率為f/ m，則此時可W得到峰值頻率f/ m與聲光移頻器的 頻率差fd = fVfm，式中，fm為聲光移頻器的頻移量，頻率差fd即為多普勒頻移，則目標速度
[0021] 本發(fā)明的基本原理是將激光經(jīng)過禪合器分光為兩部分，絕大部分激光通過電光相 位調(diào)制器進行偽隨機碼相位調(diào)制，調(diào)制后的激光經(jīng)光纖放大器后作為出射激光，由望遠鏡 發(fā)射出去，一小部分經(jīng)過聲光移頻器移頻作為本征光用于相干探測；回波激光和本征光進 入禪合器相干，相干光通過光電平衡探測器轉(zhuǎn)換為電信號，并由雙通道AD采集卡收集轉(zhuǎn)化 為數(shù)字信號，雙通道AD采集卡的另一通道采集任意波形發(fā)生器輸出的電光相位調(diào)制器驅(qū)動 信號并依次做不同的時間延遲。相干信號依次和不同時間延遲的電光相位調(diào)制器驅(qū)動信號 相乘并做傅里葉變換，得到不同時間延遲下頻率與信號歸一化強度，其中傅里葉變換峰值 最大處所對應(yīng)的時間延遲反映出距離信息，而傅里葉變換峰值頻率與聲光移頻器頻率的頻 率差即為多普勒頻移，并且利用采樣頻率大于激光調(diào)制頻率，從而得到高精度的目標速度 和距離信息。
[0022] 本發(fā)明有著W下特點：
[0023] 1、系統(tǒng)采用光纖激光器作為光源、光路中使用成熟的光纖器件提高電光效率并通 過光纖將光路接通簡化連接操作，運些特點使得系統(tǒng)的功耗變小，質(zhì)量更輕，穩(wěn)定性得到加 強。
[0024] 2、調(diào)制技術(shù)采用了高速偽隨機碼調(diào)制技術(shù)，其插入損耗小，消光比高，使得在峰值 功率的回波信號下也能獲得很好的信噪比，提高距離分辨率。該系統(tǒng)的調(diào)制速率可達到 1G化，即偽隨機碼碼元長度為Ins，在此條件下系統(tǒng)的距離分辨率可達到15cm。
[0025] 3、系統(tǒng)采用了外差探測技術(shù)。采用外差探測，有效地放大了回波信號的功率，使得 系統(tǒng)相干探測運一部分可W工作在量子噪聲限，比直接探測獲得更高信噪比；
[0026] 4、電光相位調(diào)制器驅(qū)動信號與雙通道AD采集卡處理數(shù)據(jù)在時間上相關(guān)聯(lián)，距離探 測和速度探測并非分立的光路，本發(fā)明可W同時高精度地獲取目標的速度和距離信息。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明高精度測速測距激光雷達系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。
[002引圖中：1-激光器、2-第一禪合器、3-電光相位調(diào)制器、4-光纖放大器、5-環(huán)形器、6- 望遠鏡、7-正弦信號發(fā)生器、8-聲光移頻器、9-第二禪合器、10-平衡探測器、11-放大器、12- 雙通道AD采集卡、13-計算機、14-外部觸發(fā)器、15-任意波形發(fā)生器。
【具體實施方式】
[0029] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲W優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0030] 首先請參照圖1，圖1為本發(fā)明提供的一種基于偽隨機碼相位調(diào)制和外差探測的測 速測距系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。由圖1可見，本發(fā)明高精度測速測距激光雷達系統(tǒng)由激光器1，第 一禪合器2,電光相位調(diào)制器3,光纖放大器4,環(huán)形器5,望遠鏡6,正弦信號發(fā)生器7,聲光移 頻器8,第二禪合器9,平衡探測器10,放大器11，雙通道AD采集卡12,具有信號處理、控制、計 算、采集、顯示功能的計算機13、外部觸發(fā)器14及任意波形發(fā)生器15組成。其位置關(guān)系是：由 第一禪合器2將所述的激光器1的輸出光束分為兩部分，即光束一及光束二，第一禪合器2為 1:99的光禪合器，1 %的光為光束二，99%的光為光束一。光束一通過由任意波形發(fā)生器15 驅(qū)動的電光相位調(diào)制器3進行相位調(diào)制，再經(jīng)由光纖放大器4進行放大后。放大后的光束通 過環(huán)形器5由望遠鏡6發(fā)射出去。光束二經(jīng)過由正弦信號發(fā)生器巧區(qū)動的聲光移頻器8移頻作 為本征信號光用于光外差探測。第二禪合器9的一個輸入端口同上述環(huán)形器5的輸出端口相 連W接收發(fā)射至目標后反射回來的回波信號，另一