專利名稱：基于光纖采樣技術(shù)的lfmcw激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)體制的激光雷達(dá)具有發(fā)射功率低、截獲概率小、無模糊測距、可實(shí)現(xiàn)距離高分辨率等突出優(yōu)點(diǎn)，因而在精確制導(dǎo)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其基本原理是利用發(fā)射信號(hào)與回波信號(hào)之間的頻率差來確定目標(biāo)距離，即依靠較容易處理的信號(hào)頻域特征來反映目標(biāo)的距離參數(shù)。理想線性的寬帶調(diào)制波形可以得到很高的距離分辨率，但這種體制對(duì)調(diào)制線性的要求是極其苛刻的，而非線性分量將無可避免地對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致測量距離或速度不準(zhǔn)確，嚴(yán)重影響測量精度，對(duì)其進(jìn)行非線性校正意義重大。因此，對(duì)LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻非線性的研究一直是該種測量方式的研究重點(diǎn)。理想情況下，激光調(diào)頻曲線應(yīng)為線性，但實(shí)際中受各種因素影響會(huì)產(chǎn)生調(diào)頻非線性，該因素將嚴(yán)重影響測量準(zhǔn)確度和精度，對(duì)LFMCW雷達(dá)調(diào)頻非線性的校正，在微波雷達(dá)中有較多的研究，但是微波雷達(dá)與激光雷達(dá)在頻域上有很大的差別，微波頻率較低，而激光頻率很高，因此，傳統(tǒng)微波雷達(dá)的理論和技術(shù)有很多不適于LFMCW激光雷達(dá)，而且這些校正非線性的方式大多需要復(fù)雜的電學(xué)設(shè)備，因此，需要考慮并校正電學(xué)設(shè)備本身的非線性，有些需要迭代算法來估算調(diào)頻非線性，在時(shí)間上有一定的延遲，由于校準(zhǔn)干涉儀采集到的干涉信號(hào)正好反映了激光器的非線性，所以將該干涉信號(hào)可以作為非線性補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)來源。為滿足采樣定理的要求，校準(zhǔn)干涉儀兩臂的光程差必須至少是被測距離值的兩倍，才能滿足奈奎斯特采樣定理，保證采樣后的信號(hào)經(jīng)過傅里葉變換后在頻域不發(fā)生混疊失真。由于是非均勻采樣，需要保證干涉測量光路和校正光路的拍頻信號(hào)之間的頻率比例始終保持恒定(最小為1:2)，如圖4所示，才能使采樣后的信號(hào)變?yōu)橐粋€(gè)隨k均勻的時(shí)變信號(hào)，如圖3所示，，所以這種校正方法只適用于調(diào)頻曲線變化平緩的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決在調(diào)頻曲線變化不平緩時(shí)，無法進(jìn)行非線性校正的問題，提出了基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法?；诠饫w采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，所述LFMCW激光雷達(dá)是設(shè)置有校正光路的LFMCW激光雷達(dá)，它包括干涉測量光路和校正光路，所述干涉測量光路包括調(diào)諧激光器、第一稱合器、第一準(zhǔn)直鏡、第一玻片、第一偏振分光鏡、第二玻片、準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置、聚焦透鏡、第二耦合器、第二準(zhǔn)直鏡、第三玻片、第二偏振分光鏡和第二探測器，所述校正光路包括第一光纖、第二光纖、第三耦合器和第一探測器，調(diào)諧激光器發(fā)出的線性連續(xù)調(diào)頻激光通過光纖入射到第一耦合器，所述第一耦合器將該激光分成三束激光，其中第一束激光通過光纖入射到第一準(zhǔn)直鏡，第一準(zhǔn)直鏡出射光經(jīng)過第一玻片透射后入射到第一偏振分光鏡，經(jīng)該第一偏振分光鏡的透射的激光入射至第二玻片，經(jīng)該第二玻片透射后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光入射到準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置，準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置輸出的激光照射目標(biāo)，經(jīng)該目標(biāo)反射的線偏振光入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置，該準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置將所述線偏振光輸出至第二玻片，經(jīng)該第二玻片透射后進(jìn)入第一偏振分光鏡的分光面，經(jīng)該第一偏振分光鏡的分光面反射后入射到聚焦透鏡，經(jīng)該聚焦透鏡聚焦后入射到第二偏振分光鏡的分光面，經(jīng)過該第二偏振分光鏡的分光面反射形成干涉測量光路的信號(hào)光，第一稱合器分出的第二束激光通過光纖入射到第二稱合器，第二稱合器將該激光分為兩束光，其中一束入射到第二準(zhǔn)直鏡，第二準(zhǔn)直鏡的出射光入射至第三玻片，經(jīng)該第三玻片透射后入射到第二偏振分光鏡，經(jīng)過第二偏振分光鏡透射后形成干涉測量光路的參考光，所述干涉測量光路的參考光和干涉測量光路的信號(hào)光合束之后入射到第二探測器，在第二探測器上形成拍頻信號(hào)；第二耦合器分出的另一束激光通過第一光纖入射到第三耦合器，第一耦合器分出的第三束激光通過第二光纖入射到第三耦合器，第三耦合器將第一光纖和第二光纖入射的兩束光合束后作為校正光入射到第一探測器，在第一探測器上形成拍頻信號(hào)，

所述非線性校正方法的具體過程為:步驟1:對(duì)第一探測器上的拍頻信號(hào)進(jìn)行電學(xué)二倍頻處理，提取二倍頻處理信號(hào)的相位過零點(diǎn)，也即是二倍頻處理信號(hào)波形依次經(jīng)過相位為O、、2π、3π……處，每經(jīng)過η的相位變化所經(jīng)過的時(shí)間，并將該時(shí)間序列組成數(shù)組作為采樣控制信號(hào)，步驟2:用步驟I得到的采樣控制信號(hào)對(duì)第二探測器上形成的拍頻信號(hào)進(jìn)行采樣，得到均勻的單一頻率的正弦信號(hào)，步驟3:對(duì)步驟2得到的正弦信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，在頻譜上形成單一頻率的譜峰，從而完成對(duì)LFMCW激光雷達(dá)的調(diào)頻非線性校正。本發(fā)明提供基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，本發(fā)明是基于結(jié)構(gòu)簡潔的LFMCW激光雷達(dá)校正光路的光纖倍頻采樣技術(shù)來校正激光調(diào)頻的非線性，從而消除調(diào)頻激光器調(diào)頻的非線性對(duì)測量結(jié)果的影響，本發(fā)明采用的校正裝置結(jié)構(gòu)簡單、測量速度快且實(shí)時(shí)在線校正，成本低，并且本發(fā)明提供的方法對(duì)于在調(diào)頻曲線變化平緩和調(diào)頻曲線變化不平緩的情況下均適用。


圖1是帶有校正光路的LFMCW激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是調(diào)頻曲線不含有非線性誤差的情況下的調(diào)頻特性曲線，其中，I表示參考光，2表不測量光，圖3調(diào)頻曲線不含有非線性誤差的情況下拍頻信號(hào)圖，其中IF表示中值頻率，且IF= τ Ω /Tm,圖4是調(diào)頻曲線變化平緩的情況下的非線性調(diào)頻特性曲線，其中，3表示參考光，4表不測量光，5表不校正光，圖5是校正光路的拍頻信號(hào)進(jìn)行二倍頻處理后的信號(hào)的示意圖，圖6是干涉測量光路的拍頻信號(hào)示意圖，圖7是調(diào)頻曲線變化不平緩的情況下的非線性調(diào)頻特性曲線，其中，6表示參考光，7表不測量光,8表不校正光，圖8是基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一:結(jié)合圖1和圖8說明本實(shí)施方式,本實(shí)施方式所述的基于光纖米樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，所述LFMCW激光雷達(dá)是設(shè)置有校正光路的LFMCW激光雷達(dá)，它包括干涉測量光路和校正光路，所述干涉測量光路包括調(diào)諧激光器
1、第一稱合器2、第一準(zhǔn)直鏡3、第一玻片4、第一偏振分光鏡5、第二玻片6、準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置
7、聚焦透鏡8、第二耦合器9、第二準(zhǔn)直鏡10、第三玻片11、第二偏振分光鏡12和第二探測器17，所述校正光路包括第一光纖13、第二光纖14、第三稱合器15和第一探測器16,調(diào)諧激光器I發(fā)出的線性連續(xù)調(diào)頻激光通過光纖入射到第一耦合器2，所述第一耦合器2將該激光分成三束激光，其中第一束激光通過光纖入射到第一準(zhǔn)直鏡3，第一準(zhǔn)直鏡3出射光經(jīng)過第一玻片4透射后入射到第一偏振分光鏡5,經(jīng)該第一偏振分光鏡5的透射的激光入射至第二玻片6，經(jīng)該第二玻片6透射后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光入射到準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置7，準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置7輸出的激光照射目標(biāo)18，經(jīng)該目標(biāo)18反射的線偏振光入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置7，該準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置7將所述線偏振光輸出至第二玻片6，經(jīng)該第二玻片6透射后進(jìn)入第一偏振分光鏡5的分光面,經(jīng)該第一偏振分光鏡5的分光面反射后入射到聚焦透鏡8，經(jīng)該聚焦透鏡8聚焦后入射到第二偏振分光鏡12的分光面，經(jīng)過該第二偏振分光鏡12的分光面反射形成干涉測量光路的信號(hào)光，第一稱合器2分出的第二束激光通過光纖入射到第二稱合器9,第二稱合器9將該激光分為兩束光，其中一束入射到第二準(zhǔn)直鏡10，第二準(zhǔn)直鏡10的出射光入射至第三玻片11，經(jīng)該第三玻片11透射后入射到第二偏振分光鏡12，經(jīng)過第二偏振分光鏡12透射后形成干涉測量光路的參考光，所述干涉測量光路的參考光和干涉測量光路的信號(hào)光合束之后入射到第二探測器17，在第二探測器17上形成拍頻信號(hào)；第二耦合器9分出的另一束激光通過第一光纖13入射到第三稱合器15,第一稱合器2分出的第三束激光通過第二光纖14入射到第三稱合器15,第三率禹合器15將第一光纖13和第二光纖14入射的兩束光合束后作為校正光入射到第一探測器16，在第一探測器16上形成拍頻信號(hào)，所述非線性校正方法的具體過程為:步驟1:對(duì)第一探測器16上的拍頻信號(hào)進(jìn)行電學(xué)二倍頻處理，提取二倍頻處理信號(hào)的相位過零點(diǎn)，也即是二倍頻處理信號(hào)波形依次經(jīng)過相位為O、π、2 π、3 π……處，每經(jīng)過η的相位變化所經(jīng)過的時(shí)間，并將該時(shí)間序列組成數(shù)組作為采樣控制信號(hào)，步驟2:用步驟I得到的采樣控制信號(hào)對(duì)第二探測器17上形成的拍頻信號(hào)進(jìn)行采樣，得到均勻的單一頻率的正弦信號(hào)，
步驟3:對(duì)步驟2得到的正弦信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，在頻譜上形成單一頻率的譜峰，從而完成對(duì)LFMCW激光雷達(dá)的調(diào)頻非線性校正。本實(shí)施方式所述的準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置7用來對(duì)圓偏振光整形，減小激光發(fā)散角。本實(shí)施方式中的的第一光纖、第二光纖、第三耦合器和第一探測器組成一個(gè)校準(zhǔn)干涉儀，即馬赫-澤德干涉儀，其中第二光纖14與第一光纖13的長度差值與激光雷達(dá)的最大測量距離一致或略大一些，對(duì)第一光纖13和第二光纖14的長度預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定，第二光纖14與第一光纖13的長度之差為LFMCW激光雷達(dá)最大測量距離，即測量范圍上限。
具體實(shí)施方式
二:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法的進(jìn)一步限定，所述調(diào)諧激光器I為1550nm調(diào)諧激光器。
具體實(shí)施方式
三:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法的進(jìn)一步限定，所述第一耦合器2為I X 3耦合器。
具體實(shí)施方式
四:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于光纖米樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法的進(jìn)一步限定，所述第二耦合器9為1X2耦合器。
具體實(shí)施方式
五:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于光纖米樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法的進(jìn)一步限定，所述第三耦合器15為2X1耦合器。
具體實(shí)施方式
六:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于光纖米樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法的進(jìn)一步限定，所述第一玻片4為1/2玻片。
具體實(shí)施方式
七:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法的進(jìn)一步限定，所述第二玻片6為1/4玻片。
具體實(shí)施方式
八:本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施方式
一所述的基于光纖米樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法的進(jìn)一步限定，所述第三玻片11為1/2玻片。工作原理:LFMCW激光雷達(dá)在理想線性調(diào)頻的情況下，即調(diào)頻曲線不含有非線性誤差，其調(diào)頻特性曲線如圖2所示，拍頻信號(hào)如圖3所示，可以看出拍頻信號(hào)的曲線為單一頻率的正弦波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行傅立葉變換后將在頻譜圖上形成單一的頻率譜峰。而當(dāng)LFMCW激光雷達(dá)在非線性調(diào)頻的情況下，即調(diào)頻曲線含有非線性誤差，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行校正。校準(zhǔn)干涉儀采集到的高頻干涉信號(hào)正好反映了激光器的這種非線性，可以作為非線性補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)來源。現(xiàn)有的非線性校正的方法中，為滿足采樣定理的要求，校準(zhǔn)干涉儀兩臂的光程差必須至少是被測距離值的兩倍。比如，激光器的調(diào)諧特性存在一個(gè)
二階的誤差項(xiàng)σ，即調(diào)諧函數(shù)為
權(quán)利要求
1.基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，所述LFMCW激光雷達(dá)是設(shè)置有校正光路的LFMCW激光雷達(dá)，它包括干涉測量光路和校正光路，所述干涉測量光路包括調(diào)諧激光器(I)、第一稱合器(2 )、第一準(zhǔn)直鏡(3 )、第一玻片(4 )、第一偏振分光鏡(5)、第二玻片(6)、準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置(7)、聚焦透鏡(8)、第二耦合器(9)、第二準(zhǔn)直鏡(10)、第三玻片(11 )、第二偏振分光鏡(12)和第二探測器(17),所述校正光路包括第一光纖(13)、第二光纖(14)、第三耦合器(15)和第一探測器(16)， 調(diào)諧激光器(I)發(fā)出的線性連續(xù)調(diào)頻激光通過光纖入射到第一耦合器(2)，所述第一率禹合器(2)將該激光分成三束激光,其中第一束激光通過光纖入射到第一準(zhǔn)直鏡(3),第一準(zhǔn)直鏡(3 )出射光經(jīng)過第一玻片(4 )透射后入射到第一偏振分光鏡(5 ),經(jīng)該第一偏振分光鏡(5)的透射的激光入射至第二玻片(6)，經(jīng)該第二玻片(6)透射后變?yōu)閳A偏振光，該圓偏振光入射到準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置(7)，準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置(7)輸出的激光照射目標(biāo)(18)，經(jīng)該目標(biāo)(18)反射的線偏振光入射至準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置(7)，該準(zhǔn)直擴(kuò)束裝置(7)將所述線偏振光輸出至第二玻片(6),經(jīng)該第二玻片(6)透射后進(jìn)入第一偏振分光鏡(5)的分光面,經(jīng)該第一偏振分光鏡(5)的分光面反射后入射到聚焦透鏡(8)，經(jīng)該聚焦透鏡(8)聚焦后入射到第二偏振分光鏡(12)的分光面,經(jīng)過該第二偏振分光鏡(12)的分光面反射形成干涉測量光路的信號(hào)光， 第一稱合器(2)分出的第二束激光通過光纖入射到第二稱合器(9),第二稱合器(9)將該激光分為兩束光，其中一束入射到第二準(zhǔn)直鏡(10)，第二準(zhǔn)直鏡(10)的出射光入射至第三玻片(11)，經(jīng)該第三玻片(11)透射后入射到第二偏振分光鏡(12)，經(jīng)過第二偏振分光鏡(12)透射后形成干涉測量光路的參考光，所述干涉測量光路的參考光和干涉測量光路的信號(hào)光合束之后入射到第二探測器(17)，在第二探測器(17)上形成拍頻信號(hào)；第二耦合器(9)分出的另一束激光通過第一光纖(13)入射到第三耦合器(15)， 第一稱合器(2)分出的第三束激光通過第二光纖(14)入射到第三稱合器(15),第三率禹合器(15)將第一光纖(13)和第二光纖(14)入射的兩束光合束后作為校正光入射到第一探測器(16)，在第一探測器(16)上形成拍頻信號(hào)， 其特征在于，所述非線性校正方法的具體過程為: 步驟1:對(duì)第一探測器(16)上的拍頻信號(hào)進(jìn)行電學(xué)二倍頻處理，提取二倍頻處理信號(hào)的相位過零點(diǎn)，也即是二倍頻處理信號(hào)波形依次經(jīng)過相位為O、π、2 π、3 π……處，每經(jīng)過η的相位變化所經(jīng)過的時(shí)間，并將該時(shí)間序列組成數(shù)組作為采樣控制信號(hào)， 步驟2:用步驟I得到的采樣控制信號(hào)對(duì)第二探測器(17)上形成的拍頻信號(hào)進(jìn)行采樣，得到均勻的單一頻率的正弦信號(hào)， 步驟3:對(duì)步驟2得到的正弦信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，在頻譜上形成單一頻率的譜峰，從而完成對(duì)LFMCW激光雷達(dá)的調(diào)頻非線性校正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，其特征在于，所述調(diào)諧激光器(I)為1550nm調(diào)諧激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，其特征在于，所述第一耦合器(2)為I X 3耦合器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，其特征在于，所述第二耦合器(9)為I X 2耦合器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，其特征在于，所述第三耦合器(15)為2X1耦合器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，其特征在于，所述第一玻片(4)為1/2玻片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，其特征在于，所述第二玻片(6)為1/4玻片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，其特征在于，所述第三 玻片(11)為1/2玻片。
全文摘要
基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法，涉及LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正的技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明解決了在調(diào)頻曲線變化不平緩時(shí)，無法進(jìn)行非線性校正的問題，提出了基于光纖采樣技術(shù)的LFMCW激光雷達(dá)調(diào)頻的非線性校正方法。對(duì)校正光路中的第一光纖和第二光纖的長度預(yù)先進(jìn)行標(biāo)定，第一光纖和第二光纖的長度之差為LFMCW激光雷達(dá)最大測量距離，即測量范圍上限，第三耦合器對(duì)第一光纖和第二光纖的光束進(jìn)行合束，其校正光被第一探測器接收，形成拍頻信號(hào)，該拍信號(hào)經(jīng)過電學(xué)二倍頻后對(duì)干涉測量光路中的拍頻信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣后的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，從而消除調(diào)頻激光器調(diào)頻非線性對(duì)測量結(jié)果的影響。本發(fā)明適用于對(duì)激光雷達(dá)調(diào)頻非線性校正。
文檔編號(hào)G01S7/40GK103176173SQ20131005097
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月16日
發(fā)明者甘雨, 陳鳳東, 許新科, 劉國棟, 劉炳國, 莊志濤 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)