基于偽隨機(jī)碼相位調(diào)制和外差探測(cè)的測(cè)速測(cè)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(jī)碼相位調(diào)制技術(shù)、外差探測(cè)技術(shù)的高精度激光雷 達(dá)測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的測(cè)速測(cè)距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 導(dǎo)彈在進(jìn)行軍事打擊時(shí)需要獲得精準(zhǔn)的目標(biāo)位置和速度信息，運(yùn)對(duì)于導(dǎo)彈命中率 有著十分重要的作用，尤其是對(duì)于不斷運(yùn)動(dòng)的打擊目標(biāo)，例如執(zhí)行反導(dǎo)任務(wù)。而早期傳統(tǒng)的 通過(guò)測(cè)量距離再將距離微分得到速度的方法，因?yàn)榫嚯x的不連續(xù)性不能得到正確的速度信 息。而將回波信號(hào)截成多個(gè)小的時(shí)間段，通過(guò)測(cè)量每個(gè)時(shí)間段的多普勒頻移得到速度信息， 再根據(jù)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的時(shí)刻來(lái)計(jì)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(wèn)題是提高距離分辨率W實(shí)現(xiàn)高精度的速度信息和距離信 息測(cè)量。
[0004] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種基于偽隨機(jī)碼相位調(diào)制 和外差探測(cè)的測(cè)速測(cè)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(dòng)電光相位調(diào)制器對(duì)光束一進(jìn) 行相位調(diào)制后，再經(jīng)由光纖放大器放大，進(jìn)入環(huán)形器，環(huán)形器一方面通過(guò)望遠(yuǎn)鏡將調(diào)制放大 后的光束一發(fā)射出去，另一方面通過(guò)望遠(yuǎn)鏡接收反射回來(lái)的回波信號(hào)光；
[0006] 光束二輸入聲光移頻器，由正弦信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)聲光移頻器利用光束二產(chǎn)生本征 信號(hào)光，第二禪合器同時(shí)接收來(lái)自聲光移頻器的本征信號(hào)光W及來(lái)自環(huán)形器的回波信號(hào) 光，第二禪合器的混合信號(hào)輸出端口與平衡探測(cè)器相連，由平衡探測(cè)器產(chǎn)生相干光信號(hào)，由 計(jì)算機(jī)通過(guò)采集單元采集經(jīng)放大器放大后的相干光信號(hào)，采集單元同時(shí)采集任意波形發(fā)生 器輸出的電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，采集單元與任意波形發(fā)生器間通過(guò)外部觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)時(shí) 間同步；
[0007] 在計(jì)算機(jī)中，相干光信號(hào)和不同延遲的電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)相乘并做傅里葉 變換，傅里葉變換峰值最大處對(duì)應(yīng)的延遲量代表距離信息。
[000引優(yōu)選地，在所述計(jì)算機(jī)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(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得出對(duì)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(yuǎn)鏡是發(fā)射和接收共光軸的望遠(yuǎn)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(gè)技術(shù)方案是提供了一種利用上述的基于偽隨機(jī)碼相位調(diào)制和外 差探測(cè)的測(cè)速測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)速測(cè)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(guò)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(guò)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射出去；
[0016] 同時(shí)，聲光移頻器將光束二移頻后形成本征信號(hào)光；
[0017] 第二步、環(huán)形器通過(guò)望遠(yuǎn)鏡接收發(fā)射到目標(biāo)后反射回來(lái)的回波信號(hào)光，第二禪合 器同時(shí)接收來(lái)自環(huán)形器的回波信號(hào)光及來(lái)自聲光移頻器的本征信號(hào)光，再經(jīng)由平衡探測(cè)器 產(chǎn)生相干光信號(hào)，相干光信號(hào)通過(guò)放大器的放大，采集單元同時(shí)采集放大后的相干光信號(hào) 及任意波形發(fā)生器輸出的電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)后輸入給計(jì)算機(jī)；
[0018] 第Ξ步、在計(jì)算機(jī)中，放大后的相干光信號(hào)依次與不同延遲的電光相位調(diào)制器驅(qū) 動(dòng)信號(hào)相乘并經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換，得到不同延遲下頻率與信號(hào)歸一化強(qiáng)度的圖像；
[0019] 傅里葉變換峰值最大處所對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間t = nTo,式中，To為電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng) 信號(hào)碼元寬度，η為依次進(jìn)行延遲的次數(shù)，目標(biāo)所處距離L = cnT日/2，式中，C為光速；
[0020] 傅里葉變換峰值對(duì)應(yīng)的頻率為f/ m，則此時(shí)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(biāo)速度
[0021] 本發(fā)明的基本原理是將激光經(jīng)過(guò)禪合器分光為兩部分，絕大部分激光通過(guò)電光相 位調(diào)制器進(jìn)行偽隨機(jī)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(yuǎn)鏡 發(fā)射出去，一小部分經(jīng)過(guò)聲光移頻器移頻作為本征光用于相干探測(cè)；回波激光和本征光進(jìn) 入禪合器相干，相干光通過(guò)光電平衡探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并由雙通道AD采集卡收集轉(zhuǎn)化 為數(shù)字信號(hào)，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(dòng) 信號(hào)并依次做不同的時(shí)間延遲。相干信號(hào)依次和不同時(shí)間延遲的電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào) 相乘并做傅里葉變換，得到不同時(shí)間延遲下頻率與信號(hào)歸一化強(qiáng)度，其中傅里葉變換峰值 最大處所對(duì)應(yīng)的時(shí)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(biāo)速度 和距離信息。
[0022] 本發(fā)明有著W下特點(diǎn)：
[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(guò)光纖將光路接通簡(jiǎn)化連接操作，運(yùn)些特點(diǎn)使得系統(tǒng)的功耗變小，質(zhì)量更輕，穩(wěn)定性得到加 強(qiáng)。
[0024] 2、調(diào)制技術(shù)采用了高速偽隨機(jī)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(hào)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(dá)到 1G化，即偽隨機(jī)碼碼元長(zhǎng)度為Ins，在此條件下系統(tǒng)的距離分辨率可達(dá)到15cm。
[0025] 3、系統(tǒng)采用了外差探測(cè)技術(shù)。采用外差探測(cè)，有效地放大了回波信號(hào)的功率，使得 系統(tǒng)相干探測(cè)運(yùn)一部分可W工作在量子噪聲限，比直接探測(cè)獲得更高信噪比；
[0026] 4、電光相位調(diào)制器驅(qū)動(dòng)信號(hào)與雙通道AD采集卡處理數(shù)據(jù)在時(shí)間上相關(guān)聯(lián)，距離探 測(cè)和速度探測(cè)并非分立的光路，本發(fā)明可W同時(shí)高精度地獲取目標(biāo)的速度和距離信息。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為本發(fā)明高精度測(cè)速測(cè)距激光雷達(dá)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(yuǎn)鏡、7-正弦信號(hào)發(fā)生器、8-聲光移頻器、9-第二禪合器、10-平衡探測(cè)器、11-放大器、12- 雙通道AD采集卡、13-計(jì)算機(jī)、14-外部觸發(fā)器、15-任意波形發(fā)生器。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲W優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0030] 首先請(qǐng)參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明提供的一種基于偽隨機(jī)碼相位調(diào)制和外差探測(cè)的測(cè) 速測(cè)距系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖。由圖1可見(jiàn)，本發(fā)明高精度測(cè)速測(cè)距激光雷達(dá)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(yuǎn)鏡6,正弦信號(hào)發(fā)生器7,聲光移 頻器8,第二禪合器9,平衡探測(cè)器10,放大器11，雙通道AD采集卡12,具有信號(hào)處理、控制、計(jì) 算、采集、顯示功能的計(jì)算機(jī)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(guò)由任意波形發(fā)生器15 驅(qū)動(dòng)的電光相位調(diào)制器3進(jìn)行相位調(diào)制，再經(jīng)由光纖放大器4進(jìn)行放大后。放大后的光束通 過(guò)環(huán)形器5由望遠(yuǎn)鏡6發(fā)射出去。光束二經(jīng)過(guò)由正弦信號(hào)發(fā)生器巧區(qū)動(dòng)的聲光移頻器8移頻作 為本征信號(hào)光用于光外差探測(cè)。第二禪合器9的一個(gè)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(biāo)后反射回來(lái)的回波信號(hào)，另一