一種基于強(qiáng)度編碼的合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種基于強(qiáng)度編碼的合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)，它應(yīng)用于合成孔徑激光雷達(dá)成像。本專利的系統(tǒng)由碼元信號(hào)產(chǎn)生單元、90:10光纖耦合器、收發(fā)鏡頭、50:50光纖耦合器、2個(gè)平衡探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集模塊和信號(hào)處理程序模塊構(gòu)成。本專利的強(qiáng)度編碼合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)是基于多階強(qiáng)度編碼調(diào)制激光脈沖信號(hào)，采用外差相干探測(cè)以及平衡探測(cè)技術(shù)得到回波信號(hào)，距離向與方位向壓縮處理后得到目標(biāo)的二維圖像。系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)調(diào)制速度極快，在滿足機(jī)載平臺(tái)飛行速度的前提下，調(diào)制帶寬可達(dá)5GHz以上，系統(tǒng)采用保偏光纖結(jié)構(gòu)，幅度穩(wěn)定性高，易于調(diào)整光路，探測(cè)靈敏度高，距離分辨率達(dá)到厘米量級(jí)。
【專利說(shuō)明】一種基于強(qiáng)度編碼的合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利涉及合成孔徑激光雷達(dá)領(lǐng)域，特別地，涉及一種基于強(qiáng)度編碼調(diào)制信號(hào)的合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前激光雷達(dá)系統(tǒng)按回波的探測(cè)方式可分為直接探測(cè)激光雷達(dá)與相干探測(cè)激光雷達(dá)。直接探測(cè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用最為廣泛，這種系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)量發(fā)射和接收光信號(hào)的時(shí)間


c * At
延遲(At)來(lái)計(jì)算距離/?= γ，c是光速，但是要得到高分辨率必須使用超短脈沖、高速采樣，以及靈敏度非常高的雪崩光電二極管作為探測(cè)器，對(duì)器件要求比較高，受噪聲影響較大。相干探測(cè)利用連續(xù)的本振光信號(hào)與回波在探測(cè)器上混頻，探測(cè)靈敏度高，且可得出回波頻率與相位變化，探測(cè)距離相較直接探測(cè)明顯增加，在大型相干激光雷達(dá)以及激光多普勒雷達(dá)中得到應(yīng)用。
[0003]由激光雷達(dá)理論可知，功率受限時(shí)，所探測(cè)的距離越遠(yuǎn)，要求脈沖時(shí)寬越大；而要實(shí)現(xiàn)的距離分辨率越高，則需要的帶寬越大，簡(jiǎn)單脈沖的時(shí)寬帶寬乘積接近于1，時(shí)寬與帶寬相互制約，不能同時(shí)增大。故對(duì)這種恒定波長(zhǎng)的簡(jiǎn)單激光脈沖，最大作用距離與距離分辨率不可能同時(shí)兼顧。最好的解決辦法就是，采用具有大時(shí)寬帶寬積的復(fù)雜信號(hào)形式作為發(fā)射信號(hào)。
[0004]信號(hào)理論早就指出，大時(shí)寬與帶寬積的發(fā)射信號(hào)，必須使用復(fù)雜的調(diào)制波形。常用的有三種形式:線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和相位編碼調(diào)制。由于線性調(diào)頻信號(hào)(LFM信號(hào)，SP啁啾信號(hào))易于產(chǎn)生、便于處理、對(duì)多普勒頻移不敏感等特性，早期的實(shí)驗(yàn)室演示系統(tǒng)均采用該調(diào)制方式。但寬帶調(diào)頻速率低而致重復(fù)頻率不高，寬帶調(diào)頻線性度差，對(duì)于距離分辨率要求較高的機(jī)載平臺(tái)等高速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無(wú)法使用該方式，限制了合成孔徑激光雷達(dá)的應(yīng)用；非線性調(diào)頻激光的信號(hào)源處理較為復(fù)雜，很少有研究；隨機(jī)碼相位調(diào)制激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)快速的信號(hào)調(diào)制，但是調(diào)制機(jī)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)相位的調(diào)制需要精確控制，工程實(shí)現(xiàn)上受到諸多限制。
[0005]基于以上，目前限制機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)工程化的最大障礙在于，無(wú)法在極短時(shí)間內(nèi)(亞毫秒)調(diào)制得到大時(shí)寬帶寬積雷達(dá)信號(hào)。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本專利的目的是提供一種基于強(qiáng)度編碼的合成孔徑激光雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)極短調(diào)制時(shí)間(亞毫秒)的大時(shí)寬帶寬積雷達(dá)信號(hào)。
[0008]本專利了提供一種新的快速調(diào)制方式，滿足機(jī)載等快速運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)距離向與方位向的高分辨率成像，調(diào)制設(shè)備簡(jiǎn)單易用，利于實(shí)現(xiàn)。本專利提出的強(qiáng)度編碼調(diào)制方式采用N階隨機(jī)碼，碼元寬度為T，碼元個(gè)數(shù)為L(zhǎng)，通過(guò)光電強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制到發(fā)射脈沖光中。受益于現(xiàn)有光電調(diào)制器的調(diào)制速度非?？?鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制速度可達(dá)40Gb/s，這是微波領(lǐng)域不具備的)，在保證高重復(fù)頻率的前提下可以得到很高的帶寬。以下對(duì)本專利優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)推導(dǎo)。
[0009]合成孔徑激光雷達(dá)實(shí)際中選取λ = 1550nm波長(zhǎng)的連續(xù)激光作為光源，發(fā)射信號(hào)頻率記為Otl，則激光出射信號(hào)可表示為:
[0010]s(t) = Es exp(-j (ω0?))(I)
[0011]Es表示信號(hào)幅度，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)為相同。
[0012]信號(hào)經(jīng)過(guò)斬波，得到寬度為T*L的脈沖信號(hào)，重復(fù)頻率f；按照方位向多普勒頻率4的2倍以上進(jìn)行設(shè)置，
7V.
[0013]fd =——sinf^){2)
λ
[0014]其中V為載機(jī)在方位向的運(yùn)動(dòng)速度，Θ為載機(jī)當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的夾角。
[0015]編碼碼元信號(hào)表示為A (t)，則有

L
[0016]A(t) = [ p(n)rect(t -(η- 1)Γ)(3)

H-1
[0017]其中ρ(η)為I到N隨機(jī)取值的隨機(jī)數(shù)序列，個(gè)數(shù)為L(zhǎng)。
[0018]調(diào)制后的光信號(hào)為
Λ',?⑴二乂(,)[ cxp(-/(iy00)
[0019]L(4)
=.χ.p{n )rect{t - (η - ?)Τ) * Es exp(- j(oj,,t))

n-l
[0020]經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射后回到接收系統(tǒng)，設(shè)經(jīng)過(guò)的延時(shí)為τ，則回波表示為

L
[0021]、Ki) = ^, p{n)recl{t-T - {η -1)/') * Es cxp(-/(^n(/ - r))) (5)

n=l
[0022]與本振進(jìn)行相干平衡檢測(cè)，最終得到的碼元信號(hào)為

L
[0023]As (/) = [ P(n)reel(J -f-(n - 1)Γ) ( 6 )

η-1
[0024]對(duì)^(0進(jìn)行匹配濾波，即可得到目標(biāo)對(duì)應(yīng)尖峰的位置，完成距離向數(shù)據(jù)壓縮。在方位向?qū)Χ嗥绽疹l譜進(jìn)行相應(yīng)的壓縮，最終得到高分辨率二維成像，方位向的壓縮由于采用的是經(jīng)典的方法，在此不再贅述。
[0025]根據(jù)匹配濾波及雷達(dá)信號(hào)處理理論，雷達(dá)在距離向的分辨率與調(diào)制帶寬成正比 = c/2B，C是光速，B為調(diào)制帶寬。具體到本專利中，B對(duì)應(yīng)的帶寬為1/Τ?？紤]到信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生碼元速率的限制，本專利選擇B = 2GHz，對(duì)應(yīng)的距離分辨率可達(dá)7.5cm，隨著碼元速率的提高，分辨率還可以進(jìn)一步提升。為了減輕后端AD采樣的壓力，采用了 I/Q正交解調(diào)，將采樣速率降低了一半。
[0026]本專利基于強(qiáng)度編碼的合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)包括窄線寬連續(xù)激光器1，90/10光纖分束器2，鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器3，光放大器4，光纖環(huán)形器5，收發(fā)鏡頭6，90°移相器7，寬帶射頻放大器8，任意波形發(fā)生器9，50/50光纖分束器10，寬帶高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器11，數(shù)據(jù)處理單元12，平衡探測(cè)器I 13，平衡探測(cè)器II 14，3dB耦合器I 15，3dB耦合器II 16，斬波器17。
[0027]窄線寬連續(xù)激光器I產(chǎn)生連續(xù)激光，送入90/10光纖分束器2，其中90%能量作為發(fā)射信號(hào)Si送入鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器3，10%作為本振信號(hào)s2 ；
[0028]由任意波形發(fā)生器9產(chǎn)生隨機(jī)N階碼元，N選取6到16，經(jīng)過(guò)寬帶射頻放大器8放大到適合的電壓幅度，輸入到鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器3的射頻端口，對(duì)信號(hào)Si進(jìn)行幅度編碼調(diào)制，輸出調(diào)制信號(hào)s3 ；
[0029]s3經(jīng)過(guò)斬波器17，經(jīng)由光纖環(huán)形器5和收發(fā)鏡頭6發(fā)射出射信號(hào)s4 ；
[0030]出射信號(hào)s4被目標(biāo)反射,在收發(fā)鏡頭6得到回波rl,從光纖環(huán)形器5的2號(hào)口輸出，將能量平均送給3dB耦合器I 15和3dB耦合器II 16 ；
[0031]本振信號(hào)s2經(jīng)過(guò)50/50光纖分束器10分成兩路能量相等的信號(hào)LI和L2，其中L2經(jīng)過(guò)移相器7延時(shí)90°相位；
[0032]將LI和L2分別送入3dB耦合器I 15和3dB耦合器II 16，混頻后，分別經(jīng)平衡探測(cè)器I 13和平衡探測(cè)器II 14光電轉(zhuǎn)換后被寬帶高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器11采樣，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)處理單元12中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)編碼壓縮和匹配濾波，得到圖像數(shù)據(jù)。
[0033]系統(tǒng)具體工作流程如下:
[0034]窄線寬連續(xù)激光器I產(chǎn)生中心波長(zhǎng)1550nm的連續(xù)激光，送入90/10光纖分束器2，其中90%能量作為發(fā)射信號(hào)Si送入鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器3，10%作為本振信號(hào)s2 ；
[0035]由任意波形發(fā)生器9產(chǎn)生隨機(jī)N階碼元，N選取6到16。經(jīng)過(guò)寬帶射頻放大器8放大到適合的電壓幅度，輸入到鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器3的射頻端口，對(duì)信號(hào)Si進(jìn)行幅度編碼調(diào)制，輸出調(diào)制信號(hào)s3 ；
[0036]s3經(jīng)過(guò)斬波器17，經(jīng)由光纖環(huán)形器5和收發(fā)鏡頭6發(fā)射出射信號(hào)s4 ；
[0037]出射信號(hào)s4被目標(biāo)反射,在收發(fā)鏡頭6得到回波rl,從光纖環(huán)形器5的2號(hào)口輸出，將能量平均送給3dB耦合器I 15和3dB耦合器II 16 ；
[0038]本振信號(hào)s2經(jīng)過(guò)50/50光纖分束器10分成兩路能量相等的信號(hào)LI和L2，其中L2經(jīng)過(guò)移相器7延時(shí)90°相位；
[0039]將LI和L2分別送入3dB耦合器I 15和3dB耦合器II 16，混頻后，分別經(jīng)平衡探測(cè)器I 13和平衡探測(cè)器II 14光電轉(zhuǎn)換后被寬帶高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器11采樣，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)處理單元12中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)編碼壓縮和匹配濾波，得到圖像數(shù)據(jù)。
[0040]系統(tǒng)中，隨機(jī)N階碼元，其幅值按照I到N隨機(jī)分布，發(fā)射信號(hào)Si經(jīng)過(guò)強(qiáng)度調(diào)制后，幅度包絡(luò)按照編碼幅值變化。
[0041]本專利的優(yōu)點(diǎn)在于:系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制速度極快，在滿足機(jī)載平臺(tái)飛行速度的前提下，調(diào)制帶寬可達(dá)5GHz以上，系統(tǒng)采用保偏光纖結(jié)構(gòu)，幅度穩(wěn)定性高，易于調(diào)整光路，探測(cè)靈敏度高，距離分辨率達(dá)到厘米量級(jí)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0042]附圖是用來(lái)提供對(duì)本專利的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書的一部分，與下面的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本專利，但并不構(gòu)成對(duì)本專利的限制。
[0043]圖1是隨機(jī)強(qiáng)度調(diào)制碼元示意圖，碼元長(zhǎng)度為6，代表3 I 5 7 8 3 ;
[0044]圖2是長(zhǎng)度為500，高度為I到16隨機(jī)排布碼元的自相關(guān)圖；
[0045]圖3是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)示意框圖，其中各部分分別為:
[0046]1.窄線寬連續(xù)激光器，2.90/10光纖分束器，3.鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器，4.光放大器，5.光纖環(huán)形器，6.收發(fā)鏡頭，7.90°移相器，8.寬帶射頻放大器，9.任意波形發(fā)生器，10.50/50光纖分束器，11.寬帶高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，12.數(shù)據(jù)處理單元，13.平衡探測(cè)器I，14.平衡探測(cè)器II，15.3dB耦合器I，16.3dB耦合器II，17.斬波器。

【具體實(shí)施方式】
[0047]以下結(jié)合附圖對(duì)本專利的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說(shuō)明和解釋本專利，并不用于限制本專利。
[0048]強(qiáng)度編碼調(diào)制合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的二維成像過(guò)程分為以下幾步:
[0049]1、設(shè)置編碼的碼元寬度和碼元階數(shù)，選取隨機(jī)碼序列，這一步驟設(shè)定發(fā)射信號(hào)的調(diào)制信息。任意波形發(fā)生器9選擇泰克公司的AWG5102C，按照距離分辨率來(lái)設(shè)定碼元寬度，選擇5ns碼元寬度。輸出電平峰峰值設(shè)為300mV，按照8階強(qiáng)度，即碼元輸出幅值為300mV/8*n，n = 1，2，3…8。碼元長(zhǎng)度設(shè)為1000?？紤]到輸出電平范圍比較小，而一般的強(qiáng)度調(diào)制器半波電壓在5V上下，中間加寬帶射頻放大器8 (選擇德國(guó)SHF公司的SHF806e，放大增益為26dB)對(duì)碼元進(jìn)行放大。
[0050]2、調(diào)節(jié)光路使目標(biāo)反射的光進(jìn)入收發(fā)鏡頭6中。收發(fā)鏡頭6按照發(fā)散角3mrad、口徑30mm設(shè)計(jì)。將收發(fā)鏡頭6調(diào)整對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，保證光路的水平和豎直方向上都非常直，用功率計(jì)在準(zhǔn)直鏡后測(cè)量目標(biāo)反射回來(lái)，又耦合進(jìn)光纖的光功率，光功率最大時(shí)，可認(rèn)為光路達(dá)到最優(yōu)；
[0051]3、激光器輸出能量調(diào)節(jié)。由于本系統(tǒng)是對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制，在滿足窄線寬和低相位噪聲的同時(shí)，需要激光器的輸出光強(qiáng)穩(wěn)定。激光器選擇Orbits Lightwave公司的ETH-180-1550.12-2-PZ10B-SL130-TT-PM，在開機(jī)一個(gè)小時(shí)后能量基本穩(wěn)定，上下誤差在nW左右，基本滿足系統(tǒng)測(cè)量需求；
[0052]4、連接圖1中所有的光纖器件，光纖器件均采用保偏光纖，包括2，10，7，15，16，13，14，5 等;
[0053]5、調(diào)整I/Q正交解調(diào)光纖長(zhǎng)度，對(duì)正交采樣的相位不平衡度和幅值不平衡度進(jìn)行校準(zhǔn)；
[0054]6、將收發(fā)鏡頭6固定在位移平臺(tái)，控制位移平臺(tái)按照500um/s速度勻速直線運(yùn)動(dòng)(對(duì)于機(jī)載情況，將系統(tǒng)置于穩(wěn)定平臺(tái)上)，同時(shí)開啟激光器，系統(tǒng)開始工作，平衡探測(cè)器
I13和平衡探測(cè)器II 14采用New Focus的1617-FC，帶寬為800MHz，轉(zhuǎn)換增益為1V/A ;寬帶高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器11采用安捷倫公司的U1064A采集卡，采樣速率lGS/s，有效位8bit。
[0055]7、在合成孔徑時(shí)間結(jié)束后，將存儲(chǔ)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行距離向的壓縮(碼元卷積運(yùn)算)，然后做方位向數(shù)據(jù)壓縮(匹配濾波)。
[0056]以上結(jié)合附圖詳細(xì)描述了本專利的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本專利并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本專利的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本專利的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本專利的保護(hù)范圍。例如，可以將隨機(jī)碼元改變?yōu)樘囟ǖ哪撤N碼元，將光纖光路改為自由空間光路等。
[0057]另外需要說(shuō)明的是，在上述【具體實(shí)施方式】中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過(guò)任何合適的方式進(jìn)行組合，例如將該系統(tǒng)用于多普勒測(cè)距和測(cè)速，而不是合成孔徑激光雷達(dá)。為了避免不必要的重復(fù)，本專利對(duì)各種可能的組合方式不再另行說(shuō)明。
[0058]此外，本專利的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本專利的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本專利所公開的內(nèi)容。
【權(quán)利要求】
1.一種基于強(qiáng)度編碼的合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)，它包括窄線寬連續(xù)激光器(I)，90/10光纖分束器(2)，鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器(3)，光放大器(4)，光纖環(huán)形器(5)，收發(fā)鏡頭￠)，90°移相器(7)，寬帶射頻放大器(8)，任意波形發(fā)生器(9)，50/50光纖分束器(10)，寬帶高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(11)，數(shù)據(jù)處理單元(12)，平衡探測(cè)器I (13)，平衡探測(cè)器II (14)，3dB耦合器I (15)，3dB耦合器II (16)，斬波器(17)，其特征在于: 窄線寬連續(xù)激光器(I)產(chǎn)生連續(xù)激光，送入90/10光纖分束器(2)，其中90%能量作為發(fā)射信號(hào)Si送入鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器(3)，10%作為本振信號(hào)s2 ； 由任意波形發(fā)生器(9)產(chǎn)生隨機(jī)N階碼元，N選取6到16，經(jīng)過(guò)寬帶射頻放大器(8)放大到適合的電壓幅度，輸入到鈮酸鋰強(qiáng)度調(diào)制器(3)的射頻端口，對(duì)信號(hào)Si進(jìn)行幅度編碼調(diào)制，輸出調(diào)制信號(hào)s3 ； s3經(jīng)過(guò)斬波器(17)，經(jīng)由光纖環(huán)形器(5)和收發(fā)鏡頭(6)發(fā)射出射信號(hào)s4 ； 出射信號(hào)s4被目標(biāo)反射，在收發(fā)鏡頭(6)得到回波rl，從光纖環(huán)形器(5)的2號(hào)口輸出，將能量平均送給3dB耦合器I (15)和3dB耦合器II (16)； 本振信號(hào)s2經(jīng)過(guò)50/50光纖分束器(10)分成兩路能量相等的信號(hào)LI和L2，其中L2經(jīng)過(guò)移相器(7)延時(shí)90°相位； 將LI和L2分別送入3dB耦合器I (15)和3dB耦合器II (16)，混頻后，分別經(jīng)平衡探測(cè)器I (13)和平衡探測(cè)器II (14)光電轉(zhuǎn)換后被寬帶高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(11)采樣，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)處理單元(12)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過(guò)編碼壓縮和匹配濾波，得到圖像數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01S17/89GK203965622SQ201420310555
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年6月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】舒嶸, 李飛, 張鴻翼, 洪光烈, 徐衛(wèi)明, 吳軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所