基于m序列相位編碼的光學域匹配濾波測距裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及相位編碼測距，更具體地說，是一種基于M序列相位編碼的光學域匹 配濾波測距裝置。
【背景技術】
[0002] 在相干距離-多普勒激光成像雷達領域與掃描三維成像激光雷達領域，通常采用 各種相位編碼波形獲得探測目標的相對距離信息，基于匹配濾波的波形壓縮處理是相位編 碼波形獲得相對距離信息的唯一信息處理手段。然而，由于采用相位編碼波形的距離分辨 率與相位調(diào)制速率成正比，即調(diào)制速率越高，距離向分辨率就越高，然而越高的調(diào)制速率在 外差探測的條件下對探測器的帶寬要求就越高，通常要求探測器的響應帶寬應不低于調(diào)制 速率，而高帶寬的光電探測器由于制作技術的原因，通常價格昂貴，對運行環(huán)境的要求也較 高，因此成為限制相位編碼相干距離探測的主要瓶頸之一。本發(fā)明針對高分辨率需要的高 調(diào)制速率與低帶寬的光電探測器這一互相矛盾的要求，設計發(fā)明了一種在光學域匹配濾波 測距的裝置，在獲得高距離分辨率的同時降低了對光電探測器的帶寬要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對傳統(tǒng)相位編碼相干測距的缺點，設計了一種基于M序列相位編碼的光 學域匹配濾波測距裝置，并構建了參考光路可控時延與相位補償?shù)目刂扑惴ā?br>[0004] 本發(fā)明在發(fā)射端對線偏振光進行基于M序列的高速相位編碼調(diào)制，在接收端距離 目標反射回波與本地經(jīng)過時延和相位補償?shù)膮⒖脊夂鲜⒏缮?，用低速平衡探測器探測相 干光場，可從采樣后的電信號數(shù)據(jù)直接判斷出目標的相對距離。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0006] 一種基于M序列相位編碼的光學域匹配濾波測距裝置，其特征在于由高速相位調(diào) 制發(fā)射端和低速接收端構成。
[0007] 所述的高速相位調(diào)制發(fā)射端包括激光光源、寬帶光學相位調(diào)制器、微波放大器、M 序列信號波形發(fā)生器、光纖準直器、發(fā)射半波片、發(fā)射偏振分束器、激光擴束器、繞y軸旋轉 的光學平行平板和下底面與y軸平行的直角棱鏡；激光光源的輸出激光經(jīng)尾纖連接至寬帶 光學相位調(diào)制器，該光學相位調(diào)制器將經(jīng)微波放大器放大的M序列信號波形發(fā)生器產(chǎn)生的 M序列信號相位調(diào)制到入射激光上，調(diào)制后的信號通過尾纖和光纖準直器發(fā)射進入自由空 間，出射線偏振光束經(jīng)發(fā)射半波片旋轉偏振態(tài)，再通過發(fā)射偏振分束器分為發(fā)射光束與參 考光束，發(fā)射光束通過激光擴束器發(fā)射到距離探測目標上，參考光束通過繞y軸旋轉的光 學平行平板進行相位補償后經(jīng)可平移的直角棱鏡反射至接收端；
[0008] 所述的低速接收端包括激光縮束器、接收偏振合束器、接收半波片、接收偏振分束 器、低速平衡探測器、A/D采樣器和顯示器；距離目標的反射回波通過激光縮束器縮束，在 接收偏振合束器處與參考光束合束，合束后的光依次通過接收半波片和接收偏振分束器進 入低速平衡探測器，低速平衡探測器將光信號轉換為電信號，A/D采樣器將轉換后的電信號 采樣為數(shù)字信號，并且在顯示器上顯示出來；
[0009]本發(fā)明具有如下特點：
[0010] 1、本發(fā)明提供一種基于M序列相位編碼的光學域匹配濾波測距裝置，相位編碼調(diào) 制測距是一種相干激光雷達測距方式，具有靈敏度高、探測原理決定的其能夠輕易獲得相 位和頻移等這些非相干激光雷達很難獲取的目標信息、碼型多樣性決定的其能根據(jù)不同應 用場合靈活改變其相位調(diào)制波形以及較短的編碼周期即可實現(xiàn)較高的脈沖重復頻率等優(yōu) 點。
[0011] 2、本發(fā)明通過設計引入具有時延和相位補償?shù)膮⒖脊饴穼崿F(xiàn)直接在光學域的匹 配濾波，實現(xiàn)外差探測的同時不僅省去了后續(xù)的數(shù)字信號處理過程，更重要的是降低了對 探測高速相位調(diào)制信號的光電探測器探測帶寬的要求。
[0012] 3、本發(fā)明直接在顯示器上讀出不同目標的相對時延，具有較高的易操作性和實用 性。
[0013] 4、本發(fā)明通過在附圖所示的z軸方向放置參考光路增加了裝置在x、y平面內(nèi)的緊 湊性，減少了發(fā)射接收平行光軸的橫向偏置，增加了距離目標反射回波被探測的功率。
[0014] 本發(fā)明的技術效果：
[0015] 1、參考光路中繞y軸旋轉的旋轉范圍0~9 n的光學平行平板目的是引入附加的 范圍為〇~的補償相位，消除附加相位差引起的干涉光場減弱；
[0016] 2、參考光路中沿z軸平移的直角棱鏡通過在一定范圍內(nèi)的平移引入可控的已知 的光學時延，通過不同光學時延下顯示器上波形的峰值從控制計算機上讀出其對應的目標 距離相對時延；
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明高速相位調(diào)制發(fā)射端原理示意圖以及圖示對應的坐標系位置。
[0018] 圖2為本發(fā)明低速接收端原理示意圖以及圖示對應的坐標系位置。
[0019] 圖3為本發(fā)明參考光路原理不意圖以及圖不對應的坐標系位置。
[0020] 圖4為本發(fā)明控制光學平行平板繞y軸旋轉與直角棱鏡沿z軸平移的計算機的
[0021] 控制算法流程圖。
[0022] 圖5為接收半波片（11)的快軸c、目標反射回波的偏振態(tài)z、參考光路偏振態(tài)
[0023] y以及它們旋轉后的偏振態(tài)b、a的方向安排示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但不應以此限制本發(fā)明的保 護范圍。
[0025] 圖1為本發(fā)明高速相位調(diào)制發(fā)射端原理示意圖以及圖示對應的坐標系位置。由圖 可見，本發(fā)明的高速相位調(diào)制發(fā)射端包括激光光源1、寬帶光學相位調(diào)制器2、微波放大器 3、M序列信號波形發(fā)生器4、光纖準直器5、發(fā)射半波片6、發(fā)射偏振分束器7與激光擴束器 8 ；
[0026] 如圖1、2、3、5中的統(tǒng)一坐標系所示，定義圖1和圖2的發(fā)射接收主光軸為x軸，在 圖1、2的裝置圖平面內(nèi)與x軸垂直的為y軸，z軸與x、y軸垂直，直角坐標系遵循右手定則。
[0027] 激光光源1輸出的偏振光束經(jīng)過寬帶光學相位調(diào)制器2進行相位調(diào)制，寬帶光學 相位調(diào)制器2上加載的信號是經(jīng)微波放大器3放大的M序列信號波形發(fā)生器產(chǎn)生的M序列 信號波形。相位調(diào)制后的信號經(jīng)光纖準直器5發(fā)射進入自由空間，平行光束的光場表示為
[0028]
【主權項】
1. 一種基于M序列相位編碼的光學匹配濾波測距裝置，其特征在于，包括高速相位調(diào) 制發(fā)射端和低速接收端： 所述的高速相位調(diào)制發(fā)射端包括激光光源（1)、寬帶光學相位調(diào)制器（2)、微波放大器(3)、M序列信號波形發(fā)生器（4)、光纖準直器（5)、發(fā)射半波片（6)、發(fā)射偏振分束器（7)、繞 y軸旋轉的光學平行平板（701)、下底面與y軸平行的直角棱鏡（702)、激光擴束器（8); 所述的低速接收端包括激光縮束器（9)、接收偏振合束器（10)、接收半波片（11)、接收 偏振分束器（12)、低速平衡探測器（13)、A/D采樣器（14)和顯示器（15); 所述的激光光源（1)的激光輸出尾纖連接寬帶光學相位調(diào)制器（2)，該光學相位調(diào)制 器（2)將經(jīng)微波放大器（3)放大的M序列信號波形發(fā)生器（4)產(chǎn)生的M序列信號相位調(diào)制 到入射激光上，調(diào)制后的光信號依次經(jīng)所述的光纖準直器（5)和發(fā)射半波片（6)入射發(fā)射 偏振分束器（7)，經(jīng)發(fā)射偏振分束器（7)的出射光分為發(fā)射光束與參考光束，發(fā)射光束通過 激光擴束器（8)發(fā)射到距離探測目標上；距離探測目標的反射回波通過激光縮束器（9)縮 束準直，參考光束通過繞y軸旋轉的光學平行平板后經(jīng)直角棱鏡（702)反射，在接收端的接 受偏振合束器（10)處與經(jīng)過縮束的目標反射回波合束，合束后的光依次通過接收半波片 (11)和接收偏振分束器（12)進入低速平衡探測器（13)，低速平衡探測器（13)將光信號轉 換為電信號，A/D采樣器（14)將轉換后的電信號采樣為數(shù)字信號，并且在顯示器（15)上顯 示出來； 所述的繞y軸旋轉的光學平行平板（701)由步進電機（705)帶動，所述的直角棱鏡 (702)沿z軸平移，由步進電機（703)帶動，所述的步進電機（703)和步進電機（705)由計 算機（704)控制。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于M序列相位編碼的光學匹配濾波測距裝置，其特征在于， 所述的步進電機（703)帶動直角棱鏡沿z軸平移，所述的步進電機（705)帶動光學平行平 板（701)繞y軸轉動，所述的計算機（704)控制所述的步進電機（703)和步進電機（705)，具 體是，步進電機（703)帶動直角棱鏡（702)沿z軸平移，在每一個Zi位置處，步進電機（705) 帶動光學平行平板（701)繞y軸旋轉一定的角度范圍0~0"或0n~0,旋轉掃描方向視 光學平行平板（701)的初始角度位置而定，完成旋轉范圍的一次旋轉后，步進電機（703)帶 動直角棱鏡（702)平移到下一個位置Zi=z片Az，Az表示步進電機（703)的步進間隔。
3. 根據(jù)權利要求1所述的基于M序列相位編碼的光學匹配濾波測距裝置，其特征在于 所述的可平移直角棱鏡（702)位于發(fā)射接收坐標系的z方向上，增強了發(fā)射接收裝置在xy 平面的緊湊性，有利于反射回波的接收探測。
【專利摘要】一種基于M序列相位編碼的光學匹配濾波測距裝置，包括高速相位調(diào)制發(fā)射端和低速接收端。本發(fā)明具有高速調(diào)制、低速接收，可任意分配探測光與參考光強，無需電子信號處理且多距離向目標回波波形干涉不影響測距結果等優(yōu)點，采用步進電機帶動的直角棱鏡調(diào)節(jié)本地參考光的時延，使相位編碼信號通過匹配濾波聚焦，通過步進電機的光程時延測量目標點的相對距離。本發(fā)明利用高速相位編碼信號獲得距離向信息，有能夠獲得較高的激光編碼信號重復頻率、較高的距離向分辨率、采用低速探測器接收有效降低了系統(tǒng)對電子器件的要求，采用步進電機引入的光學時延排除了電子信號處理步驟。
【IPC分類】G01S17-08
【公開號】CN104820223
【申請?zhí)枴緾N201510167771
【發(fā)明人】孫建鋒, 蔡光宇, 劉福川, 張國, 馬小平, 李光遠, 劉立人
【申請人】中國科學院上海光學精密機械研究所
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年4月10日