[发明专利]高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及激光雷达，特别是一种高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法，它是一种联合利用伪随机码调制技术、光子计数技术、相干探测技术和脉冲压缩技术的系统，可以高精度获取目标的速度和距离信息。

背景技术

飞行器在着陆时需要准确得知道自己的速度及位置信息。这样对安全着陆具有关键作用。尤其是存在显著不连续性的着陆面，例如月球。而常用的通过测量距离再将距离微分得到速度的方法，因为距离的不连续性不能得到正确的速度信息。而将回波信号截成多个小的时间段，通过测量每个时间段的多普勒频移得到速度信息，再根据时间段对应的时刻来计算距离信息的的方法，也不能得到高分辨率的距离信息。

发明内容

本发明专利要解决的问题在于克服以上现有方法的不足，提供一种高精度测速测距激光雷达系统及测速测距方法，该套系统能同时实现对目标高精度的速度信息和距离信息测量。

本发明的基本原理是将激光经过线性啁啾调制和伪随机码调制，调制后的激光绝大部分作为出射激光，由望远镜发射出去；一小部分作为本振光用于相干探测；将激光回波信号分为两部分：一部分通过和原始伪随机码做相关运算，得到距离信息；另一部分通过和本振光做相干探测，进行脉冲压缩，得到本振光和回波信号光的频率差，这个频率差同时包括距离信息和多普勒频移；通过数学运算得到多普勒频移，从而可以高精度获取目标的速度和距离信息。

本发明的技术解决方案如下：

一种高精度测速测距激光雷达系统，包括激光器和望远镜，其特点是在所述的激光器的输出光束的光轴上依次设有线性啁啾调制器、伪随机码调制器和第一耦合器，该第一耦合器的第一输出端与环形器的第一端口相连，该环形器的第二端口的输出方向是望远镜，第一耦合器的第二输出端经声光调制器与相干探测和脉冲压缩装置的第一输入端相连，所述的环形器的第三端口接第二耦合器的输入端，该第二耦合器第一输出端与所述的相干探测和脉冲压缩装置的第二输入端相连，该第二耦合器的第二输出端经单光子探测器和单光子计数器后接具有信号采集、处理、控制、计算和显示功能的计算机，所述的相干探测和脉冲压缩装置的输出端接所述的计算机，一任意波形发生器的三个输出端分别连接所述的线性啁啾调制器、伪随机码调制器和计算机，为所述的线性啁啾调制器提供驱动信号，为所述的伪随机码调制器和计算机提供伪随机码，一声光调制器驱动器为声光调制器和所述的相干探测和脉冲压缩装置提供声光调制器驱动信号。

所述的相干探测和脉冲压缩装置由第三耦合器、平衡探测器、90°移相器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通滤波器、第二低通滤波器组成，所述的第三耦合器为3dB光耦合器，具有两输入端，两输出端，两输入端分别为本相干探测和脉冲压缩装置的第一输入端和第二输入端，所述的两输出端接所述平衡探测器的两输入端，该平衡探测器输出的电信号和所述的声光调制器驱动器的驱动信号在所述第一乘法器中混合，所述第一乘法器的输出信号经过所述第一低通滤波器后得到信号I；所述的声光调制器驱动器的驱动信号经所述90°移相器移相90°后，与所述平衡探测器输出的电信号在第二乘法器中混合，所述第二乘法器的输出信号经过所述第二低通滤波器后得到信号Q，信号I和信号Q的频谱峰值表达式为f₀＝kt-f_d，其中：k为线性啁啾调制速率，单位为赫兹每秒，f_d为多普勒频率。

所述的激光器为单纵模光纤激光器。

所述的线性啁啾调制器为铌酸锂强度调制器。

所述的所述伪随机码调制器为高速电光调制器。

所述的第一耦合器为1∶99的光耦合器，其中1％的光用作本振光；99％的光通过望远镜发射。

所述的第二耦合器为20∶80光耦合器，其中20％的光用于相干探测和脉冲压缩；80％的光用于相关运算。

所述的所述望远镜是发射和接收共光轴的望远镜系统。

利用所述的高精度测速测距激光雷达系统进行测速测距的方法，包括下列步骤：

①激光器输出激光依次经过线性啁啾调制器和伪随机码调制器调制后被第一光耦合器分为两部分：大部分激光由第一光耦合器的第一输出端经所述的环形器第一端口进入所述的环形器并经该环形器的第二端口输出由所述的望远镜发射，小部分激光经过所述的声光调制器移频后作为本振光；