[实用新型]亚毫米级线性调谐激光测距系统

说明书

技术领域

本专利涉及激光雷达技术，具体指一种用于测距的亚毫米级线性调谐激光测距系统及其信号处理方法。

背景技术

当前激光雷达系统按回波的探测方式可分为直接探测激光雷达与相干探测激光雷达。直接探测结构简单，应用最为广泛，但只能得出激光能量的变化，这种系统是通过测量发射和接收光信号的时间延迟(Δt)来计算距离c是光速，但是分辨率在厘米级左右，而且必须使用超窄发射脉冲、高速采样以及灵敏度非常高的雪崩光电二极管作为探测器，对器件要求比较高。相干探测利用连续的本振光信号与回波在探测器上混频，探测灵敏度高，且可得出回波频率与相位变化，在大型相干激光雷达以及激光多普勒雷达中得到应用。

由激光雷达理论可知，功率受限时，所探测的距离越远，要求脉冲时宽越大；而要实现的距离分辨率越高，则需要的带宽越大，简单脉冲的时宽带宽乘积接近于1，时宽与带宽相互制约，不能同时增大。故对这种恒定波长的简单激光脉冲，最大作用距离与距离分辨率不可能同时兼顾。最好的解决办法就是，采用具有大时宽与大带宽的复杂信号形式来作为发射信号。

信号理论早就指出，大时宽与带宽的发射信号，必须使用复杂的调制波形。常用的有三种形式：线性调频、非线性调频和相位编码调制。由于线性调频信号(LFM信号，即啁啾信号)易于产生、便于处理、对多普勒频移不敏感，所以其应用最广。微波雷达已经有了成功的应用，同理，借鉴微波雷达，激光雷达也出现了一些新体制，包括线性调频连续波(LFMCW)激光雷达、伪随机码调相激光雷达以及啁啾信号调幅激光雷达等。

伪随机码调相激光雷达由于受到多普勒敏感以及距离压缩旁瓣太高等限制，这种体制的激光雷达应用少有研究；非线性调频激光的信号源调制较为复杂，也很少有研究。

啁啾信号调幅激光雷达虽然进展比较大，但是由于其是在幅度上实现啁啾信号调制，而且一般采用声光调制的方式，调制带宽在一般在200MHz左右，由于距离分辨率等于c为光速，B是调制带宽，其对应距离分辨率为0.75m，难以实现大带宽的调制就限制了其距离分辨率的提高。

线性调频连续波激光雷达可以采用多种调制方式，声光调制、电光调制和线性调谐等方式。声光调制如上述，其调制带宽比较小；电光调制的调制带宽直接与电压的大小有关，由于受到核心器件(非线性晶体)的最大耐压限制，调制的带宽比声光调制还小；而采用线性调谐可以轻易地实现几十nm范围的调制，对应的带宽就是THz量级，理论分辨率可以达到亚毫米级甚至更小。因为激光器输出谐振波长为λ的激光，必须满足腔长L＝n·λ(n为激光器纵模的序号)的驻波条件，所以半导体可调谐激光器的工作原理是通过控制压电陶瓷的伸缩来调节激光谐振腔的腔长，从而实现调整波长的功能。虽然波长是线性变化，频率c是光速，则频率必然不是线性变化，但是由于光波段的频率比较高，所以频率可以近似看作线性变化，仍然可以按照普通线性调频(啁啾)信号的雷达进行分析处理，但必须要加上合适的非线性调频误差补偿，这也是本专利要解决的问题。

无论系统采用何种形式的载波，无论采用何种调制方式，获得大带宽的信号是最终的目标，纵观所有的系统，采用半导体线性调谐激光器可以取得的带宽最大，一般的波长调谐可以很轻松的实现1550～1630nm之间调谐，例如本专利只选择了1550～1560nm之间进行线性调谐，目的是使系统的采样率不至于太高。目前NewFocus公司已经有多种型号的波长可调谐激光器，调谐速度有20nm/s，也有100nm/s的，本专利采用的就是20nm/s。因此在增大采样率以满足测距要求的情况下，这种系统的带宽还可以继续增大，对应距离分辨率也可以继续增大。本专利在于解决了这种线性调谐方式的回波通道相位误差补偿方法，而且是自适应地补偿办法，凭借数字信号处理的方法，使得这种THz以上的大带宽方式得以应用。

发明内容

本专利的目的是为相干探测激光雷达技术中的线性调频连续波雷达，特指可以实现超大带宽(THz级)信号的线性调谐雷达，提出一种能够使其回波通道相位误差得以自适应补偿，实现信号的频谱压缩，也即脉冲压缩的系统，从而实现对应带宽的真正意义上的高分辨率，采用半导体激光器直接发射的线性调谐脉冲，无需进行其他的调制，基于解线频调的脉冲压缩技术，利用相位误差自适应补偿程序，结合参考通道数据的信息对回波通道数据进行相位误差补偿，在回波通道数据的频域压缩出超窄脉冲，脉冲的位置与距离一一对应，实现高分率的距离测量，也就使得这种形式的雷达可以真正应用。而且该系统也继承了激光雷达的优点，距离分辨率不随距离增加而降低。