[发明专利]基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，具体涉及一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统。解决了多普勒测速激光雷达速度方向难以分辨的问题。

背景技术

现行相干测速激光雷达按本振或发射信号是否经过固定移频分为外差探测和零差探测。外差探测将本振或发射信号经过一个固定的移频，在回波接收混频时得到回波信号频率变化的大小，该频率值包括固定的移频，减去该固定值可得到多普勒频率的大小及正负。但在典型小型激光雷达系统中常采用同轴收发系统，会产生较强的光信号反射，外差探测容易得到较强的中频干扰，使得外差探测在小型测速激光雷达系统中难以应用。

零差探测的激光发射信号和接收信号均不经过额外固定频率的移频，在同轴发射系统中，强反射信号产生零频干扰，通过交流耦合可以完全抑制该干扰。但是零差探测在信号处理时只能提取出速度的大小，而不能提取出速度的方向。

NASA的ALHAT计划中多普勒激光雷达对发射激光在频域进行对称三角线性调频调制，并采用趋势判断，以此实现对速度大小及方向的判别，同时实现距离测量，采用趋势判断，一定程度上可以提取出速度大小和方向，但是也存在较多误判断的点。中国科学院上海技术物理研究所通过对零差探测系统中的发射信号经过“线性调频连续波”调制，实现了一定范围内目标速度和方向的判别，但调制对激光器提出了较高的要求，且系统时间利用率较低，无法实现高频次的脉冲积累。

采用相干零差同轴收发探测体制，降低对激光器的需求，并且提高系统探测的时间利用率，实现对目标速度大小及方向的探测，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是在现有相干多普勒测速激光雷达的技术上，提出了一种基于光学正交解调的相干零差多普勒测速激光雷达系统，解决现有相干多普勒测速激光雷达速度方向难以分辨，且对激光器要求较高，以及作用距离较短的问题。

如图1窄线宽激光器产生未经调制的单一频率的相干激光，该相干激光经分束器按照一定比例分成两部分，其中大能量部分用于发射，小能量部分作为本振；大能量部分经多路光开关分时切换，经环形器、同轴收发望远镜发射，回波激光经同轴收发望远镜接收，经环形器、光开关切换后变成一路回波光信号，最后和本振信号一起进入90度光学桥接器，形成4路输出光信号，其中本振信号具有90度相位差(0°、90°、180°、270°)；其中0°、180°进入一个平衡探测器构成I通道，90°、270°进入另一个平衡探测器构成Q通道；I路、Q路的平衡探测器输出进入高速ADC，转换成数字信号，形成I路信号、Q路信号，进入由DSP或FPGA或者微处理器构成数字信号处理模块；由I路信号和Q路信号组成复数，进行复数信号处理，得出回波光和本振光频率差的大小和方向，进而得出目标速度的大小和方向。

激光同声波一样，具有多普勒效应，波长为λ的窄线宽激光器发射的激光，照射到激光视线方向速度为v的运动目标上将产生多普勒频移f_d，光速为c，由多普勒频移可以反推出目标速度：

v＝λ·f_d/2(1)

窄线宽激光器本振光频率和发射激光频率一致，设角频率为ω_LO，回波光因多普勒效应其角频率为ω_S，其中多普勒频率f_d＝(ω_S-ω_LO)/(2π)。

信号光幅度设为E_S，初始相位为可以表示为同样本振光也可以表示为其中本振光幅度为E_LO，初始相位

90度光学桥接器是2输入4输出器件，具有多种构建方式，其基本特性如下，如图2在其内部，信号光一分为二形成S₁、S₃信号，本振光经处理形成具有90度相位差的两个信号S₂和S₄。信号光和本振光两两进入180度的2×2耦合器。本振信号相移0度的2×2耦合器构成同相I路信号通道，输入端的两个信号S₁、S₂可以表示为：

本振信号相移90度的2×2耦合器构成正交相Q路信号通道，输入端的两个信号S₃、S₄可以表示为：

90度桥接器输出的I通道、Q通道光信号经平衡探测器光电转换后形成电信号，其特性可以表示为：