[发明专利]一种实现脉冲激光多普勒雷达信号相干累加的装置及方法

说明书

本发明属于激光多普勒雷达技术领域，具体涉及一种实现脉冲激光多普勒雷达信号相干累加的装置及方法。本发明通过控制本振光功率的大小，实现对端面反射中频信号幅值的调节，使其幅值在AD量化量程范围内，从而采集并量化该端面反射中频信号，并通过快速傅里叶变换FFT方法分析提取其初始相位。根据提取的端面反射中频信号的初始相位，通过实时电压反馈到相位调制器上，产生一定的相移，调节端面反射中频信号的初始相位为基准相位值，从而实现大气回波脉冲中频信号的相位对齐，并实现脉冲的相干累加。此外，分析得到的端面反射中频信号的频率，可用于多普勒频移的解算，减小变温环境下调制器产生的频移量变化情况下仍采用固定频移量解算多普勒频移导致的速度测量误差。

技术领域

本发明属于激光多普勒雷达技术领域，具体涉及一种实现脉冲激光多普勒雷达信号相干累加的装置及方法。

背景技术

激光多普勒测风雷达由于回波信号为大气气溶胶粒子散射信号，后向散射系数通常为10^－6～10^－10，造成回波信号非常微弱，通常采用快速傅里叶变换FFT以及非相干频谱累加的方法解算信号频率，而当信号非常微弱时，该方法难以准确处理信号，影响了此类激光雷达的许多性能，如探测最远距离或高度、探测精度、数据更新率等。若能在快速傅里叶变换FFT处理前实现脉冲信号相干累加，类似于无线电波段的相参雷达，则理论上可大幅提高探测信噪比，实现更高的系统性能。

相干/非相干累加是比较常见的信号处理方法，由于信号具有时间相关性，而噪声通常不具有时间相关性，为随机白噪声，经过累加可以提高系统信噪比。理论上，非相干累加信噪比可以提高倍，而相干累加信噪比可以提高M倍，M为用于累加的脉冲个数，相干累加信噪比提升幅度远高于非相干累加。然而实现相干累加条件较为苛刻，需要各脉冲具有相同的初始相位。对于无线电雷达，其发射信号、本振信号和相参检波信号是由同一个高纯度的信号源产生并放大得到，进行倍频，混频时信号源都来源于这个高纯度的信号源和同一个基准信号，这样保证了回波信号的相位及波形一致，满足相干累加条件。而对于激光雷达，由于脉冲调制信号与声光调制器等移频信号通常不同源，且光路(尤其是光纤光路)易受温度、振动等影响使得信号光和本振光的光程发生变化，导致外差中频脉冲信号产生随机的相位变化，无法直接做相干积累。

针对激光脉冲相干累加，人们也做了很多努力尝试。哈尔滨工业大学陆威团队(论文题目：激光测风雷达信噪比提高方法实验研究)、电子科技大学李晓峰团队(论文题目：相干激光测风雷达多普勒频移估计技术研究)均尝试采用正交混频鉴相的方法，通过对激光雷达信号进行数字鉴相，提取脉冲信号的相位，并且根据所求得相位值对激光回波信号进行位相对齐，最后对回波信号进行时域积累，实现激光雷达信号的相参积累。试验上取得了一定的效果。但该方法需要增加两路正交信号，在光路上引入多个器件，系统复杂。

此外，传统的激光多普勒测速雷达数据解算是对回波信号进行频谱分析后，得到峰值频率，然后减去调制器产生的固定的频移量，然而采用声光调制器其频移量是由加载到声光调制器上的电路产生的射频信号频率、声光晶体和换能器特性共同决定，采用电光调制器其频移量与加载到电光晶体上的锯齿波斜率、电光晶体特性等共同决定，随温度变化频移量会产生微小变化，因此这将带来多普勒频移及速度的解算误差。

发明内容

本发明的目的：提供一种实现脉冲激光多普勒雷达信号相干累加的装置及方法。由于端面反射中频信号的初始相位与大气回波脉冲中频信号初始相位相差固定值，可以利用端面反射信号初始相位实现大气回波信号的相位对齐。然而端面反射中频信号的初始相位由于温度、振动、应力变化等原因造成相位不稳定；此外，端面反射中频信号超出AD量化电压范围，难以提取其初始相位。