专利名称：啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达技术，具体指一种啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测 系统。
背景技术：
现行的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。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。由激光雷达的理论可知，在功率受限的情况下，要实现远的探测距离，则要求大的 脉冲时宽，而要实现高的探测精度，则需要大的带宽，简单脉冲时宽带宽乘积接近于1，时宽 与带宽相互关联，不能同时增大时宽与带宽。也就是说，对这种恒定波长的简单激光脉冲， 最大作用距离以及测速分辨率与距离分辨率存在着不可调和的矛盾。为解决这一矛盾，发 射信号必须采用具有大时宽与带宽的复杂信号形式。要得到大时宽与带宽的发射信号，需使用复杂的调制波形。应用较多的有三种线 性调频、非线性调频和相位编码。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。将大时宽带宽微波雷达的思想引入激光雷达，于是出现了一些激光雷达的新体 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。对激光调频与调相的探测都需要使用激光的相干探测，需要连续的本振光信 号，因此前两种体制的激光雷达一般使用连续波激光器，或者使用MOPA结构(Master Oscillator Power Amplifier)，即小功率的连续波激光器作为本振，其余部分经调制与光 放大器放大后发射，光放大器输出可为连续波或脉冲信号。啁啾调幅激光雷达则可使用直 接探测或相干探测。德国西门子公司与GhK-Kassel大学合作开展了基于分布反馈双波导型半导体激 光器(DFB-TTG-Laser)的啁啾调频短距离测量系统。通过在激光器调频区注入电流进行激 光器调频，使用Mach-Zehnder调制器进行调频非线性的补偿，达到了毫米级精度。哈尔滨工业大学与电子科技大学从九十年代开始了基于二氧化碳激光器的啁啾 调频脉冲压缩雷达的研究，使用声表面波(SAW)色散延时线产生啁啾信号用于调制声光移 频器，并使用对应的SAW器件进行脉冲压缩。此外，还进行了利用数字信号处理完成脉冲压 缩的探索。北京理工大学开展了基于1064nm的Nd:YAG环形激光器以及声光移频器的LFMCW 激光雷达研究。使用两级声光移频器串联，每级移频带宽40MHz，合计80MHz。两级声光移 频器串联补偿在不同移频频率时衍射光出射角度的变化。美国陆军实验室(ARL)使用啁啾信号直接调制DFB半导体激光器输出强度，后使 用光纤放大器放大输出功率到5. 5W。使用电子轰击有源像素传感器(EBAPS)配合CMOS相
3机，实现三维成像，其中EBAPS的增益由原始啁啾信号控制，从而实现啁啾信号混频。此外， 还对利用32*32元MSM(Metal-Semiconductor-Metal)面阵探测器进行了三维成像实验， MSM探测器的增益由原始啁啾信号控制。此外，ARL还利用这此系统进行了目标速度与振动 的探测研究。 2005年，美国NASA Langley Research Center报道研制出了高精度的测距测速激 光相干雷达，采用频率调制和全光纤结构，并利用该雷达系统在加利福利亚州进行了多次 实验，经实验验证，该雷达系统可以精确测量到目标的距离，以及垂直方向的相对速度。
发明内容
本发明的目的是在现有相干探测激光雷达技术上，提出一种能同时测量目标距离 和速度信息的零差探测激光雷达系统，采用数字频率合成(DDS)技术产生啁啾信号源，通 过电光调制器对激光进行啁啾调幅，调制后的信号通过分束器分为两部分，一部分作为本 振，一部分作为发射光，发射光通过望远镜发射到目标，本振和望远镜接收到的回波信号在 平衡光电探测器中进行光相干和平衡探测，得出距离_多普勒信息。啁啾调幅利用线性调频信号(啁啾信号)去调制激光雷达发射激光的幅度。对于 调幅体制，载波的能量占很大部分，例如调制深度为100%时，已调信号的能量只占1/3，可 以用来测距，未调制的载波信号却可用于多普勒测速。当接收到回波信号时，未调制的激光 信号中引入了由目标运动所产生的多普勒频移fd，通过本振和回波在探测器上的相干，可 以得到本振和回波的差频，也即多普勒频移fd，进而速度
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权利要求
1. 一种啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统，它包括激光器(1)、电光调制器 (2)、啁啾信号源(3)、光纤分束器(4)、发射准直镜(5)、偏振分束镜(6)、λ/4波片(7)、望 远镜(8)、接收准直镜(9)、第一偏振分束器(10)、第二偏振分束器(11)、耦合器(12)、平衡 探测器(13)、和数据采集和处理单元(14)，其特征在于激光器(1)输出的激光束Stl经啁啾信号源(3)驱动的电光调制器(2)进行啁啾调幅 后被光纤分束器(4)分为两部分，一部分作为本振光记为S1，另一部分作为发射光记为S2, S2经准直镜(5)发射，经过偏振分束镜(6)时，一部分反射，另一部分透射，S2透射部分激光 通过λ/4波片(7)后，激光光偏振方向由线偏振转换为圆偏振，经望远镜(8)扩束后发射 到运动目标(15)上；运动目标对S2透射部分激光信号反射，反射信号被同一望远镜(8)接收到，望远镜接 收到的S2回波信号通过λ/4波片(7)后转变为线偏振光，偏振方向与发射时经过λ/4波 片(7)前的偏振方向垂直，经过偏振分束镜时，S2大部分光被反射，反射部分经接收准直镜 (9)耦合到光纤中；本振光S1经第一偏振分束器(10)后分成两路不同偏振方向的偏振光，任取其中一路 记为Sw，耦合到光纤中的S2回波信号经第二偏振分束器(11)后也分成两路不同偏振方向 的偏振光，取与Sw偏振方向相同的一路记为S”，将Sh和Sp1输入到耦合器(12)中，耦合 器输出两路信号记为&和S4，将&和S4接入到平衡探测器(13)中，光信号转换为电信号， 通过数据采集和处理单元(14)采集平衡探测器输出的电信号到计算机中；对采集得到的数据进行快速傅立叶变换，绘出频谱图，频谱图上存在有三个明显的峰， 其对应的频率从小到大分别记为f\、f2、f3，若2f\ = f3~f2,则被测目标的速度值ν = λ f/2, 被测目标的距离值d = cT^-f^/^B，否则被测目标的速度值ν = λ f2/2，被测目标的距离 值(1 = (^江3-4)/28，其中λ为激光波长，c为光速，T为啁啾信号时间宽度，B为啁啾信号 带宽。
全文摘要
本发明公开了一种啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统，它应用于激光雷达系统。本发明的零差探测系统由激光器(1)、电光调制器(2)、啁啾信号源(3)、光纤分束器(4)、发射准直镜(5)、偏振分束镜(6)、λ/4波片(7)、望远镜(8)、接收准直镜(9)、第一偏振分束器(10)、第二偏振分束器(11)、耦合器(12)、平衡探测器(13)、数据采集和处理单元(14)构成。本发明的啁啾调幅激光雷达距离-多普勒零差探测系统是基于啁啾调幅、采用零差相干探测和平衡探测技术，本系统能同时得到目标的距离和速度信息，优点是结构简单，探测灵敏度高，测距测速精度高。
文档编号G01S17/42GK102004255SQ20101028451
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者于啸, 凌元, 徐显文, 洪光烈, 舒嵘 申请人:中国科学院上海技术物理研究所