光学正交解调的相干零差测速激光雷达的数据处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光雷达技术，具体涉及一种光学正交解调的相干零差多普勒测速激 光雷达系统的数据处理方法。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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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的数据处理方法，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。
[0007] 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。
[0008] 激光同声波一样，具有多普勒效应，波长为X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fd，光速为c，由多普勒频移可以 反推出目标速度：
[0009] y=X?fd/2 (1)
[0010]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COw，回波光因多普勒 效应其角频率为，其中多普勒频率fd= (? 5_〇^。)八2 3〇。
[0011] 信号光幅度设为Es，初始相位为f%，可以表示为€0滅C%.t+f%.)。同 样本振光也可以表示#
，其中本振光幅度为Ew，初始相 位變:―。
[0012]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SpS；^信号，本振光经处理形成具有90度相位差的两个信 号52和34。信号光和本振光两两进入180度的2X2親合器。本振信号相移0度的2X2親 合器构成同相I路信号通道，输入端的两个信号Si、S2可以表示为：
[0013]
[0014] 本振信号相移90度的2X2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：
[0015]
[0016] 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：
[0017]
1234 其中魏为光电转换效率，？5为信号光功率，Puj为本振光功率。两个平衡探测器输 出的信号可以构成一个复数信号V(t)，对复数信号进行傅里叶变换，将得到复数信号的频 率，且是正负可分的频率。 2
3 高速40(：对￥1(〇、￥()(〇进行数字采样，在数字信号处理模块内部，进行复数组合， 并进行实时快速FFT处理，将得到单一峰值的信号频谱，而其镜像频点峰值较小。信号峰值 处频点为多普勒频率（《S-?U3)/2 3I，正负可分，是多普勒频率匕，由多普勒频率可以得到 目标速度。 4 快速FFT采用实时信号处理，每处理完一个采样周期后可以继续处理下一个采样 周期的数据。因为系统发射信号未经过调制，目标速度在短时不变情况下，得到的信号频谱 是一致的，可以进行频谱累加，信号得到加强，而噪声由于不相关则不会产生明显加强。则 该方式可以在回波信号较弱，低信噪比情况下，对信号进行脉冲积累，提取微弱信号，进而 提取目标速度。
[0022] 在同轴光路系统中镜面会反射较强的光信号，同时环形器泄漏也会产生较强的光 信号，二者均通过回波通道进入探测器。由于激光发射时未经调制，这两种回波光信号将产 生较强的零频干扰，通过交流耦合可以直接剔除该干扰。
[0023] 单通道的测速过程非常短暂，通过多路光开关同步切换发射的激光和接收的回波 激光，可以分时实现多个方向的多普勒速度测量。
[0024]因此，本发明提出一种基于光学正交解调的多普勒相干零差测速激光雷达系统， 如图1，
[0025]1.系统组成包括同轴收发望远镜1、环形器2、发射光开关3、接收光开关4、窄线宽 激光器5、90度光学桥接器6、平衡探测器7、高速ADC8、数字信号处理模块9。
[0026] 2.由窄线宽激光器产生未经调制的单一频率的相干激光，该激光经分束后形成能 量差别较大的两个光束，大能量部分通过发射光开关选择某一个方向的通道，经环形器、收 发望远镜反射，回波光经收发望远镜及环形器进行入系统，并经接收光开关形成单一通道 的回波光信号；小能量部分作为本振光信号参与相干混频。
[0027] 3.激光发射后，经光开关、环形器、收发望远镜发射和接收，接收光开关输出的回 波光信号和窄线宽激光器分出的本振信号一起进入90度光学桥接器，经其处理后，形成I 通路和Q通路信号，进行平衡探测器转换成电信号，再经高速ADC采样形成两路数字序列， 两路数字序列进入数字信号处理模块，经处理得到目标速度。
[0028] 此处提到的数字信号处理模块可以是DSP或FPGA、或微型处理器。
[0029] 基于光学正交解调的相干零差测速激光雷达数据处理方法的具体工作流程如 下：
[0030] 1.数字信号处理模块控制激光发射和接收的光开关，使两者切换到相同的某一通 道，同时数字信号处理模块触发窄线宽激光器发射。
[0031] 2.数字信号处理模块接收到来自I通道、Q通道的数字序列，将其组成复数序列V， V的实部为同一时刻I通道的数据，虚部为同一时刻Q通道的数据。
[0032] 3.对复数序列按照一定采样周期，如每N= 8192个点为一个采样周期，进行快速 实时FFT，每一个采样周