基于伪随机码相位调制和外差探测的测速测距系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种联合利用伪随机码相位调制技术、外差探测技术的高精度激光雷 达测速测距系统及基于该系统的测速测距方法。
【背景技术】
[0002] 导弹在进行军事打击时需要获得精准的目标位置和速度信息，运对于导弹命中率 有着十分重要的作用，尤其是对于不断运动的打击目标，例如执行反导任务。而早期传统的 通过测量距离再将距离微分得到速度的方法，因为距离的不连续性不能得到正确的速度信 息。而将回波信号截成多个小的时间段，通过测量每个时间段的多普勒频移得到速度信息， 再根据时间段对应的时刻来计算距离信息的方法，也不能得到高分辨率的距离信息。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题是提高距离分辨率W实现高精度的速度信息和距离信 息测量。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于伪随机码相位调制 和外差探测的测速测距系统，其特征在于，包括激光器，由第一禪合器将激光器的输出光束 分为两部分，一部分光束为光束一，另一部分光束为光束二；
[0005] 光束一输入电光相位调制器，由任意波形发生器驱动电光相位调制器对光束一进 行相位调制后，再经由光纤放大器放大，进入环形器，环形器一方面通过望远镜将调制放大 后的光束一发射出去，另一方面通过望远镜接收反射回来的回波信号光；
[0006] 光束二输入声光移频器，由正弦信号发生器驱动声光移频器利用光束二产生本征 信号光，第二禪合器同时接收来自声光移频器的本征信号光W及来自环形器的回波信号 光，第二禪合器的混合信号输出端口与平衡探测器相连，由平衡探测器产生相干光信号，由 计算机通过采集单元采集经放大器放大后的相干光信号，采集单元同时采集任意波形发生 器输出的电光相位调制器驱动信号，采集单元与任意波形发生器间通过外部触发器实现时 间同步；
[0007] 在计算机中，相干光信号和不同延迟的电光相位调制器驱动信号相乘并做傅里叶 变换，傅里叶变换峰值最大处对应的延迟量代表距离信息。
[000引优选地，在所述计算机中，傅里叶变换峰值频率与声光移频器的频率差即为多普 勒频移，通过数学计算得出对应的速度信息。
[0009 ] 优选地，激光器为1550nm单纵模光纤激光器。
[0010] 优选地，所述电光相位调制器为妮酸裡高速电光相位调制器。
[0011] 优选地，所述第一禪合器为1:99的光禪合器，其中，1 %的光为所述光束二;99 %的 光为所述光束一。
[0012] 优选地，所述望远镜是发射和接收共光轴的望远镜系统。
[0013] 优选地，所述采集单元为双通道AD采集卡。
[0014] 本发明的另一个技术方案是提供了一种利用上述的基于伪随机码相位调制和外 差探测的测速测距系统进行测速测距的方法，其特征在于，包括下列步骤：
[0015] 第一步、由第一禪合器将激光器输出的光束分为光束一及光束二，光束一依次经 过电光相位调制器和光纤放大器后，再经由环形器通过望远镜发射出去；
[0016] 同时，声光移频器将光束二移频后形成本征信号光；
[0017] 第二步、环形器通过望远镜接收发射到目标后反射回来的回波信号光，第二禪合 器同时接收来自环形器的回波信号光及来自声光移频器的本征信号光，再经由平衡探测器 产生相干光信号，相干光信号通过放大器的放大，采集单元同时采集放大后的相干光信号 及任意波形发生器输出的电光相位调制器驱动信号后输入给计算机；
[0018] 第Ξ步、在计算机中，放大后的相干光信号依次与不同延迟的电光相位调制器驱 动信号相乘并经过快速傅里叶变换，得到不同延迟下频率与信号归一化强度的图像；
[0019] 傅里叶变换峰值最大处所对应的延迟时间t = nTo,式中，To为电光相位调制器驱动 信号码元宽度，η为依次进行延迟的次数，目标所处距离L = cnT日/2，式中，C为光速；
[0020] 傅里叶变换峰值对应的频率为f/ m，则此时可W得到峰值频率f/ m与声光移频器的 频率差fd = fVfm，式中，fm为声光移频器的频移量，频率差fd即为多普勒频移，则目标速度
[0021] 本发明的基本原理是将激光经过禪合器分光为两部分，绝大部分激光通过电光相 位调制器进行伪随机码相位调制，调制后的激光经光纤放大器后作为出射激光，由望远镜 发射出去，一小部分经过声光移频器移频作为本征光用于相干探测；回波激光和本征光进 入禪合器相干，相干光通过光电平衡探测器转换为电信号，并由双通道AD采集卡收集转化 为数字信号，双通道AD采集卡的另一通道采集任意波形发生器输出的电光相位调制器驱动 信号并依次做不同的时间延迟。相干信号依次和不同时间延迟的电光相位调制器驱动信号 相乘并做傅里叶变换，得到不同时间延迟下频率与信号归一化强度，其中傅里叶变换峰值 最大处所对应的时间延迟反映出距离信息，而傅里叶变换峰值频率与声光移频器频率的频 率差即为多普勒频移，并且利用采样频率大于激光调制频率，从而得到高精度的目标速度 和距离信息。
[0022] 本发明有着W下特点：
[0023] 1、系统采用光纤激光器作为光源、光路中使用成熟的光纤器件提高电光效率并通 过光纤将光路接通简化连接操作，运些特点使得系统的功耗变小，质量更轻，稳定性得到加 强。
[0024] 2、调制技术采用了高速伪随机码调制技术，其插入损耗小，消光比高，使得在峰值 功率的回波信号下也能获得很好的信噪比，提高距离分辨率。该系统的调制速率可达到 1G化，即伪随机码码元长度为Ins，在此条件下系统的距离分辨率可达到15cm。
[0025] 3、系统采用了外差探测技术。采用外差探测，有效地放大了回波信号的功率，使得 系统相干探测运一部分可W工作在量子噪声限，比直接探测获得更高信噪比；
[0026] 4、电光相位调制器驱动信号与双通道AD采集卡处理数据在时间上相关联，距离探 测和速度探测并非分立的光路，本发明可W同时高精度地获取目标的速度和距离信息。
【附图说明】
[0027]图1为本发明高精度测速测距激光雷达系统整体结构框图。
[002引图中：1-激光器、2-第一禪合器、3-电光相位调制器、4-光纤放大器、5-环形器、6- 望远镜、7-正弦信号发生器、8-声光移频器、9-第二禪合器、10-平衡探测器、11-放大器、12- 双通道AD采集卡、13-计算机、14-外部触发器、15-任意波形发生器。
【具体实施方式】
[0029] 为使本发明更明显易懂，兹W优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
[0030] 首先请参照图1，图1为本发明提供的一种基于伪随机码相位调制和外差探测的测 速测距系统整体结构框图。由图1可见，本发明高精度测速测距激光雷达系统由激光器1，第 一禪合器2,电光相位调制器3,光纤放大器4,环形器5,望远镜6,正弦信号发生器7,声光移 频器8,第二禪合器9,平衡探测器10,放大器11，双通道AD采集卡12,具有信号处理、控制、计 算、采集、显示功能的计算机13、外部触发器14及任意波形发生器15组成。其位置关系是：由 第一禪合器2将所述的激光器1的输出光束分为两部分，即光束一及光束二，第一禪合器2为 1:99的光禪合器，1 %的光为光束二，99%的光为光束一。光束一通过由任意波形发生器15 驱动的电光相位调制器3进行相位调制，再经由光纤放大器4进行放大后。放大后的光束通 过环形器5由望远镜6发射出去。光束二经过由正弦信号发生器巧区动的声光移频器8移频作 为本征信号光用于光外差探测。第二禪合器9的一个输入端口同上述环形器5的输出端口相 连W接收发射至目标后反射回来的回波信号，另一