[發明專利]高精度測速測距激光雷達系統及測速測距方法

有效

• 申請號: 200810034379.2
• 申請日: 2008-03-07
• 公開（公告）號: CN101236253A
• 公開（公告）日: 2008-08-06
• 發明（設計）人: 楊馥;陳衛標;賀巖
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01S17/02
• 分類號: G01S17/02;G01S17/10;G01S17/58
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司
• 代理人: 張澤純

1、一種高精度測速測距激光雷達系統，包括激光器(1)和望遠鏡(6)，其特征是在所述的激光器(1)的輸出光束的光軸上依次設有線性啁啾調制器(2)、偽隨機碼調制器(3)和第一耦合器(4)，該第一耦合器(4)的第一輸出端與環形器(5)的第一端口相連，該環形器(5)的第二端口的輸出方向是望遠鏡(6)，第一耦合器(4)的第二輸出端經聲光調制器(7)與相干探測和脈沖壓縮裝置(9)的第一輸入端相連，所述的環形器(5)的第三端口接第二耦合器(8)的輸入端，該第二耦合器(8)第一輸出端與所述的相干探測和脈沖壓縮裝置(9)的第二輸入端相連，該第二耦合器(8)的第二輸出端經單光子探測器(10)和單光子計數器(11)后接具有信號采集、處理、控制、計算和顯示功能的計算機(12)，所述的相干探測和脈沖壓縮裝置(9)的輸出端接所述的計算機(12)，一任意波形發生器(14)的三個輸出端分別連接所述的線性啁啾調制器(2)、偽隨機碼調制器(3)和計算機(12)，為所述的線性啁啾調制器(2)提供驅動信號，為所述的偽隨機碼調制器(3)和計算機(12)提供偽隨機碼，一聲光調制器驅動器(13)為聲光調制器(7)和所述的相干探測和脈沖壓縮裝置(9)提供聲光調制器驅動信號。

2、根據權利要求1所述的高精度測速測距激光雷達系統，其特征在于所述的相干探測和脈沖壓縮裝置(9)由第三耦合器(91)、平衡探測器(92)、90°移相器(93)、第一乘法器(94)、第二乘法器(95)、第一低通濾波器(96)、第二低通濾波器(97)組成，所述的第三耦合器(91)為3dB光耦合器，具有兩輸入端，兩輸出端，兩輸入端分別為本相干探測和脈沖壓縮裝置(9)的第一輸入端和第二輸入端，所述的兩輸出端接所述平衡探測器(92)的兩輸入端，該平衡探測器(92)輸出的電信號和所述的聲光調制器驅動器(13)的驅動信號在所述第一乘法器(94)中混合，所述第一乘法器(94)的輸出信號經過所述第一低通濾波器(96)后得到信號I；所述的聲光調制器驅動器(13)的驅動信號經所述90°移相器(93)移相90°后，與所述平衡探測器(92)輸出的電信號在第二乘法器(95)中混合，所述第二乘法器(95)的輸出信號經過所述第二低通濾波器(97)后得到信號Q，信號I和信號Q的頻譜峰值表達式為f₀＝kt-f_d，其中：k為線性啁啾調制速率，單位為赫茲每秒，f_d為多普勒頻率。

3、根據權利要求1所述的高精度測速測距激光雷達系統，其特征在于所述的激光器(1)為單縱模光纖激光器。

4、根據權利要求1所述的高精度測速測距激光雷達系統，其特征在于所述的線性啁啾調制器(2)為鈮酸鋰強度調制器。

5、根據權利要求1所述的高精度測速測距激光雷達系統，其特征在于所述的所述偽隨機碼調制器(3)為高速電光調制器。

6、根據權利要求1所述的高精度測速測距激光雷達系統，其特征在于所述的第一耦合器(4)為1∶99的光耦合器，其中1％的光用作本振光；99％的光通過望遠鏡(6)發射。

7、根據權利要求1所述的高精度測速測距激光雷達系統，其特征在于所述的第二耦合器(8)為20∶80光耦合器，其中20％的光用于相干探測和脈沖壓縮；80％的光用于相關運算。

8、根據權利要求1所述的高精度測速測距激光雷達系統，其特征在于所述的所述望遠鏡(6)是發射和接收共光軸的望遠鏡系統。

9、一種利用權利要求1或2所述的高精度測速測距激光雷達系統進行測速測距的方法，其特征在于包括下列步驟：

①激光器(1)輸出激光依次經過線性啁啾調制器(2)和偽隨機碼調制器(3)調制后被第一光耦合器(4)分為兩部分：大部分激光由第一光耦合器(4)的第一輸出端經所述的環形器(5)第一端口進入所述的環形器(5)并經該環形器(5)的第二端口輸出由所述的望遠鏡(6)發射，小部分激光經過所述的聲光調制器(7)移頻后作為本振光；

②所述的望遠鏡(6)接收目標回波信號光，由所述的環形器(5)第三端口進入所述的環形器(5)并經該環形器(5)的第三端口進入第二耦合器(8)，第二耦合器(8)將回波信號光一分為二：第二耦合器(8)的第二輸出端輸出大部分信號經單光子探測器(10)和單光子計數器(11)后進入計算機(12)，在計算機(12)中與任意波形發生器(14)提供的原始偽隨機碼做相關運算，相關運算峰值對應的時刻t與目標所處距離L的對應關系為L=ct2,]]>其中c為光速；

③第二耦合器(8)的第一輸出端輸出小部分信號用于和本振光在相干探測和脈沖壓縮裝置(9)中做相干探測和脈沖壓縮，形成信號I和信號Q；

④所述計算機(12)對信號I和信號Q分別進行采集并做傅立葉變換后合為一路信號，該信號的峰值頻率為f＝2(kt-f_d)，其中k為線性啁啾調制速率，單位為赫茲每秒。f_d為多普勒頻率，多普勒頻率和平行于飛行器和目標連線的目標速度v之間的對應關系為fd=2vλ,]]>λ為激光器的輸出波長；

⑤所述的計算機(12)綜合上述第②和第④步的結果，得到目標速度：

v=λ(2kt-f)4.]]>