[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

技術領域

本發明專利涉及激光雷達，特別是一種高精度測速測距激光雷達系統及測速測距方法，它是一種聯合利用偽隨機碼調制技術、光子計數技術、相干探測技術和脈沖壓縮技術的系統，可以高精度獲取目標的速度和距離信息。

背景技術

飛行器在著陸時需要準確得知道自己的速度及位置信息。這樣對安全著陸具有關鍵作用。尤其是存在顯著不連續性的著陸面，例如月球。而常用的通過測量距離再將距離微分得到速度的方法，因為距離的不連續性不能得到正確的速度信息。而將回波信號截成多個小的時間段，通過測量每個時間段的多普勒頻移得到速度信息，再根據時間段對應的時刻來計算距離信息的的方法，也不能得到高分辨率的距離信息。

發明內容

本發明專利要解決的問題在于克服以上現有方法的不足，提供一種高精度測速測距激光雷達系統及測速測距方法，該套系統能同時實現對目標高精度的速度信息和距離信息測量。

本發明的基本原理是將激光經過線性啁啾調制和偽隨機碼調制，調制后的激光絕大部分作為出射激光，由望遠鏡發射出去；一小部分作為本振光用于相干探測；將激光回波信號分為兩部分：一部分通過和原始偽隨機碼做相關運算，得到距離信息；另一部分通過和本振光做相干探測，進行脈沖壓縮，得到本振光和回波信號光的頻率差，這個頻率差同時包括距離信息和多普勒頻移；通過數學運算得到多普勒頻移，從而可以高精度獲取目標的速度和距離信息。

本發明的技術解決方案如下：

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

所述的相干探測和脈沖壓縮裝置由第三耦合器、平衡探測器、90°移相器、第一乘法器、第二乘法器、第一低通濾波器、第二低通濾波器組成，所述的第三耦合器為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的兩輸入端，該平衡探測器輸出的電信號和所述的聲光調制器驅動器的驅動信號在所述第一乘法器中混合，所述第一乘法器的輸出信號經過所述第一低通濾波器后得到信號I；所述的聲光調制器驅動器的驅動信號經所述90°移相器移相90°后，與所述平衡探測器輸出的電信號在第二乘法器中混合，所述第二乘法器的輸出信號經過所述第二低通濾波器后得到信號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。

所述的激光器為單縱模光纖激光器。

所述的線性啁啾調制器為鈮酸鋰強度調制器。

所述的所述偽隨機碼調制器為高速電光調制器。

所述的第一耦合器為1∶99的光耦合器，其中1％的光用作本振光；99％的光通過望遠鏡發射。

所述的第二耦合器為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。

所述的所述望遠鏡是發射和接收共光軸的望遠鏡系統。

利用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，包括下列步驟：

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