[發明專利]亞毫米級線性調諧激光測距系統及信號處理方法

有效

• 申請號: 201110317209.7
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN102495411A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 張琨鋒;舒嶸;徐顯文;凌元;龍啟強;洪光烈;胡以華
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01S17/36
• 分類號: G01S17/36
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

1.一種亞毫米級線性調諧激光測距系統，它包括線性調諧半導體激光器(1)、90:10光纖耦合器(2)、發射準直鏡(3)、極化偏振分束鏡(4)、λ/4波片(5)、接收準直鏡(6)、50:50光纖耦合器I(7)、50:50光纖耦合器II(8)、50:50光纖耦合器III(9)、50:50光纖耦合器IV(10)、回波通道平衡探測器(11)、參考通道平衡探測器(12)、參考延時光纖(13)、數據采集模塊(14)和信號處理程序模塊(15)，其特征在于：

線性調諧半導體激光器(1)輸出的激光束S₀經90:10光纖耦合器(2)分為兩部分，一部分作為本底光記為S₁，另一部分作為發射光記為S₂，S₂經發射準直鏡(3)發射，經過極化偏振分束鏡(4)時，一部分反射，另一部分透射，S₂透射部分激光通過λ/4波片(5)后，激光光偏振方向由線偏振轉換為圓偏振，經自由空間路徑發射到目標(16)上；本底光S₁經過50:50光纖耦合器I(7)被分成本振光S₃和參考光S₄兩部分，本振光S₃經過50:50光纖耦合器II(8)被分成回波本振光S_3-1和參考本振光S_3-2；

目標(16)對S₂透射部分激光信號反射，反射回來的信號光，記為回波信號R₀，它通過λ/4波片(5)后轉變為線偏振光，偏振方向與發射時經過λ/4波片(5)前的偏振方向垂直，經過極化偏振分束鏡(4)時，回波信號R₀大部分光被反射，反射部分經接收準直鏡(6)耦合到光纖中，記為回波接收信號R₁；

回波接收信號R₁與回波本振光S_3-1進入50:50光纖耦合器III(9)后耦合在一起，發生混頻，被回波通道平衡探測器(11)探測接收，光信號轉換為電信號，記為回波通道信號數據A；參考光S₄經過一段參考延時光纖(13)后與參考本振光S_3-2再進入50:50光纖耦合器IV(10)，耦合在一起，發生混頻，被參考通道平衡探測器(12)探測接收，光信號轉換為電信號，記為參考通道信號數據B；

數據采集模塊(14)采集兩個平衡探測器輸出的電信號獲得回波通道數據A和參考通道數據B，然后利用信號處理模塊(15)對回波通道信號數據A和參考通道信號數據B進行處理得到目標的距離數據。

2.根據權利要求1所述的亞毫米級線性調諧激光測距系統，其特征在于：所述的信號處理模塊(15)對回波通道信號數據A與參考通道信號數據B的處理步驟如下：

①對回波通道數據A和參考通道數據B的數據進行加與數據長度等長的漢明窗w(t)，得到加窗后的回波通道數據A₁：

A₁＝A×w(t)????????????????????(1)

和參考通道數據B₁：

B₁＝B×w(t)????????????????????(2)

②利用時-頻分析從加窗后的回波通道數據A₁中提取出相位隨時間的分布再從加窗后的參考通道數據B₁中提取出相位隨時間的分布

③將數據B₁的相位減去理想參考通道的相位分布而得到參考通道數據B₁的相位誤差分布

其中：理想參考通道的相位分布為：

式中：K_r是線性調頻系數，對于特定系統是個常數，T為調諧脈沖信號的時間寬度，B為信號帶寬，B＝c/λ₁-c/λ₂，λ₁為激光調諧的起始波長，λ₂為激光調諧的終止波長，c為光速；R_r為參考延時光纖中的光程，等于參考延時光纖的長度與光纖折射率1.5的乘積；

④將相位誤差分布乘以一個尺度變換因子ξ，ξ為0～1之間的某個數，得到變換后的相位誤差分布拿數據A₁的相位分布減去變換后的相位誤差分布即得到補償后的回波通道數據A₁的相位分布：

⑤把補償后的回波通道數據A₁的相位分布與原始的回波通道數據A₁的幅度分布A_abs(t)，結合成為補償后的回波通道數據C：

⑥對補償后的回波通道數據C進行傅里葉變換，并計算銳化函數S(ξ)值：

其中為對的傅里葉變換，||是取模值；

⑦改變尺度變換因子ξ，重新由步驟④-⑥計算銳化函數的值，循環找出使得銳化函數有最大值時所對應的ξ_max，并利用此ξ_max，求出最終補償后的回波通道數據，記為最終補償后的回波通道數據D：

⑧再對最終補償后的回波通道數據D進行傅里葉變換，得到頻譜圖，此時的頻譜圖具有與目標距離對應的峰值，由頻譜圖中峰值處的頻率位置f，計算出目標的距離R：

R=f·c2Kr---(9)]]>