[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

技術領域

本發明涉及激光雷達技術，具體指一種用于測距的亞毫米級線性調諧激光測距系統及其信號處理方法。

背景技術

當前激光雷達系統按回波的探測方式可分為直接探測激光雷達與相干探測激光雷達。直接探測結構簡單，應用最為廣泛，但只能得出激光能量的變化，這種系統是通過測量發射和接收光信號的時間延遲(Δt)來計算距離c是光速，但是分辨率在厘米級左右，而且必須使用超窄發射脈沖、高速采樣以及靈敏度非常高的雪崩光電二極管作為探測器，對器件要求比較高。相干探測利用連續的本振光信號與回波在探測器上混頻，探測靈敏度高，且可得出回波頻率與相位變化，在大型相干激光雷達以及激光多普勒雷達中得到應用。

由激光雷達理論可知，功率受限時，所探測的距離越遠，要求脈沖時寬越大；而要實現的距離分辨率越高，則需要的帶寬越大，簡單脈沖的時寬帶寬乘積接近于l，時寬與帶寬相互制約，不能同時增大。故對這種恒定波長的簡單激光脈沖，最大作用距離與距離分辨率不可能同時兼顧。最好的解決辦法就是，采用具有大時寬與大帶寬的復雜信號形式來作為發射信號。

信號理論早就指出，大時寬與帶寬的發射信號，必須使用復雜的調制波形。常用的有三種形式：線性調頻、非線性調頻和相位編碼調制。由于線性調頻信號(LFM信號，即啁啾信號)易于產生、便于處理、對多普勒頻移不敏感，所以其應用最廣。微波雷達已經有了成功的應用，同理，借鑒微波雷達，激光雷達也出現了一些新體制，包括線性調頻連續波(LFMCW)激光雷達、偽隨機碼調相激光雷達以及啁啾信號調幅激光雷達等。

偽隨機碼調相激光雷達由于受到多普勒敏感以及距離壓縮旁瓣太高等限制，這種體制的激光雷達應用少有研究；非線性調頻激光的信號源調制較為復雜，也很少有研究。

啁啾信號調幅激光雷達雖然進展比較大，但是由于其是在幅度上實現啁啾信號調制，而且一般采用聲光調制的方式，調制帶寬在一般在200MHz左右，由于距離分辨率等于c為光速，B是調制帶寬，其對應距離分辨率為0.75m，難以實現大帶寬的調制就限制了其距離分辨率的提高。

線性調頻連續波激光雷達可以采用多種調制方式，聲光調制、電光調制和線性調諧等方式。聲光調制如上述，其調制帶寬比較??；電光調制的調制帶寬直接與電壓的大小有關，由于受到核心器件(非線性晶體)的最大耐壓限制，調制的帶寬比聲光調制還??；而采用線性調諧可以輕易地實現幾十nm范圍的調制，對應的帶寬就是THz量級，理論分辨率可以達到亞毫米級甚至更小。因為激光器輸出諧振波長為λ的激光，必須滿足腔長L＝n·λ(n為激光器縱模的序號)的駐波條件，所以半導體可調諧激光器的工作原理是通過控制壓電陶瓷的伸縮來調節激光諧振腔的腔長，從而實現調整波長的功能。雖然波長是線性變化，頻率c是光速，則頻率必然不是線性變化，但是由于光波段的頻率比較高，所以頻率可以近似看作線性變化，仍然可以按照普通線性調頻(啁啾)信號的雷達進行分析處理，但必須要加上合適的非線性調頻誤差補償，這也是本專利要解決的問題。

無論系統采用何種形式的載波，無論采用何種調制方式，獲得大帶寬的信號是最終的目標，縱觀所有的系統，采用半導體線性調諧激光器可以取得的帶寬最大，一般的波長調諧可以很輕松的實現1550～1630nm之間調諧，例如本專利只選擇了1550～1560nm之間進行線性調諧，目的是使系統的采樣率不至于太高。目前NewFocus公司已經有多種型號的波長可調諧激光器，調諧速度有20nm/s，也有100nm/s的，本專利采用的就是20nm/s。因此在增大采樣率以滿足測距要求的情況下，這種系統的帶寬還可以繼續增大，對應距離分辨率也可以繼續增大。本專利在于解決了這種線性調諧方式的回波通道相位誤差補償方法，而且是自適應地補償辦法，憑借數字信號處理的方法，使得這種THz以上的大帶寬方式得以應用。

發明內容

本發明的目的是為相干探測激光雷達技術中的線性調頻連續波雷達，特指可以實現超大帶寬(THz級)信號的線性調諧雷達，提出一種能夠使其回波通道相位誤差得以自適應補償，實現信號的頻譜壓縮，也即脈沖壓縮的系統及信號處理算法，從而實現對應帶寬的真正意義上的高分辨率，采用半導體激光器直接發射的線性調諧脈沖，無需進行其他的調制，基于解線頻調的脈沖壓縮技術，利用相位誤差自適應補償程序，結合參考通道數據的信息對回波通道數據進行相位誤差補償，在回波通道數據的頻域壓縮出超窄脈沖，脈沖的位置與距離一一對應，實現高分率的距離測量，也就使得這種形式的雷達可以真正應用。而且該系統也繼承了激光雷達的優點，距離分辨率不隨距離增加而降低。