[發明專利]激光雷達寬帶LFM信號產生及寬視場接收裝置

有效

• 申請號: 201510082101.2
• 申請日: 2015-02-15
• 公開（公告）號: CN104614719B
• 公開（公告）日: 2017-08-15
• 發明（設計）人: 李道京;杜劍波;馬萌
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01S7/484
• 分類號: G01S7/484;G01S7/486
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司11021
• 代理人: 曹玲柱

技術領域

本發明涉及激光雷達技術領域，尤其涉及一種激光雷達寬帶LFM信號產生及寬視場接收裝置。

背景技術

自1964年第一臺CO₂激光器問世以來，經過半個多世紀的不斷發展，激光雷達已在距離測量、大氣風場測量、目標探測和遙感成像等領域獲得了廣泛的應用。縱觀其發展歷程，激光雷達呈現出體積更小、重量更輕、分辨率更高和作用距離更遠的趨勢。現階段為獲得高距離分辨率，激光雷達的發射信號多以窄脈沖信號為主，但其對系統的峰值功率要求過高，限制了激光雷達作用距離和探測性能的進一步提升。通過發射相位或頻率經過調制的寬帶寬脈沖信號，激光雷達可獲得較大的平均功率提高作用距離，利用脈沖壓縮技術獲取高的距離分辨率，由此可平衡作用距離和距離分辨率的矛盾。

根據調制方式的不同，適合脈沖壓縮的激光雷達寬帶信號具體分為激光頻段寬帶相位調制信號和寬帶LFM信號兩類。寬帶相位調制信號主要包括二相碼、多相碼和基于LFM信號的相位調制信號等，其中基于LFM信號的相位調制信號是根據LFM信號的相位使用相位調制器產生的寬帶信號(參見：杜劍波，李道京，馬萌.機載合成孔徑激光雷達相位調制信號性能分析和成像處理.雷達學報，2014，3(1)：111-118)。寬帶LFM信號具有較好的脈沖壓縮性能，壓縮副瓣容易控制且遠區副瓣較低，是微波雷達常用的信號波形，也可用于激光雷達。由于激光雷達波束一般較窄，探測幅寬較小，使用LFM信號時還可采用去斜接收方式大幅簡化系統設計系統復雜度。因此，研究激光雷達寬帶LFM信號產生具有重要意義。

對于激光雷達，寬帶LFM信號產生方法包括內調制和外調制兩種。內調制指通過調諧腔長等方法使激光器直接輸出寬帶LFM信號，這種方法主要存在調制周期較長的問題，無法滿足激光雷達工作在高重頻模式的應用要求。外調制指先用電子學方法在射頻頻段產生調制信號，再將調制信號作用于激光光源信號，最后輸出寬帶LFM信號。外調制主要可分為聲光調制，電光調制等。其中聲光調制利用聲光衍射的原理，可實現強度調制，其存在調制帶寬小的問題；電光調制通過控制電壓改變晶體的折射率，可實現強度或相位調制，其問題是調制信號制約了激光頻段LFM信號的帶寬。因此，現有激光頻段LFM信號產生方法存在的調制周期長，帶寬小的問題亟待解決，如何利用帶寬較小的調制信號實現激光頻段寬帶LFM信號值得研究。

現階段光纖承載射頻技術(Radio-over-fiber，ROF)已有較多研究，利用光上倍頻的方法獲取高純度單頻毫米波信號是其一個重要的研究方向。該方法利用外調制的非線性特性，將頻段較低的單頻射頻信號作為調制信號，通過激光頻段倍頻和差拍的方法產生高純度單頻毫米波信號。因此，如果將射頻頻段LFM信號作為調制信號，則能夠通過激光頻段倍頻的方法產生倍頻的激光LFM信號。

激光雷達的接收視場，主要由接收望遠鏡口徑，探測器/探測器組光敏面尺寸、接收口徑D焦距f比決定。口徑焦距比越大，光學系統的設計難度越大，按照目前光學接收系統的設計能力，要實現D/f＝1的光學系統，即口徑為焦距的1倍，設計難度較小；要實現D/f＝2的光學系統，即口徑為焦距的2倍，設計難度較大。

在此基礎上，激光雷達的接收視場，就轉化為由接收望遠鏡口徑和探測器/探測器組光敏面尺寸決定，接收視場與探測器光敏面尺寸成正比，與接收口徑成反比。

為保證激光雷達具有較遠的作用距離，一般需將接收望遠鏡的尺寸設計得較大，以獲得較多的回波信號能量，此時激光雷達的視場主要決定于探測器光敏面的尺寸。由于目前常用的探測器光敏面尺寸一般較小，激光雷達的接收視場也較小。

為解決激光信號寬視場接收問題，現階段激光雷達多采用面陣或線陣探測器的接收方式擴大接收視場，這種接收方式具備高的空間角分辨率，但由于需使用光電探測器陣列和多個通道信號處理，技術實現復雜，成本較高。

并且，合成孔徑激光雷達和激光空間無線通信接收設備對寬視場接收都具有明確需求，但不要求具有高的空間角分辨率，具備采用一個光電探測器或少量探測器實現激光雷達寬視場接收的使用條件。

發明內容

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，本發明提供了一種激光雷達寬帶LFM信號產生及寬視場接收裝置，以抑制信號諧波并實現激光雷達信號的寬視場接收。

(二)技術方案