[發明專利]一種基于外差鎖相的脈沖光相控陣激光雷達系統

有效

• 申請號: 202010943209.7
• 申請日: 2020-09-09
• 公開（公告）號: CN112068107B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 郝群;曹杰;張佳利;劉煒劍;胡仁偉;唐鳴元
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01S7/4863
• 分類號: G01S7/4863;G01S7/487
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

1.一種基于外差鎖相的脈沖光相控陣激光雷達系統，其特征在于：包括本機振蕩器、光纖分束器、光纖耦合器、信號合成器、鑒相器、鎖相控制電路、電腦和光纖和探測器；

將M個探測器進行編號后按二維方形陣列排布，根據探測需求可無限量的擴展探測器的個數；當脈沖回波陣列相干探測系統啟動工作后，本機振蕩器產生與發射系統中各個子光源具有相同頻率的光波信號，由光纖分束器分成M路經過光纖相位延遲線進入對應的M個2×2光纖耦合器；由M個探測器收到的目標反射回波信號也進入與之相連的光纖耦合器，二者形成中頻信號，為后續同相M路中頻信號做準備；從光纖耦合器輸出的中頻信號分為兩部分，大部分輸入信號合成器進行疊加，小部分用于相位鑒別、調制與鎖定；通常選取第1路中頻信號的相位為基準參考，分別與其他M-1路中頻信號的相位通過鑒相器進行鑒相后輸出一組誤差信號傳給鎖相控制電路；鎖相控制電路經分析比對后，將其變換為一組電壓信號傳給電腦；利用電腦對電壓信號進一步處理計算，得出M-1路的相位補償信息，最終使M路中頻信號同相后在信號合成器中進行疊加；

采用所述的系統實現高功率發射、高靈敏回波探測的方法包括如下步驟：

步驟一、相控陣激光雷達接收系統中，將M個探測器編號后按二維方形排布；相控陣激光雷達發射系統中N個子光源也按二維方形排布；根據掃描角度及所需功率等掃描探測要求信息，N路脈沖子光束在遠場相干合成后形成一束高功率脈沖激光，用于遠距離目標探測；

步驟二、基于外差鎖相的脈沖光激光雷達系統啟動工作，當N路子光源工作發出脈沖光時，也啟動接收系統；

步驟三、由于大氣湍流和目標場景引起的散斑效應的影響，導致脈沖光從目標反射回到雷達接收系統時信號發生畸變與展寬，造成脈沖回波信號微弱難以探測；因此，利用M個探測器對目標的脈沖回波信號進行相干疊加解決信號微弱問題；

步驟3.1：本機振蕩器產生與發射系統中N個子光源具有相同頻率的高斯脈沖光作為本振光，與M個探測器收到的M路目標的反射回波信號在相應的光纖耦合器內外差拍頻后形成中頻信號；

步驟3.2：建立相干高斯光束外差探測系統的數學模型如下：

反射回波信號與本振光在光纖耦合器內的兩光場為：

U₁(p,t)＝U₁₀(p,t)exp(jω₁₀t) (1)

U₂(p,t)＝U₂₀(p,t)exp(jω₂₀t) (2)

公式中U₁₀、U₂₀表示本振光和回波信號的最初光場分布；ω₁₀、ω₂₀表示二者的最初光場頻率，根據外差探測原理，在光纖耦合器的復合光場可表示為：

U(p,t)＝U₁₀(p,t)exp(jω₁₀t)+U₂₀(p,t)exp(jω₂₀t) (3)

反射回波信號與本振光兩光場的相干過程會產生混頻電流，可表示為：

公式中，η(p)表示量子效率，e為電子電荷，hv為光子能量，*為復共軛；將(3)代入(4)中，得到總的中頻電流為：

中頻信號功率可表示為：

上式中，橫線表示對中頻信號求時間平均，R表示負載電阻；

相干高斯光束的外差探測系統信噪比可表示為：

其中，P_N表示外差探測系統噪聲功率，P_IF表示中頻信號功率；

因此，要想增加外差探測系統的信噪比，系統噪聲一般變化不大，則需增加中頻信號功率；而中頻信號功率大小由本振光與反射回波信號二者共同決定；由于本振光的功率相對較高，其數量級一般為mW，然而接收系統接收到的信號光功率一般為nW數量級；由此可見，本振光在相干接收系統中具有放大中頻信號幅值的作用，相比于直接探測具有更高的探測靈敏度；所以，通過增加本振光功率即可使外差探測系統實現微弱回波探測；

步驟四、對步驟三中由外差拍頻方式得到的M路中頻信號進行相位鑒別、調制與鎖定，為后續M路中頻信號同相作準備；

步驟4.1：從M個光纖耦合器輸出的多路中頻信號每1路均被分為兩部分，大部分輸入信號合成器進行疊加，小部分輸入鑒相器用于M路中頻信號之間的相位鑒別；

步驟4.2：選取第1路中頻信號作為基準參考，利用鑒相器分別對其他M-1路中頻信號的相位與第1路中頻信號進行比對，若存在相位差時，鑒相器輸出一組誤差信號傳給鎖相控制電路，鎖相控制電路經分析比對后，將其變換為一組電壓信號傳給電腦；

步驟五、利用電腦再次對該組電壓信號作進一步處理計算，得出M-1路的相位補償信息，最終使M路中頻信號同相在信號合成器中合成疊加；

步驟5.1：電腦對電壓信號處理解算后得到相應M-1路的相位補償信息并顯示，然后根據電腦顯示的每路光纖相位延遲線的調節量；通過光纖分束器分成M-1路去補償調節相應M-1路的光纖相位延遲線的長度，可使鑒相器輸出的M-1路中頻信號的相位不斷發生變化，朝著第1路中頻信號的相位不斷靠攏；最終使其他M-1路中頻信號與第1路中頻信號的相位差為零達到相位補償目的，使M路中頻信號同相；

步驟5.2：同相后的M路中頻信號在信號合成器中進行疊加，這樣很好地解決了大氣湍流和探測目標引起散斑效應而造成信號微弱的問題，滿足了對遠距離目標無慣性、高靈敏的探測需求。