[發明專利]一種基于光學鎖相的相干激光雷達系統

在審

• 申請號: 202110404268.1
• 申請日: 2021-04-15
• 公開（公告）號: CN113281778A
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 徐衛明;胡恒;方付平;舒嶸;鄢朋朋;李兆洋
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 上海滬慧律師事務所 31311
• 代理人: 郭英

本發明公開了一種基于光學鎖相的相干激光雷達系統，系統由相位調制器對窄線寬激光進行大帶寬調制，調制后信號光與本振光通過IQ混頻器和平衡探測器完成光電轉換，后經過乘法器和低通濾波器實現鑒相，所得到的誤差信號反饋給光學調制器用來修正信號光的頻率和相位，完成信號光對本振光的光學鎖相，鎖相后的信號光經過光放大器進行功率放大，用于目標探測。該系統解決了相干激光雷達調制過程及光學傳遞引起的隨機相位，可以用于相干激光雷達相參積累和成像。

技術領域

本發明涉及相干激光雷達技術，具體涉及一種基于光學鎖相相干激光雷達隨機相位補償技術，解決了電光調制器引入的隨機相位的問題。

背景技術

低噪聲寬帶掃頻激光信號在相干光通信、多普勒測距、合成孔徑激光雷達等方向具有及其重要的應用前景；目前主要存在兩種體制來實現寬頻信號：內調制和外調制。在內調制體系中，激光的可調諧性一般通過控制光腔的長度或者改變泵浦獲得，然而從激光的原理不難發現，激光的相干性和其寬頻可調諧是一對矛盾的個體，高相干性要求較長的光腔，激光的光腔、泵浦源等具有高穩定度和極低的附加噪聲，然而寬帶可調諧性又要求能夠根據需求靈活地改變這些相關參數。如此精密而又靈活的頻率要求，對于激光器設計是極其困難的。并且，該方案存在嚴重的非線性問題，尤其隨著調制帶寬的增加，該非線性問題更加突出，惡化了距離分辨率。如果將這個難點拆開為兩個不同的技術基礎，高相干性和大范圍頻率調諧。因此，外調制體制可以很好的解決上述問題。

目前主流采用線性調頻和脈沖編碼來實現寬頻調制，在線性調頻方案中，存在嚴重的多次諧波干擾和能量利用率低等問題，而脈沖編碼可以很好的克服上述問題。隨著光通信的發展，相位編碼技術已經取得了廣泛的應用。同時m序列等擁有良好的自相關性特性，在脈沖壓縮方面具有先天的優勢，自然而然被應用到激光雷達中來。目前相位編碼主要采用電光調制實現，該方案會引入一定的相位誤差，為了消除該誤差對成像的影響，本專利設計一套基于光學鎖相相干激光雷達系統。

發明內容

本發明的目的是在現有的相干成像雷達的技術上，提出了一種基于光學鎖相的隨機相位補償技術。在系統上，激光相干性和寬頻調諧性不太容易同時滿足高指標要求，可調諧激光器的相干性較差，若將上述分拆成窄線寬激光器和寬頻調制兩種技術可以解決此問題。相比于傳統雷達，采用相位調制來實現激光寬頻信號調制，由于采用直接調頻率而不是波長，擁有更好的調諧線性度。同時加入光學鎖相環，消除電光調制器等器件引入的隨機相位。

基于光學鎖相相干激光雷達原理圖如圖1所示，該系統由三部分組成：信號調制模塊、光學鎖相模塊、發射和接收模塊。半導體激光器出射的激光信號首先經過一個光纖分束器分成兩路，下臂信號經過一個第二聲光移頻器作為本振光，上臂信號經過由編碼信號驅動的電光相位調制器和第一聲光移頻器后作為信號光。在信號調制模塊中，激光信號被任意波形發生器產生的相位編碼信號驅動的電光相位調制器調制。兩個聲光移頻器的主要作用是構建一個光學鎖相環路。

在光學鎖相模塊中，鎖相環主要目的是為了消除電光相位調制器產生的隨機相位。鎖相環主要由光鑒相器、濾波器、光壓控振蕩器三部分組成。其中，光鑒相器由第二IQ混頻器、第二平衡探測器和乘法器構成；光壓控振蕩器由壓控振蕩器和第一聲光移頻器組成；第二聲光移頻器和發射信號模塊一起構成一個光學參考信號。最終，信號光與本振光相位同步并鎖定。

信號光可以表示為：

其中，w_c是激光中心角頻率，V_pi是電光調制器半波電壓，是電光調制器引入的隨機相位，p_c是編碼信號。當驅動電壓V_p近似等于半波電壓V_pi時，此時信號可以表示為：

鎖相環的本質是一個非線性微分系統，借助線性小信號模型對其輔助分析。系統中信號光可以表示為：

本振信號可以表示為：