基于強度編碼的合成孔徑激光雷達系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于強度編碼的合成孔徑激光雷達系統，它應用于合成孔徑激光雷達成像。本發明的系統由碼元信號產生單元、90:10光纖耦合器、收發鏡頭、50:50光纖耦合器、2個平衡探測器、數據采集模塊和信號處理程序模塊構成。本發明的強度編碼合成孔徑激光雷達系統是基于多階強度編碼調制激光脈沖信號，采用外差相干探測以及平衡探測技術得到回波信號，距離向與方位向壓縮處理后得到目標的二維圖像。系統優點是信號調制速度極快，在滿足機載平臺飛行速度的前提下，調制帶寬可達5GHz以上，系統采用保偏光纖結構，幅度穩定性高，易于調整光路，探測靈敏度高，距離分辨率達到厘米量級。
【專利說明】基于強度編碼的合成孔徑激光雷達系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及合成孔徑激光雷達領域，特別地，涉及一種基于強度編碼調制信號的合成孔徑激光雷達系統。
【背景技術】
[0002]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，這種系統是通過測量發射和接收光信號的時間
延遲(At)來計算距離，c是光速，但是要得到高分辨率必須使用超短脈沖、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，受噪聲影響較大。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，探測距離相較直接探測明顯增加，在大型相干激光雷達以及激光多普勒雷達中得到應用。
[0003]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1，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，采用具有大時寬帶寬積的復雜信號形式作為發射信號。
[0004]信號理論早就指出，大時寬與帶寬積的發射信號，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，SP啁啾信號)易于產生、便于處理、對多普勒頻移不敏感等特性，早期的實驗室演示系統均采用該調制方式。但寬帶調頻速率低而致重復頻率不高，寬帶調頻線性度差，對于距離分辨率要求較高的機載平臺等高速運動平臺無法使用該方式，限制了合成孔徑激光雷達的應用；非線性調頻激光的信號源處理較為復雜，很少有研究；隨機碼相位調制激光雷達可以實現快速的信號調制，但是調制機構復雜，對相位的調制需要精確控制，工程實現上受到諸多限制。
[0005]基于以上，目前限制機載合成孔徑激光雷達工程化的最大障礙在于，無法在極短時間內(亞毫秒)調制得到大時寬帶寬積雷達信號。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種基于強度編碼的合成孔徑激光雷達，實現極短調制時間(亞毫秒)的大時寬帶寬積雷達信號。
[0007]本發明了提供一種新的快速調制方式，滿足機載等快速運動平臺，實現距離向與方位向的高分辨率成像，調制設備簡單易用，利于實現。本發明提出的強度編碼調制方式采用N階隨機碼，碼元寬度為T，碼元個數為L，通過光電強度調制器調制到發射脈沖光中。受益于現有光電調制器的調制速度非常快(鈮酸鋰強度調制器調制速度可達40Gb/s，這是微波領域不具備的)，在保證高重復頻率的前提下可以得到很高的帶寬。以下對本發明優勢進行詳細推導。
[0008]合成孔徑激光雷達實際中選取λ = 1550nm波長的連續激光作為光源，發射信號頻率記為Otl，則激光出射信號可表示為:
[0009]s (t) = Esexp (-j ( ω 0t)) (I)
[0010]Es表示信號幅度，簡單起見，設為相同。
[0011]信號經過斬波，得到寬度為T*L的脈沖信號，重復頻率f；按照方位向多普勒頻率4的2倍以上進行設置，
【權利要求】
1.一種基于強度編碼的合成孔徑激光雷達系統，它包括窄線寬連續激光器(I)，90/10光纖分束器(2)，鈮酸鋰強度調制器(3)，光放大器(4)，光纖環形器(5)，收發鏡頭(6)，90°移相器(7)，寬帶射頻放大器(8)，任意波形發生器(9)，50/50光纖分束器(10)，寬帶高速模數轉換器(11)，數據處理單元(12)，平衡探測器I (13)，平衡探測器II (14)，3dB耦合器I (15)，3dB耦合器II (16)，斬波器(17)，其特征在于: 窄線寬連續激光器(I)產生連續激光，送入90/10光纖分束器(2)，其中90%能量作為發射信號Si送入鈮酸鋰強度調制器(3)，10%作為本振信號s2 ； 由任意波形發生器(9)產生隨機N階碼元，N選取6到16，經過寬帶射頻放大器(8)放大到適合的電壓幅度，輸入到鈮酸鋰強度調制器(3)的射頻端口，對信號Si進行幅度編碼調制，輸出調制信號s3 ； s3經過斬波器(17)，經由光纖環形器(5)和收發鏡頭(6)發射出射信號s4 ； 出射信號s4被目標反射，在收發鏡頭(6)得到回波rl，從光纖環形器(5)的2號口輸出，將能量平均送給3dB耦合器I (15)和3dB耦合器II (16)； 本振信號s2經過50/50光纖分束器(10)分成兩路能量相等的信號LI和L2，其中L2經過移相器(7)延時90°相位； 將LI和L2分別送入3dB耦合器I (15)和3dB耦合器II (16)，混頻后，分別經平衡探測器I (13)和平衡探測器II (14)光電轉換后被寬帶高速模數轉換器(11)采樣，存儲到數據處理單元(12)中進行數據處理，經過編碼壓縮和匹配濾波，得到圖像數據。
2.根據權利要求1所 述的一種基于強度編碼的合成孔徑激光雷達系統，其特征在于:所述的隨機N階碼元，其幅值按照I到N隨機分布，發射信號Si經過強度調制后，幅度包絡按照編碼幅值變化。
【文檔編號】G01S7/483GK104035101SQ201410258904
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】舒嶸, 李飛, 張鴻翼, 洪光烈, 徐衛明, 吳軍 申請人:中國科學院上海技術物理研究所
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