031] 2.數字信號處理模塊接收到來自I通道、Q通道的數字序列，將其組成復數序列V， V的實部為同一時刻I通道的數據，虛部為同一時刻Q通道的數據。
[0032] 3.對復數序列按照一定采樣周期，如每N = 8192個點為一個采樣周期，進行快速 實時FFT，每一個采樣周期結束后，立即進行新一輪的采樣及信號處理。對每個FFT處理后 得到的頻譜進行實時累加。
[0033] 4.基于光學正交解調方法將獲得除零頻外只有單一譜峰的頻譜，譜峰的鏡像頻點 幅度很小，在頻譜累加過程中實時尋找譜峰位置，當譜峰幅值達到一定閾值后即認為譜峰 為信號，所對應頻率為速度帶來的多普勒頻率，進而獲得目標速度；當累加次數達到一定閾 值仍未獲得有效譜峰，即認為本次探測無有效回波信號。兩種情況滿足任何一種，即結束當 前通道的探測。
[0034] 5.數字信號處理模塊將發(fā)射光開關、接收光開關重新換到另外一個通道，同時進 行新通道新一輪的目標速度的探測，即循環(huán)到步驟1進行新一輪的操作。
[0035] 本系統(tǒng)的優(yōu)點為：
[0036] 1結構簡單，激光無需調制，降低了對激光器的需求。
[0037] 2通過正交零差探測，得到的信號頻譜干凈，可以簡單有效的提取出目標速度和方 向。
[0038] 3激光未經調制，采用零差系統(tǒng)，可以通過交流耦合回避同軸光路中鏡面反射，以 及環(huán)形器泄漏帶來的干擾。
[0039] 4激光未經調制，可以實時進行快速FFT處理并進行脈沖積累，可以有效探測微弱 信號，達到較遠的探測距離。
【附圖說明】
[0040] 圖1為基于光學正交解調的相干零差多普勒測速激光雷達系統(tǒng)的原理框圖，其中 各部分為：1.同軸收發(fā)望遠鏡；2.光纖環(huán)形器；3.發(fā)射光開關；4.接收光開關；5.窄線寬 激光器；6. 90度光學橋接器；7.平衡探測器；8.高速ADC ;9.數字信號處理模塊，DSP或 FPGA或微處理器。
[0041] 圖2是90度光學橋接器的輸出、輸出示意圖，其構建有光纖、自由空間多種方式， 本圖只是信號結構上的原理示意，將輸入的本振信號通過一定手段拆分為具有90度相位 差的兩個信號，并分別與信號光進行親合，其內部結構分別為：1. 50:50分束器，2. 90度相 移器，實際設計時可通過多種途徑實現；3. 180度混頻器。
[0042] 圖3是典型的多普勒速度信號頻譜，Y軸為FFT處理后各頻點的幅度，頻譜信號中 包括零頻和信號峰值，零頻信號因高速ADC直流偏置導致無法避免，信號提取時直接無視 零頻信號，信號因多普勒頻移造成，圖中多普勒頻移信號為-11. 57MHz，對應于負速度。
[0043] 圖4是相干零差多普勒測速激光雷達測量到的速度數據，激光雷達在飛機上對地 面探測，實時測量激光雷達對地面的速度，圖中是一部分點的數據。
【具體實施方式】
[0044] 基于光學正交解調的相干零差多普勒測速激光雷達系統(tǒng)的具體實施包括：
[0045] 1)數字信號處理模塊9切換發(fā)射光開關3、接收光開關4到相同的第1個通道，并 觸發(fā)窄線寬激光器5發(fā)射。數字信號處理模塊采用Xilinx Virtex 4XC4VSX55的FPGA，發(fā) 射光開關3選用1輸入，3輸出的磁光開關，接收光開關4選用3輸入，1輸出的磁光開關， 窄線寬激光器5為窄線寬光纖激光器，波長1550nm，線寬小于30kHz，用于發(fā)射的大功率3W， 用于本振的小功率為3mW。
[0046] 2)激光經環(huán)形器2的1端口輸入，從2端口輸出到收發(fā)望遠鏡1發(fā)射，回波激光從 收發(fā)望遠鏡返回到環(huán)形器的2端口，從3端口輸出到接收光開關，再變成1路回波光信號進 入90度光學橋接器6。環(huán)形器2為典型光纖環(huán)形器，有3個端口的器件，從1端口輸入，從 2端口收發(fā)，從3端口輸出。90度光學橋接器6為光纖90度光學橋接器，采用Kylia公司 C0H24器件。
[0047] 3)回波光進入90度光學橋接器的信號端，本振光進入90度光學橋接器的本振端， 90度橋接器輸出4路光信號，形成I路、Q路信號，分別進入兩個平衡探測器7轉換成電信 號，電信號再經高速ADC進行模數轉換，生成兩組數字序列。平衡探測器為典型1550nm波 長響應的平衡探測器，光電轉換效率為40kV/W。高速ADC采用TI公司ADS5463,輸出位寬 為12位，采樣時鐘為200MHz。
[0048] 4)高速ADC輸出的兩路12位位寬的數字序列在數字信號處理模塊內組成復數V， 實部來自同一時刻I通道ADC數據，虛部來自同一時刻Q通道ADC數據。對連續(xù)獲取的復 數數據V，每N = 8192點作為一個采樣周期，進行實時FFT處理，獲得信號頻譜，將獲得的信 號頻譜進行實時累加。
[0049] 5)基于光學正交解調方法獲得除零頻外只有單一譜峰的頻譜，譜峰的鏡像頻點幅 度很小，在頻譜累加過程中實時尋找譜峰位置，當譜峰幅值達到一定閾值后即認為譜峰為 信號，所對應頻率為速度帶來的多普勒頻率，進而獲得目標速度；當累加次數達到一定閾值 仍未獲得有效譜峰，即認為本次探測無有效回波信號。兩種情況滿足任何一種，即結束當前 通道的探測。圖3是典型的信號頻譜，是負速度，目標遠離激光雷達，圖4是該激光雷達實際 測量到的部分速度數據，正負速度清晰可辨。對于200MHz的采樣時鐘，8192點的頻譜分析， 頻率分辨率為24. 414kHz，結合波長1550nm，該頻率分辨率對應的速度分辨率為0. 0189m/ s，具有較高的速度分辨率。
[0050] 6)當前通道測量結束，即進行新一通道的速度的測量，將發(fā)射磁光開關、接收磁光 開關切換到第2通道，開始第2通道的測量，再重復步驟1)循環(huán)操作。
【主權項】
1. 一種基于光學正交解調的相干零差多普勒測速激光雷達系統(tǒng)，包括同軸收發(fā)望遠鏡 (1)、光纖環(huán)形器（2)、發(fā)射光開關（3)、接收光開關（4)、窄線寬激光器（5)、90度光學橋接器 (6)、平衡探測器（7)、高速ADC (8)、數字信號處理模塊（9)，其特征在于： 窄線寬激光器（5)產生未經調制的單一頻率的相干激光，經激光分束后一部分用于發(fā) 射，另外一部分用作本振信號； 激光通過同軸收發(fā)望遠鏡（1)和光纖環(huán)形器（2)實現同軸收發(fā)，經由發(fā)射光開關（3) 和接收光開關（4)切換實現多通道分時速度探測； 回波激光和本振激光進入90度光學橋接器（6)進行光信號處理，形成I通路、Q通路 信號，并經由兩個平衡探測器（7)轉換成電信號，經兩個高速ADC(S)數字化獲得正交的兩 路數據； I通路、Q通路信號進入數字信號處理模塊（9)進行處理，經處理得到目標速度大小和 方向。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光學正交解調的相干零差多普勒測速激光雷達系統(tǒng)，它應用于相干激光雷達系統(tǒng)。本發(fā)明包括同軸收發(fā)望遠鏡、光纖環(huán)形器、發(fā)射光開關、接收光開關、窄線寬激光器、90度光學橋接器、平衡探測器、高數ADC、數字信號處理模塊。本發(fā)明的相干零差多普勒測速激光雷達系統(tǒng)，基于光學正交解調直接得到回波信號頻率和本振光頻率的差值大小及方向，得到多個方向分時的目標速度大小和方向。
【IPC分類】G01S17/58
【公開號】CN105137446
【申請?zhí)枴緾N201510606642
【發(fā)明人】吳軍, 舒嶸, 徐衛(wèi)明, 童鵬
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月22日