CN107102322A - 微波激光雷达一体化*** - Google Patents

微波激光雷达一体化*** Download PDF

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Abstract

微波激光雷达一体化***，属于微波探测领域。解决了现有雷达探测***无法同时实现高分辨率、探测距离远及探测过程中不受气候影响的问题。本发明将微波雷达和激光雷达集成到一个***当中，综合两种探测方式的优势，针对不同的探测环境和探测要求进行灵活切换以适应实际需求，具有测量范围大，测量精度高，应用范围广泛的特点。同时，由于本***采用共用的信号调制和信号解调***，具有结构紧凑、稳定性高和灵活性强的特点。本发明主要用于对待测目标的距离进行测量。

Description

微波激光雷达一体化***
技术领域
本发明属于微波探测领域。
背景技术
近年来随着环境的日益复杂以及所需探测目标的逐渐多元化发展趋势，单一探测模式已无法满足实际需求，激光雷达探测分辨率高，能抑制地表杂波，但是激光雷达探测***工作距离近，且受气候影响严重；微波雷达作用距离远，受天气影响较小，但是微波雷达分辨率低，性能受电子学瓶颈限制，因此，如何妥善的将二者有机结合，使二者可以较好地取长补短以适应更高的实际探测要求成为了目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有雷达探测***无法同时实现高分辨率、探测距离远及探测过程中不受气候影响的问题，本发明提供了一种微波激光雷达一体化***。
微波激光雷达一体化***，它包括锁模激光器、2个1×2分束器、2个F-P滤波器、2个光学带通滤波器、MEMS光开关、光纤放大器、光环形器、准直器、发射/接收器件、延时光纤、2个2×1耦合器、2个光电探测器、电放大器、功分器、电环形器、微波天线、延时器、乘法器、模数转换器和数字信号处理器；
所述的2个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器和2号1×2分束器，且1号1×2分束器输出光强相同的两束光；
2个F-P滤波器分别定义为1号F-P滤波器和2号F-P滤波器；
2个光学带通滤波器分别定义为1号光学带通滤波器和2号光学带通滤波器；
2个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器和2号2×1耦合器；
2个光电探测器分别定义为1号光电探测器和2号光电探测器；
锁模激光器输出的光经1号1×2分束器分束后，输出激光雷达探测的载波信号光和微波雷达探测的载波信号光这两束光，
其中，1号1×2分束器输出的激光雷达探测的载波信号光入射至1号F-P滤波器进行频率选择后，入射至1号光学带通滤波器进行滤波，然后入射至MEMS光开关，
MEMS光开关的1号出光口输出的光经光纤放大器进行功率放大后，入射至2号1×2分束器进行分束后，输出两束光，该两束光分别定义为本振光和信号光，信号光的光强大于本振光的光强；
MEMS光开关的2号出光口输出的光入射至2号2×1耦合器；
MEMS光开关的1号出光口和2号出光口输出光信号作为切换控制指令，使激光雷达探测和微波雷达探测择一工作；
其中，信号光依次经光环形器和准直器后，又经发射/接收器件进行扩束准直后，入射至待测目标，经待测目标反射后输出的回波信号光，经发射/接收器件进行汇聚后，又依次经准直器和光环形器后，入射至1号2×1耦合器；
本振光通过延时光纤入射至1号2×1耦合器；
1号2×1耦合器对接收的本振光和回波信号光进行耦合后，入射至光电探测器进行光电转化后，获得的激光雷达探测中频差频信号发送至模数转换器；
1号1×2分束器输出的微波雷达探测的载波信号光入射至2号F-P滤波器进行频率选择后，入射至2号光学带通滤波器进行滤波后，又入射至2号2×1耦合器；
2号2×1耦合器对接收的两束光进行耦合后，入射至2号光电探测器，进行光电转化，获得的电信号经电放大器进行功率放大后，送至功分器进行功率分配，获得两路电信号；
功分器输出的第一路电信号依次经电环形器和微波天线后，以微波的形式入射至待测目标，该微波经待测目标反射后，依次通过微波天线和电环形器送至乘法器；
功分器输出的第二路电信号经延时器延时后，送至乘法器；
功分器输出的第一路电信号的功率大于第二路电信号的功率；
乘法器对接收的微波和延时后的第二路电信号进行相乘，获得微波雷达探测中频差频信号送至模数转换器；
模数转换器对接收的激光雷达探测中频差频信号或微波雷达探测中频差频信号进行模数转换后，获得的数据信号输入至数字信号处理器，数字信号处理器对接收的数据信号进行处理，从而获得待测目标的距离。
所述的数字信号处理器对接收的数据信号进行处理，从而获得待测目标的距离的具体过程为：
步骤一：数字信号处理器对接收的数据信号进行傅里叶变换，获得中频信号的频谱F(I)，
步骤二：提取中频信号的频谱F(I)，在调制带宽范围内的最大幅值所对应的峰值频率fI，
步骤三：将峰值频率fI代入下述公式一中进行解算，从而获得待测目标的距离R；
所述的K＝2B/T，
其中，c表示真空中的光速，K表示1号F-P滤波器输出的光的频率的调制斜率，τL表示延时时间，B表示调制带宽，T表示调制周期。
所述的1号F-P滤波器输出的光为纵模频率随时间线性变化的三角波线性频率调制信号。
所述的2号F-P滤波器输出的光为纵模频率不随时间变化的单频信号。
所述的1号F-P滤波器接收的驱动信号为三角波电压信号。
所述的2号F-P滤波器接收的驱动信号为幅值恒定的电压信号。
本发明带来的有益效果是，本发明能够将微波雷达和激光雷达集成到一个***当中，综合两种探测方式的优势，针对不同的探测环境和探测要求进行灵活切换以适应实际需求，具有测量范围大，测量精度高，应用范围广泛的特点。同时，由于本***采用共用的信号调制和信号解调***，具有结构紧凑、稳定性高和灵活性强的特点。
由于***测距分辨率ΔR与***调制带宽B满足如下关系：
可知，***测距分辨率与激光调频范围成反比，而传统调频连续波激光雷达受限于调频范围因此其测距分辨率受限，而本发明采用锁模激光器和F-P滤波器的组合，其扫频范围明显增大且可控，因此本发明可以有效增强测距分辨率。
本发明所述的微波激光雷达一体化***中光学器件连接的光纤均为单模保偏光纤，保证信号光与本振光、线性频率调制光与单频激光之前的偏振方向相同，提高外差效率，进而提高***的探测性能。
附图说明
图1为本发明所述的微波激光雷达一体化***；
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的微波激光雷达一体化***，它包括锁模激光器1、2个1×2分束器、2个F-P滤波器、2个光学带通滤波器、MEMS光开关5、光纤放大器6、光环形器7、准直器8、发射/接收器件9、延时光纤10、2个2×1耦合器、2个光电探测器、电放大器13、功分器14、电环形器15、微波天线16、延时器17、乘法器18、模数转换器19和数字信号处理器20；
所述的2个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器2-1和2号1×2分束器2-2，且1号1×2分束器2-1输出光强相同的两束光；
2个F-P滤波器分别定义为1号F-P滤波器3-1和2号F-P滤波器3-2；
2个光学带通滤波器分别定义为1号光学带通滤波器4-1和2号光学带通滤波器4-2；
2个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器11-1和2号2×1耦合器11-2；
2个光电探测器分别定义为1号光电探测器12-1和2号光电探测器12-2；
锁模激光器1输出的光经1号1×2分束器2-1分束后，输出激光雷达探测的载波信号光和微波雷达探测的载波信号光这两束光，
其中，1号1×2分束器2-1输出的激光雷达探测的载波信号光入射至1号F-P滤波器3-1进行频率选择后，入射至1号光学带通滤波器4-1进行滤波，然后入射至MEMS光开关5，
MEMS光开关5的1号出光口输出的光经光纤放大器6进行功率放大后，入射至2号1×2分束器2-2进行分束后，输出两束光，该两束光分别定义为本振光和信号光，信号光的光强大于本振光的光强；
MEMS光开关5的2号出光口输出的光入射至2号2×1耦合器11-2；
MEMS光开关5的1号出光口和2号出光口输出光信号作为切换控制指令，使激光雷达探测和微波雷达探测择一工作；
其中，信号光依次经光环形器7和准直器8后，又经发射/接收器件9进行扩束准直后，入射至待测目标，经待测目标反射后输出的回波信号光，经发射/接收器件9进行汇聚后，又依次经准直器8和光环形器7后，入射至1号2×1耦合器11-1；
本振光通过延时光纤10入射至1号2×1耦合器11-1；
1号2×1耦合器11-1对接收的本振光和回波信号光进行耦合后，入射至光电探测器12-1进行光电转化后，获得的激光雷达探测中频差频信号发送至模数转换器19；
1号1×2分束器2-1输出的微波雷达探测的载波信号光入射至2号F-P滤波器3-2进行频率选择后，入射至2号光学带通滤波器4-2进行滤波后，又入射至2号2×1耦合器11-2；
2号2×1耦合器11-2对接收的两束光进行耦合后，入射至2号光电探测器12-2，进行光电转化，获得的电信号经电放大器13进行功率放大后，送至功分器14进行功率分配，获得两路电信号；
功分器14输出的第一路电信号依次经电环形器15和微波天线16后，以微波的形式入射至待测目标，该微波经待测目标反射后，依次通过微波天线16和电环形器15送至乘法器18；
功分器14输出的第二路电信号经延时器17延时后，送至乘法器18；
功分器14输出的第一路电信号的功率大于第二路电信号的功率；
乘法器18对接收的微波和延时后的第二路电信号进行相乘，获得微波雷达探测中频差频信号送至模数转换器19；
模数转换器19对接收的激光雷达探测中频差频信号或微波雷达探测中频差频信号进行模数转换后，获得的数据信号输入至数字信号处理器20，数字信号处理器20对接收的数据信号进行处理，从而获得待测目标的距离。
本实施方式，本发明将1号1×2分束器2-1输出的光信号分成两部分，分别用于激光探测和微波探测的载波信号。
本发明所述的微波激光雷达一体化***进行单模式探测，可通过控制MEMS光开关5使激光探测和微波探测两种方式进行自由切换，以适用探测需要。
(一)当进行激光探测时，MEMS光开关5的2号出光口不出光，MEMS光开关5的1号出光口可输出光，该光信号经光纤放大器6进行功率放大后，入射至2号1×2分束器2-2进行分束后，输出两束光，该两束光分别定义为本振光和信号光，并将信号光入射至待测目标后，经待测目标反射后形成回波信号光，该回波信号光携带有待测目标信息，1号光电探测器12-1对延时后的本振光和回波信号光进行光电探测及模数转换后，通过数字信号处理器20对接收的数据信号进行处理，从而获得待测目标的距离。
(二)当进行微波探测时，MEMS光开关5的1号出光口不出光，MEMS光开关5的2号出光口可输出光，该光信号和2号光学带通滤波器4-2输出的光信号通过2号2×1耦合器11-2耦合后，依次通过2号光电探测器12-2进行光电探测、通过功分器14对接收的电信号进行功率分配，且功率大的一路电信信号作为探测信号通过微波天线16转化为微波对待测目标进行探测，经待测目标反射的回波电信号，又依次通过微波天线16和电环形器15后送入乘法器18，功率小的一路电信信号作为本振信号经延时器17延时后，也送入乘法器18，乘法器18对接收的两路信号进行相乘后，又经过模数转换，通过数字信号处理器20对接收的数据信号进行处理，从而获得待测目标的距离。
延时器17对本振电信号进行延时处理，能够调节微波探测混频中频信号的频率，从而减小对***硬件参数的要求。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的微波激光雷达一体化***的区别在于，所述的数字信号处理器(20)对接收的数据信号进行处理，从而获得待测目标的距离的具体过程为：
步骤一：数字信号处理器(20)对接收的数据信号进行傅里叶变换，获得中频信号的频谱F(I)，
步骤二：提取中频信号的频谱F(I)，在调制带宽范围内的最大幅值所对应的峰值频率fI，
步骤三：将峰值频率fI代入下述公式一中进行解算，从而获得待测目标的距离R；
所述的K＝2B/T，
其中，c表示真空中的光速，K表示1号F-P滤波器3-1输出的光的频率的调制斜率，τL表示延时时间，B表示调制带宽，T表示调制周期。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的微波激光雷达一体化***的区别在于，所述的1号F-P滤波器3-1输出的光为纵模频率随时间线性变化的三角波线性频率调制信号。
具体实施方式四：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的微波激光雷达一体化***的区别在于，所述的2号F-P滤波器3-2输出的光为纵模频率不随时间变化的单频信号。
具体实施方式五：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的微波激光雷达一体化***的区别在于，所述的1号F-P滤波器3-1接收的驱动信号为三角波电压信号。
具体实施方式六：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的微波激光雷达一体化***的区别在于，所述的2号F-P滤波器3-2接收的驱动信号为幅值恒定的电压信号。

Claims (6)

1.微波激光雷达一体化***，其特征在于，它包括锁模激光器(1)、2个1×2分束器、2个F-P滤波器、2个光学带通滤波器、MEMS光开关(5)、光纤放大器(6)、光环形器(7)、准直器(8)、发射/接收器件(9)、延时光纤(10)、2个2×1耦合器、2个光电探测器、电放大器(13)、功分器(14)、电环形器(15)、微波天线(16)、延时器(17)、乘法器(18)、模数转换器(19)和数字信号处理器(20)；
所述的2个1×2分束器分别定义为1号1×2分束器(2-1)和2号1×2分束器(2-2)，且1号1×2分束器(2-1)输出光强相同的两束光；
2个F-P滤波器分别定义为1号F-P滤波器(3-1)和2号F-P滤波器(3-2)；
2个光学带通滤波器分别定义为1号光学带通滤波器(4-1)和2号光学带通滤波器(4-2)；
2个2×1耦合器分别定义为1号2×1耦合器(11-1)和2号2×1耦合器(11-2)；
2个光电探测器分别定义为1号光电探测器(12-1)和2号光电探测器(12-2)；
锁模激光器(1)输出的光经1号1×2分束器(2-1)分束后，输出激光雷达探测的载波信号光和微波雷达探测的载波信号光这两束光，
其中，1号1×2分束器(2-1)输出的激光雷达探测的载波信号光入射至1号F-P滤波器(3-1)进行频率选择后，入射至1号光学带通滤波器(4-1)进行滤波，然后入射至MEMS光开关(5)，
MEMS光开关(5)的1号出光口输出的光经光纤放大器(6)进行功率放大后，入射至2号1×2分束器(2-2)进行分束后，输出两束光，该两束光分别定义为本振光和信号光，信号光的光强大于本振光的光强；
MEMS光开关(5)的2号出光口输出的光入射至2号2×1耦合器(11-2)；
MEMS光开关(5)的1号出光口和2号出光口输出光信号作为切换控制指令，使激光雷达探测和微波雷达探测择一工作；
其中，信号光依次经光环形器(7)和准直器(8)后，又经发射/接收器件(9)进行扩束准直后，入射至待测目标，经待测目标反射后输出的回波信号光，经发射/接收器件(9)进行汇聚后，又依次经准直器(8)和光环形器(7)后，入射至1号2×1耦合器(11-1)；
本振光通过延时光纤(10)入射至1号2×1耦合器(11-1)；
1号2×1耦合器(11-1)对接收的本振光和回波信号光进行耦合后，入射至光电探测器(12-1)进行光电转化后，获得的激光雷达探测中频差频信号发送至模数转换器(19)；
1号1×2分束器(2-1)输出的微波雷达探测的载波信号光入射至2号F-P滤波器(3-2)进行频率选择后，入射至2号光学带通滤波器(4-2)进行滤波后，又入射至2号2×1耦合器(11-2)；
2号2×1耦合器(11-2)对接收的两束光进行耦合后，入射至2号光电探测器(12-2)，进行光电转化，获得的电信号经电放大器(13)进行功率放大后，送至功分器(14)进行功率分配，获得两路电信号；
功分器(14)输出的第一路电信号依次经电环形器(15)和微波天线(16)后，以微波的形式入射至待测目标，该微波经待测目标反射后，依次通过微波天线(16)和电环形器(15)送至乘法器(18)；
功分器(14)输出的第二路电信号经延时器(17)延时后，送至乘法器(18)；
功分器(14)输出的第一路电信号的功率大于第二路电信号的功率；
乘法器(18)对接收的微波和延时后的第二路电信号进行相乘，获得微波雷达探测中频差频信号送至模数转换器(19)；
模数转换器(19)对接收的激光雷达探测中频差频信号或微波雷达探测中频差频信号进行模数转换后，获得的数据信号输入至数字信号处理器(20)，数字信号处理器(20)对接收的数据信号进行处理，从而获得待测目标的距离。
2.根据权利要求1所述的微波激光雷达一体化***，其特征在于，所述的数字信号处理器(20)对接收的数据信号进行处理，从而获得待测目标的距离的具体过程为：
步骤一：数字信号处理器(20)对接收的数据信号进行傅里叶变换，获得中频信号的频谱F(I)，
步骤二：提取中频信号的频谱F(I)，在调制带宽范围内的最大幅值所对应的峰值频率fI，
步骤三：将峰值频率fI代入下述公式一中进行解算，从而获得待测目标的距离R；
所述的K＝2B/T，
其中，c表示真空中的光速，K表示1号F-P滤波器(3-1)输出的光的频率的调制斜率，τL表示延时时间，B表示调制带宽，T表示调制周期。
3.根据权利要求1所述的微波激光雷达一体化***，其特征在于，所述的1号F-P滤波器(3-1)输出的光为纵模频率随时间线性变化的三角波线性频率调制信号。
4.根据权利要求1所述的微波激光雷达一体化***，其特征在于，所述的2号F-P滤波器(3-2)输出的光为纵模频率不随时间变化的单频信号。
5.根据权利要求1所述的微波激光雷达一体化***，其特征在于，所述的1号F-P滤波器(3-1)接收的驱动信号为三角波电压信号。
6.根据权利要求1所述的微波激光雷达一体化***，其特征在于，所述的2号F-P滤波器(3-2)接收的驱动信号为幅值恒定的电压信号。
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