CN111337902B - 多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置，激光光源产生光束通过分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束进行宽带线性调频，然后经过不同幅度的移相后驱动相位调制器，使每通道输出光束具有不同的时间延迟；再经分束器分为本振光束和发射光束；将N个发射光束并行发射至目标并接收目标的回波光束，再与对应的本振光束进行相干光混频，获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号的采样数据进行并行快速傅里叶变换和互谱处理，实现目标距离和速度的并行同步测量，最后由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出。本发明能够有效克服测距模糊，具有高重频、大动态测距范围、高分辨率、高精度、可靠性高、体积小和质量轻等优点。

Description

多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置。

背景技术

调频连续波激光雷达将现代雷达技术中的调频连续波测距与激光探测技术相结合。该技术在时间上线性改变发射信号的频率，并测量回波信号与本振信号的差拍信号瞬时频率的方法来获得目标距离信息和径向速度信息。相较于脉冲激光雷达，调频连续波激光雷达具有同步测距测速、测距/测速范围大、分辨率高、多目标探测及目标成像等优势，在自动驾驶、高精度三维成像和遥感测绘等领域得到了广泛应用。

但是目前啁啾调频连续波激光雷达依然存在以下问题：为了取得较大调谐范围从而获得较高距离分辨率，脉冲重复频率(PRF)严重受限；大范围扫频带来的频率调制非线性依然是一个未解决的难题，严重影响测速测距的精度；线性调频去斜解调要求回波信号与本振信号在时域上有重叠，决定了其不适用于较大测距动态范围内的探测。

如图1所示的对称三角线性调频连续波相干激光雷达测距测速信号示意图。注意这里考虑多普勒频移远低于扫频带宽，图中仅仅是为了显示方便。这里定义进行有效频谱分析的时间T_eff，时域信号有效重叠比例η：

当回波光束与本振光束的相对时间差τ_S-τ_L较小时，回波光束可以和本振光束在线性调频阶段可以做到较好的重叠，在探测器上较长一段时间内回波信号和本振信号存在固定频差，频谱分析时，可得到较高的信噪比及谱分辨率。有效重叠比例η(τ)概念可以用于分析距离模糊：

当τ_S-τ_L≈0时，回波信号和本振信号在相同的变频阶段几乎完全重叠，两者在变频阶段的频率差一直是一个固定的值，有效重叠比例为η(0)＝100％；

当

时，有效重叠比例很低，这时获得的信号信噪比很低。

当

时，即回波信号和本振信号在同一时刻变频方向完全相反，在相同的变频阶段完全没有重叠，则两者的频率差不固定，将无法分析出任何有效的频率，有效重叠比例为η(±T/2)＝0％。

当

时，回波信号和本振信号不能和同一个对称三角调频信号在同一个变频方向的线性调频部分重叠，无法测量，这里称为测距模糊。

延迟造成的回波-本振频率差和有效重叠比例均具有周期性。对称三角FMCW激光雷达***探测的飞行距离动态范围小于二分之一个周期所允许的距离。

吴军等提出了双频双调制双本振对称三角线性调频相干测距测速激光雷达体制，扩展了对称三角线性调频测距测速体制的距离作用范围，且有高的探测重复频率(吴军，洪光烈，何志平，舒嵘,一种大测距动态范围高重频相干测距测速激光雷达(Ⅰ)：体制及性能,红外与毫米波学报，2014,Vol.33,No.6,680-690)；理论上，通过延长信号的调制周期可以增加***的测距动态范围，但该方式一方面探测时需要大量采集相干拍频的数据点作频谱分析，另一方面也要求对称三角线性调频的调制时间带宽积增大，而长时间高线性度的宽带线性调频难以实现，大大增加了***复杂性，影响了应用前景。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置。本发明能够有效克服测距模糊，具有高重频、大动态测距范围、高分辨率、高精度、体积小和质量轻等优点。

本发明的技术方案：多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，雷达平台中激光光源产生光束经过放大后通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束进入对应的相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，将射频信号源经过不同幅度的移相后驱动相位调制器，使每通道输出光束具有不同的时间延迟；将每通道输出光束再通过移频器进行移频后，经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将N个通道的发射光束通过各自通道的光学望远镜和光束定向器并行发射至目标，并实现N个通道发射/接收视场的完全匹配；在各个通道的光学望远镜的接收端接收对应目标的回波光束，并与对应的本振光束通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，从而实现目标距离和速度的并行同步测量，最终由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出。

上述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，所述的实现目标距离和速度的同步测量，具体是中频信号中同相信号和正交信号经过滤波和采样处理后，分别进行傅里叶变换，再进行互谱处理取其虚部，再利用重心法提取频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动产生的多普勒频移，然后由多普勒频移得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。

前述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，所述雷达平台中激光光源为窄线宽连续激光光源，经起偏器起偏后由激光放大器放大，再通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束分别经过相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，产生的输出光束为频率线性调制的连续相干激光，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变换，在一个周期内，前半部分为正向调频，后半部分为负向调频；其中，将射频信号源经过移相后驱动相位调制器，实现每个光束的不同时间延迟，然后每通道输出光束经过移频器移频，经过延时和移频后的第n路输出光束的光场表示为：

，

其中，t是时间，E₀是振幅，T为调频周期，f₀为调频初始频率，f_{shift_n}是第n路输出光束的移频量，

为调频速率，B为调频带宽，

是第n路输出光束的移相，

N为正整数，T_{shift_n}∈[0,T)，

φ_up(n)为第n个输出光束脉冲上升段的初始位相，φ_down(n)为第n个输出光束脉冲下降段的初始位相，exp是以自然常数e为底的指数函数，

前述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，所述第n路输出光束经过延时和移频后，再经过1×2分束器分束，小部分能量作为本振光束，本振光束为时间延迟τ_L的线性调频信号，光场表示为：

，

其中，E_L是本振光束振幅，φ_LO是本振光束的噪声位相；

大部分能量作为发射光束，经过空间光学环形器，再通过光学望远镜和光束定向器发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束为时间延迟τ_S的线性调频信号，表示为：

其中，E_S是回波光束振幅，φ_S是回波光束的噪声位相；

经过相同移频的目标回波光束和本振光束合束后光场表示为：

回波光束的时间延迟τ_S与本振光束的时间延迟τ_L的关系表示为：

其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移，

所述的回波光束和本振光束经过2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：

，

，

其中，φ_N-n是第n路输出光束混频噪声位相，I_s是和回波光束有关的直流量；I_o是和本振光束有关的直流量；

光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号；所述的正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

所述的负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

其中k_in是接收同相信号的光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的光电平衡探测器响应率，φ_i-n和φ_q-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相；

将同相和正交通道的振幅用下式来代替：

正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：

负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：

同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波，由模数转换器完成模数转换，再由现场可编程门阵列采集进行并行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：

，

正交信号傅里叶变换表示为：

，

两通道进行互谱处理：

，

最后仅取虚部得到

Img＝δ²(f-f_n)-δ²(f+f_n)，

通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频频率值：

由上式可以得到：

上式中，f_n-up是正向调频过程中的中频频率值，f_n-down是负向调频过程中的中频频率值；

由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为

式中，λ是输出光束波长，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；

由上式得到目标点的距离：

式中，

为调频速率，B为调频带宽，T为调频周期；

主控计算机将采集到的N个通道点云图像合并，获取一个调频周期T时间内目标坐标的空间点集：

P(x_{P_n}，y_{P_n}，z_{P_n})为目标P在第n个通道探测到的空间坐标系中的坐标位置；

该空间点集∑P即为最终显示的3D点云图像。

前述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，所述同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波去除串扰信号具体是，所述串扰信号表示为：

，E_{S_m}表示为串扰的回波光束振幅，E_{LO_n}表示为第n个回波光束对应的本振光束振幅；

串扰信号数据中包含频率为|f_{shift_n}-f_{shift_m}|项，通过低通滤波器对其进行滤波处理，消除高频串扰信号，提高单路输出光束的探测精度。

实现如前述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法的装置，包括激光光源，所述激光光源的输出端依次连接有起偏器和激光放大器，所述激光放大器的输出端经1×N分束器连接有N个相位调制器；每个所述的相位调制器均连接有移相器，N个移相器一同连接有射频信号源，所述相位调制器经光学滤波器连接有移频器，移频器的输出端连接有1×2分束器，所述1×2分束器连接有光学环形器；

所述光学环形器的输出端依次连接有光学望远镜和光束定向器；所述光学环形器和1×2分束器一同连有光学桥接器；所述光学桥接器的输出端依次连接有光电平衡探测器和低通滤波器；所述低通滤波器经模数转换器连接有现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列的输出端连接有主控计算机；所述主控计算机还与光束定向器连接。

与现有技术相比，本发明通过将激光光源产生光束经过放大后通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束经过延时和移频后，再经1×2分束器分为本振光束和发射光束；然后将N个通道的发射光束通过光学望远镜和光束定向器并行发射至目标，并实现N个通道发射/接收视场的完全匹配；在接收端接收目标的回波光束，并与对应的本振光束通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，从而实现目标距离和速度的并行同步测量。由此本发明可以获得同一目标N个包含目标距离和速度信息的中频信号且并行输出，再使用现场可编程门阵列对获得的N个中频信号进行实时的并行快速傅里叶变换(FFT)和互谱处理，就可以实现对目标距离和速度的并行同步测量。目前的激光雷达存在高重频的问题，即脉冲式雷达、连续波式雷达通过发出脉冲序列，在目标距离一定的情况下，如果序列之间的时间间隔过短或频率太高，在接收端就难以分辨脉冲序列对应的回波，从而造成测距模糊，目前原则上只有伪随机码可以解决高重频的问题，但是采用伪随机码测距对硬件要求很高，而且需要补偿多普勒频移引入的频谱展宽问题，可实现难度大。因此本发明采用多个通道进行输出光束的发射，即按顺序将第1路输出光束、第2路输出光束直至最后1路输出光束分别延时和移频后发射，然后重复此过程，因此可以在一定的重复频率下，测距动态范围可以提高N倍，有效克服了测距动态范围模糊；或者在一定的测距动态范围下，重复频率可以提高N倍，因此具有高重频、大动态测距范围优点；本发明由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出，实现了高分辨3D成像；本发明采用N个通道输出光束的并行发射/接收，每通道输出光束发射/接收同轴，有利于集成小型化，降低了***的复杂性，实现每通道输出光束发射/接收视场的完全匹配，而且本发明采用分布式结构，减小了整体装置的体积，即使个别通道发生损坏也不会造成***瘫痪，从而具有体积小、质量轻、可靠性高、高分辨率、高精度等优点。本发明在车载、机载和星载等领域具有良好的发展前景。

附图说明

图1是对称三角线性调频连续波相干激光雷达回波光束-本振光束的波形关系和测距测速中频信号示意图。

图2是本发明的结构示意图。

图3是对称三角线性频率调制波形及频率调制延时的示意图；

附图中的标记为：1、激光光源；2、起偏器；3、激光放大器；4、1×N分束器；5、相位调制器；6、移频器；7、1×2分束器；8、光学环形器；9、光学望远镜；10、光束定向器；11、光学桥接器；12、光电平衡探测器；13、低通滤波器；14、模数转换器；15、现场可编程门阵列；16、主控计算机；17、移相器；18、射频信号源；19、光学滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：雷达平台中窄线宽连续激光光源产生光束经过放大后通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束分别经过相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，用于后续的测速和测距，其中，将射频信号源经过移相后驱动相位调制器，实现每通道输出光束的不同时间延迟，既在一个周期时间T内，第一路输出光束不延时发射，第二路输出光束经过

的延时后进行发射，第三路输出光束经过

的延时后进行发射，……，第n路输出光束经过

的延时后进行发射,直至最后一路输出光束经过

的延时后进行发射；将N个经过延时的输出光束分别再经过移频器进行移频，然后经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将N个通道的发射光束通过光学望远镜和光束定向器并行发射至目标，并实现N个通道发射/接收视场的完全匹配；在各个通道的光学望远镜的接收端接收对应目标的回波光束，回波光束经过光学环形器后并与对应的本振光束通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，从而实现目标距离和速度的并行同步测量；最终，由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出。实现上述方法的装置，如图2所所示，包括激光光源1，所述激光光源1的输出端依次连接有起偏器2和激光放大器3，所述激光放大器3的输出端经1×N分束器4连接有N个相位调制器5；每个所述的相位调制器5均连接有移相器17，N个移相器17一同连接有射频信号源18，所述相位调制器5经光学滤波器19连接有移频器6，移频器6的输出端连接有1×2分束器7，所述1×2分束器7连接有光学环形器8；

所述光学环形器8的输出端依次连接有光学望远镜9和光束定向器10；所述光学环形器8和1×2分束器7一同连有光学桥接器11；所述光学桥接器11的输出端依次连接有光电平衡探测器12和低通滤波器13；所述低通滤波器13经模数转换器14连接有现场可编程门阵列15，所述现场可编程门阵列15的输出端连接有主控计算机16；所述主控计算机16还与光束定向器10连接，主控计算机用于控制光学定向器10的指向和实现N个通道点云图像的合并输出，以及其他传感器数据采集和决策任务。

实施例2：多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，如图1所示，包括激光光源1，激光光源1采用人眼安全的1550nm单模窄线宽连续光纤激光器，激光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护，经过起偏器2起偏，确保偏振消光比大于25dB，经过掺铒光纤放大器3放大至600mW，然后偏振光通过1×2分束器4分成2路输出光束，每个光束先后经过光纤相位调制器和光学滤波器，采用调频信号发生器产生的调频信号和基频信号发生器产生的基频信号的混频信号作为光纤相位调制器的驱动信号，驱动光纤相位调制器产生调频激光信号，并通过光学滤波器抑制谐波保留所需阶次的调频激光信号,输出光束采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变换，在一个周期内，前半部分为正向调频，后半部分为负向调频。调频带宽2.5GHz，调频速率0.5PHz/s，调频周期10μs，重复频率100kHz；本实施例中以两路输出光束为例，第1路输出光束不经过延时，第2路输出光束的射频信号源经过π移相后驱动相位调制器，实现光束时间延迟，第1路输出光束移频量为0MHz，第2路输出光束经过移频器6移频，移频量为150MHz，如图2所示；

第2路输出光束的光场表示为：

，

其中，n＝2，t是时间，E₀是振幅，T为调频周期，f₀为调频初始频率，f_{shift_n}是第n路输出光束的移频量，

为调频速率，B为调频带宽，

是第n路输出光束的移相，

N为正整数，T_{shift_n}∈[0,T)，

φ_up(n)为第n个发射激光脉冲上升段的初始位相，φ_down(n)为第n个发射激光脉冲下降段的初始位相，exp是以自然常数e为底的指数函数，

然后经过1×2分束器7出射出本振光束和发射光束，考虑到插损，每道光束的功率约250mW，输出两路光强度为1:99，小部分能量作为本振光速；

如图3所示，本振光束为时间延迟τ_L的线性调频信号，光场表示为：

，

其中，E_L是本振光束振幅，φ_LO是本振光束的噪声位相；大部分能量作为发射光束，经过光学环形器8(光纤三端口环形器)，再通过发射/接收光学望远镜9和光束定向器8发射至目标，实并由光学望远镜接收目标的回波光束，实现N个通道发射/接收视场的完全匹配；

回波光束为时间延迟τ_S的线性调频信号；表示为：

其中，E_S是回波光束振幅，φ_S是回波光束的噪声位相；

经过相同移频的目标回波光束和本振光束合束后光场表示为：

回波光束的时间延迟τ_S与本振光束的时间延迟τ_L的关系表示为：

其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移，

所述的回波光束和本振光束经过2×490°光学桥接器11混频后的四路输出分别为：

，

，

其中，φ_N-n是第n路输出光束混频噪声位相，I_s是和回波光束有关的直流量；I_o是和本振光束有关的直流量；

光学桥接器11输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器12进行接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号；所述的正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

所述的负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：：

其中k_in是接收同相信号的光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的光电平衡探测器响应率，φ_i-n和φ_q-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相；

将同相和正交通道的振幅用下式来代替：

正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：

负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：

对于其他输出光束的串扰信号表示为：

E_{S_m}表示为串扰的回波光束振幅，E_{LO_n}表示为第n个回波光束对应的本振光束振幅；

串扰信号数据中包含频率为|f_{shift_n}-f_{shift_m}|项，通过低通滤波器13对其进行滤波处理，消除高频串扰信号，提高单路输出光束的探测精度；

所述同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波13后，由模数转换器14完成模数转换，再由现场可编程门阵列15采集进行并行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：

，

正交信号傅里叶变换表示为：

，

两通道进行互谱处理：

，

最后仅取虚部得到

Img＝δ²(f-f_n)-δ²(f+f_n)，

在主控计算机16中，通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的频率值：

由上式可以得到：

上式中，f_n-up是正向调频过程中的中频频率值，f_n-down是负向调频过程中的中频频率值；

由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动。因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为

式中，λ是输出光束波长，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；

由上式得到目标点的距离：

式中，

为调频速率，B为调频带宽，T为调频周期。

主控计算机将采集到的N个通道点云图像合并，获取一个调频周期T时间内目标坐标的空间点集：

P(x_{P_n}，y_{P_n}，z_{P_n})为目标P在第n个通道探测到的空间坐标系中的坐标位置；

该空间点集∑P即为最终显示的3D点云图像。

本实施例中的测距动态范围为1500m，重复频率200kHz，比常规方案提高1倍。

综上所述，本发明可以获得同一目标N个包含目标距离和速度信息的中频信号且并行输出，每通道输出光束具有不同的时间延迟，再使用现场可编程门阵列对获得的N个中频信号进行实时的并行快速傅里叶变换(FFT)和互谱处理，就可以实现对目标距离和速度的并行同步测量，在一定的重复频率下，测距动态范围可以提高N倍；或者在一定的测距动态范围下，重复频率可以提高N倍，因此具有高重频、大动态测距范围的优点；主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出，实现了高分辨3D成像；本发明采用N个输出光束的并行发射/接收，每通道输出光束发射/接收同轴，采用分布式结构，实现N通道输出光束发射/接收视场的完全匹配，即使个别通道发生损坏也不会造成***瘫痪，从而具有体积小、质量轻、可靠性高、高分辨率、高精度等优点。

Claims (5)

1.多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：雷达平台中激光光源产生光束经过放大后通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束进入对应的相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，将射频信号源经过不同幅度的移相后驱动相位调制器，使每通道输出光束具有不同的时间延迟；将每通道输出光束再通过移频器进行移频后，经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将N个通道的发射光束通过各自通道的光学望远镜和光束定向器并行发射至目标，并实现N个通道发射/接收视场的完全匹配；在各个通道的光学望远镜的接收端接收对应目标的回波光束，并与对应的本振光束通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，从而实现目标距离和速度的并行同步测量，最终由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出；

所述的实现目标距离和速度的同步测量，具体是中频信号中同相信号和正交信号经过滤波和采样处理后，分别进行傅里叶变换，再进行互谱处理取其虚部，再利用重心法提取频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动产生的多普勒频移，然后由多普勒频移得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。

2.根据权利要求1所述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述雷达平台中激光光源为窄线宽连续激光光源，经起偏器起偏后由激光放大器放大，再通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束分别经过相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，产生的输出光束为频率线性调制的连续相干激光，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变换，在一个周期内，前半部分为正向调频，后半部分为负向调频；其中，将射频信号源经过移相后驱动相位调制器，实现每个光束的不同时间延迟，然后每个通道的输出光束经过移频器移频，经过延时和移频后的第n路输出光束的光场表示为：

其中，t是时间，E₀是振幅，T为调频周期，f₀为调频初始频率，f_{shift_n}是第n路输出光束的移频量，

为调频速率，B为调频带宽，

是第n路输出光束的移相，

K为正整数，T_{shift_n}∈[0，T)，

φ_up(n)为第n个输出光束脉冲上升段的初始位相，φ_down(n)为第n个输出光束脉冲下降段的初始位相，exp是以自然常数e为底的指数函数，

3.根据权利要求2所述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述第n路输出光束经过延时和移频后，再经过1×2分束器分束，小部分能量作为本振光束，本振光束为时间延迟τ_L的线性调频信号，光场表示为：

其中，E_L是本振光束振幅，φ_LO是本振光束的噪声位相；

大部分能量作为发射光束，经过空间光学环形器，再通过光学望远镜和光束定向器发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束为时间延迟τ_S的线性调频信号，表示为：

其中，E_S是回波光束振幅，φ_S是回波光束的噪声位相；

经过相同移频的目标回波光束和本振光束合束后光场表示为：

；

回波光束的时间延迟τ_S与本振光束的时间延迟τ_L的关系表示为：

其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移，

所述的回波光束和本振光束经过2×4 90°光学桥接器混频后的四路输出分别为：

，

，

其中，φ_N-n是第n路输出光束混频噪声位相，I_s是和回波光束有关的直流量；I_o是和本振光束有关的直流量；

光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号；所述的正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

所述的负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为：

，

其中k_in是接收同相信号的光电平衡探测器响应率，k_qu是接收正交信号的光电平衡探测器响应率，φ_i-n和φ_q-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相；

将同相和正交通道的振幅用下式来代替：

正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：

负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为：

同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波，由模数转换器完成模数转换，再由现场可编程门阵列采集进行并行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：

，

正交信号傅里叶变换表示为：

，

两通道进行互谱处理：

，

最后仅取虚部得到

Img＝δ²(f-f_n)-δ²(f+f_n)，

通过重心法提取频谱峰值位置和正负，就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频频率值：

由上式可以得到：

上式中，f_n-up是正向调频过程中的中频频率值，f_n-down是负向调频过程中的中频频率值；

由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为

式中，λ是输出光束波长，f_Doppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移；

由上式得到目标点的距离：

式中，

为调频速率，B为调频带宽，T为调频周期；

主控计算机将采集到的N个通道点云图像合并，获取一个调频周期T时间内目标坐标的空间点集：

P(x_{P_n}，y_{P_n}，z_{P_n})为目标P在第n个通道探测到的空间坐标系中的坐标位置；

该空间点集∑P即为最终显示的3D点云图像。

4.根据权利要求3所述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波去除串扰信号，具体是，所述串扰信号表示为：

E_{S_m}表示为串扰的回波光束振幅，E_{LO_n}表示为第n个回波光束对应的本振光束振幅；

串扰信号数据中包含频率为|f_{shift_n}-f_{shift_m}|项，通过低通滤波器对其进行滤波处理，消除高频串扰信号，提高单路输出光束的探测精度。

5.实现如权利要求1-4任一项所述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法的装置，其特征在于：包括激光光源(1)，所述激光光源(1)的输出端依次连接有起偏器(2)和激光放大器(3)，所述激光放大器(3)的输出端经1×N分束器(4)连接有N个相位调制器(5)；每个所述的相位调制器(5)均连接有移相器(17)，N个移相器(17)一同连接有射频信号源(18)，所述相位调制器(5)经光学滤波器(19)连接有移频器(6)，移频器(6)的输出端连接有1×2分束器(7)，所述1×2分束器(7)连接有光学环形器(8)；

所述光学环形器(8)的输出端依次连接有光学望远镜(9)和光束定向器(10)；所述光学环形器(8)和1×2分束器(7)一同连有光学桥接器(11)；所述光学桥接器(11)的输出端依次连接有光电平衡探测器(12)和低通滤波器(13)；所述低通滤波器(13)经模数转换器(14)连接有现场可编程门阵列(15)，所述现场可编程门阵列(15)的输出端连接有主控计算机(16)；所述主控计算机(16)还与光束定向器(10)连接。

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