專利名稱：基于啁啾調制機理的激光雷達的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于啁啾調制機理的激光雷達，屬于激光測量技術領域。
背景技術：
激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。激光雷達采用脈沖或連續波兩種工作方式。脈沖式激光雷達技術是利用了激光在空氣中傳播速度基本恒定的特性，通過測定激光脈沖的一個往返時間來確定接收器與被測目標之間的距離。現有脈沖激光測距可以對遠距離目標進行測量(可達到幾十千米的距離)，但是測量精度不高(可達到米量級的精度)。[霍玉晶，楊成偉，陳千頌.脈沖激光測距光源進展.《激光與紅外》· 2002，32 (3) 131-134]。高速光探測器技術中，由于本征光電二極管(簡稱PIN)探測器的制作工藝較為簡單，而且能夠得到非常高的響應速度，因此各種不同響應速度的PIN光電探測器得到極大的發展。[劉家洲，李愛珍，張永剛.光通信波段超高速PIN光電探測器的新進展.《半導體光電》· 2001，22 (4) : 227-232]ATP高速二維跟蹤轉臺技術，實質上是地面跟蹤轉臺在天文學方面的應用，是實現空間目標的捕獲(Acquisition)、跟蹤(Tracking)和貓準(Pointing)的重要設備。主要完成大范圍、高概率和快速空間捕獲和兩運動平臺間高精度視軸對準和動態跟蹤。[張濤，梁雁冰，許峰，王晨，馮希.星載ATP平臺的建模與仿真.《系統仿真學報》2009，12: 3813-3815]。連續波激光雷達系統是公知的，并且已經廣泛應用了多年。在具有改善了頻率掃描線性的頻率調制連續波(FMCW)雷達專利中，主要對參考差頻信號與發射信號和回波信號混合所產生的差頻信號進行分析計算，針對性研究提高頻率掃描的線性，得到更精確的目標信息。而本發明涉及一種基于啁啾調制機理的激光雷達，回波信息與時基信號進行混頻，通過計算機高效的信號處理和數據計算能力，可對多目標進行識別，適合用于薄霧，樹林等具有一定遮蔽障礙情況下進行穿透性目標探測。
發明內容
為了解決激光雷達實現多目標測量的問題，本發明之基于啁啾調制機理的激光雷達，其包括啁啾調制器I、放大器A2、加法器3、激光器4、望遠鏡A5、激光器驅動器6、望遠鏡 B7、探測器8、放大器B9、模數轉換器A/D10、計算機11、顯示器12和ATP高速二維跟蹤轉臺 13 ；其中，啁啾調制器I、模數轉換器A/D10和ATP高速二維跟蹤轉臺13分別與計算機 11連接；啁啾調制器I與放大器A2連接；加法器3與放大器A2、激光器驅動器6和激光器 4連接；激光器4與望遠鏡A5連接；望遠鏡B7、探測器8、放大器B9和模數轉換器A/D10順次連接；計算機11和顯示器12連接；
啁啾調制器I、放大器A2、加法器3、激光器4、望遠鏡A5、激光器驅動器6、望遠鏡 B7、探測器8、放大器B9和模數轉換器A/D10均固定放置在ATP高速二維跟蹤轉臺13上，上述所有裝置隨ATP高速二維跟蹤轉臺13 —起轉動；啁啾調制器I為啁啾調制激光信號發生器，啁啾信號頻率為200到800兆赫茲；放大器A2為功率放大器，優選增益帶寬為200-800兆赫茲，放大倍率15倍，噪聲系數小于3分貝，接收增益大于15分貝；望遠鏡A5和望遠鏡B7均優選口徑為15厘米的望遠鏡；探測器8優選PIN光電探測器；放大器B9為功率放大器，優選放大倍數100倍，噪聲系數小于O. I分貝；計算機11中存儲有管理及運行軟件，計算機11能進行人機交互、信號處理、控制和數據計算；ATP高速二維跟蹤轉臺13的角度分辨率5毫弧度，響應時間50毫弧度/秒，承載重量100千克；啁啾調制器I的信號分為兩路，一路進入計算機11作為時基信號，同時另一路經放大器A2放大進入加法器3與激光器驅動器6的輸入信號進行疊加,作為激光器4的激勵源，激光器4產生啁啾調制式的激光信號通過望遠鏡A5發射出去，輻照目標；望遠鏡B7接收回波信號，回波信號進入探測器8轉換為電信號，該電信號經放大器B9放大后，通過模數轉換器A/D10進入計算機11 ；激光器4產生啁啾調制式的激光信號發射出去，啁啾信號的相位被距離調制，回波含有距離信息，探測器8采用同時探測空間位置和回波相位信息，其響應送入計算機11， 通過數據解調算法得出測量目標的坐標和速度；在計算機11中將回波信號與時基信號進行混頻，再通過數據解調算法從混頻信號中得到相位的改變量，因為光波在傳播過程中每傳播λ的距離，相位就變化2ji，所以距離R、光波往返相位差Δφ和光波波長λ之間存在
一定的關系R=i^，從而得到距離信息；
4π采用ATP高速二維跟蹤轉臺13進行周期性掃描的方式測定目標的速度，預先在計算機中設置ATP高速二維跟蹤轉臺13的掃描范圍w和掃描速度V，掃描一次的時間是t =通過ATP高速二維跟蹤轉臺13的掃描，第一個掃描周期得到目標的距離R1，并記錄空間位置，第二個掃描周期得到目標的距離R2，并記錄空間位置，則可得到兩次測量中目標的轉角Θ，進而得到兩次測量目標運動的直線距離L= (R2)2+(Rl)2-2R1R2coS Θ，由轉角 Θ與掃描速度V得到目標運動的時間T= 0八，進而得到目標速度￥ = 171';依上述操作步驟，重復多次掃描，得到目標的平均速度；計算得到激光雷達與目標之間的距離R和目標速度V通過顯示器12顯示，或者打印出來。所述的軟件流程圖如圖2所示。結合硬件介紹軟件流程并說明本發明的基于啁啾調制機理的激光雷達的運行方法的步驟如下執行步驟21，開始，初始化；執行步驟22，在計算機11中設置ATP高速二維跟蹤轉臺13的掃描范圍w和掃描速度V ;執行步驟23，啁啾調制器I的信號分為兩路，一路進入計算機11作為時基信號，同時另一路經放大器A2放大，進入加法器3與激光器驅動器6的信號進行疊加，作為激光器 4的激勵源，激光器4產生啁啾調制式的激光信號，通過望遠鏡A5發射出去，輻照目標；執行步驟24，望遠鏡B7接收回波信號，回波信號進入探測器8，轉換為電信號，經放大器B9放大后，通過模數轉換器A/D10進入計算機11 ；若在一個周期內，沒有接收到回波信號，則返回步驟22 ；執行步驟25，激光器4所發射的激光脈沖被調制為啁啾信號，發射出去，啁啾信號的相位被距離調制，回波含有距離信息，探測器8采用同時探測空間位置和回波相位信息， 其響應送入計算機11，通過數據解調算法得出測量目標的坐標和速度；在計算機11中將回波信號與時基信號進行混頻，再通過數據解調算法從混頻信號中得到相位的改變量，因為光波在傳播過程中每傳播λ的距離，相位就變化2 π，所以距離R、光波往返相位差Δφ和光
波波長λ之間存在一定的關系R=i^，從而得到距離信息；
4π 執行步驟26，記錄目標空間位置；執行步驟27，記錄測量的距離結果R ；執行步驟28，通過ATP高速二維跟蹤轉臺13的掃描，第一個掃描周期得到目標的距離R1，并記錄空間位置，第二個掃描周期得到目標的距離R2，并記錄空間位置，則可得到兩次測量中目標的轉角Θ，進而得到兩次測量目標運動的直線距離L = (R2)2+(Rl)2-2R1R2coS Θ，由轉角Θ與掃描速度v得到目標運動的時間T = θ/ν，則可知目標速度V = L/T ；依上述操作步驟，重復多次掃描測量，得到目標的平均速度；執行步驟29，記錄測量的速度結果V ；執行步驟30，計算機11將計算得到激光雷達與目標之間的距離R和目標速度V輸出，通過顯示器12顯示,或者打印出來；執行步驟31，結束。有益效果本發明結合了啁啾調制激光信號技術、高速光電探測技術和高速二維跟蹤轉臺技術，采用啁啾調制機理的激光發射源，高速PIN探測器探測回波信號，ATP高速二維跟蹤轉臺進行周期性掃描的方式測定目標的距離和速度信息，可實現對幾千米距離的目標進行距離精度可達到毫米量級的探測，由于發射激光信號具有大時寬帶寬積且具有很強的多目標識別能力(如圖4-1、4-2所示，可得到多距離目標回波信號，通過計算機處理可得到多目標信息)，適合用于薄霧，樹林等具有一定遮蔽障礙情況下進行穿透性目標探測 (對于薄霧是連續發射體，樹林是靜止體，它們的回波信息與目標的回波信息在數據處理時易進行分辨)。本發明結構設計巧妙，可應用于軍事、航空航天以及海洋考察等。
圖I是本發明基于啁啾調制機理的激光雷達結構示意框圖；圖2是本發明基于啁啾調制機理的激光雷達的流程圖。圖3-1、3_2分別是本發明基于啁啾調制機理的激光雷達的500米距離回波及距離信息提取仿真結果，圖4-1、4_2分別是本發明基于啁啾調制機理的激光雷達的多距離目標回波混頻信號及距離信息提取的仿真結果。
具體實施例方式實施例I 一種基于啁啾調制機理的激光雷達，其包括啁啾調制器I、放大器A2、加法器3、激光器4、望遠鏡A5、激光器驅動器6、望遠鏡B7、探測器8、放大器B9、模數轉換器 A/D10、計算機11、顯示器12和ATP高速二維跟蹤轉臺13 ；其中，啁啾調制器I、模數轉換器A/D10和ATP高速二維跟蹤轉臺13分別與計算機 11連接；啁啾調制器I與放大器A2連接；加法器3與放大器A2、激光器驅動器6和激光器 4連接；激光器4與望遠鏡A5連接；望遠鏡B7、探測器8、放大器B9和模數轉換器A/D10順次連接；計算機11和顯示器12連接；啁啾調制器I、放大器A2、加法器3、激光器4、望遠鏡A5、激光器驅動器6、望遠鏡 B7、探測器8、放大器B9和模數轉換器A/D10均固定放置在ATP高速二維跟蹤轉臺13上，上述所有裝置隨ATP高速二維跟蹤轉臺13 —起轉動；啁啾調制器I為啁啾調制激光信號發生器，啁啾信號頻率為200到800兆赫茲；放大器A2為功率放大器，增益帶寬為200-800兆赫茲，放大倍率15倍，噪聲系數小于3分貝，接收增益大于15分貝；望遠鏡A5和望遠鏡B7均為口徑為15厘米的望遠鏡；探測器8為PIN光電探測器；放大器B9為功率放大器，放大倍數100倍，噪聲系數小于O. I分貝；計算機11中存儲有管理及運行軟件，計算機11能進行人機交互、信號處理、控制和數據計算；ATP高速二維跟蹤轉臺13的角度分辨率5毫弧度，響應時間50毫弧度/秒，承載重量100千克；啁啾調制器I的信號分為兩路，一路進入計算機11作為時基信號，同時另一路經放大器A2放大進入加法器3與激光器驅動器6的輸入信號進行疊加,作為激光器4的激勵源，激光器4產生啁啾調制式的激光信號通過望遠鏡A5發射出去，輻照目標；望遠鏡B7接收回波信號，回波信號進入探測器8轉換為電信號，該電信號經放大器B9放大后通過模數轉換器A/D10進入計算機11 ；激光器4產生啁啾調制式的激光信號發射出去，啁啾信號的相位被距離調制，回波含有距離信息，探測器8采用同時探測空間位置和回波相位信息，其響應送入計算機11， 通過數據解調算法得出測量目標的坐標和速度；在計算機11中將回波信號與時基信號進行混頻，再通過數據解調算法從混頻信號中得到相位的改變量，因為光波在傳播過程中每傳播λ的距離，相位就變化2ji，所以距離R、光波往返相位差Δφ和光波波長λ之間存在
一定的關系
權利要求
1.一種基于啁啾調制機理的激光雷達，其特征在于，其包括啁啾調制器(I)、放大器 A (2)、加法器(3)、激光器(4)、望遠鏡A (5)、激光器驅動器(6)、望遠鏡B (7)、探測器(8)、放大器B (9)、模數轉換器A/D (10)、計算機(11)、顯示器(12)和ATP高速二維跟蹤轉臺(13)；其中，啁啾調制器(I)、模數轉換器A/D(10)和ATP高速二維跟蹤轉臺(13)分別與計算機(11)連接；啁啾調制器⑴與放大器A(2)連接；加法器(3)與放大器A(2)、激光器驅動器(6)和激光器(4)連接；激光器(4)與望遠鏡A (5)連接；望遠鏡B (7)、探測器(8)、放大器B(9)和模數轉換器A/D (10)順次連接；計算機(11)和顯示器(12)連接；啁啾調制器(I)、放大器A(2)、加法器(3)、激光器(4)、望遠鏡A(5)、激光器驅動器(6)、望遠鏡B (7)、探測器(8)、放大器B (9)和模數轉換器A/D(10)均固定放置在ATP高速二維跟蹤轉臺(13)上，上述所有裝置隨ATP高速二維跟蹤轉臺(13) —起轉動；啁啾調制器(I)為啁啾調制激光信號發生器；放大器A(2)為功率放大器；放大器B(9) 為功率放大器；計算機(11)中存儲有管理及運行軟件，計算機(11)能進行人機交互、信號處理、控制和數據計算；啁啾調制器(I)的信號分為兩路，一路進入計算機(11)作為時基信號，同時另一路經放大器A(2)放大進入加法器(3)與激光器驅動器(6)的輸入信號進行疊加，作為激光器(4)的激勵源，激光器(4)產生啁啾調制式的激光信號，通過望遠鏡A (5)發射出去，輻照目標；望遠鏡B(7)接收回波信號，回波信號進入探測器(8)，轉換為電信號，該電信號經放大器B(9)放大后，通過模數轉換器A/D(10)進入計算機(11)；激光器(4)產生啁啾調制式的激光信號發射出去，啁啾信號的相位被距離調制，回波含有距離信息，探測器(8)采用同時探測空間位置和回波相位信息，其響應送入計算機(11)，通過數據解調算法得出測量目標的坐標和速度；在計算機(11)中將回波信號與時基信號進行混頻，再通過數據解調算法從混頻信號中得到相位的改變量，得到測量距離p_A X Δ爐4π式中，Δφ為光波往返相位差，λ為光波波長；采用ATP高速二維跟蹤轉臺(13)進行周期性掃描的方式測定目標的速度，預先在計算機(11)中設置ATP高速二維跟蹤轉臺(13)的掃描范圍w和掃描速度V，掃描一次的時間是 t = w/v ；通過ATP高速二維跟蹤轉臺(13)的掃描，第一個掃描周期得到目標的距離R1，并記錄空間位置，第二個掃描周期得到目標的距離R2，并記錄空間位置，則可得到兩次測量中目標的轉角Θ，進而得到兩次測量目標運動的直線距離L= (R2)2+(R1)2-2R1R2cos Θ，由轉角Θ 與掃描速度V得到目標運動的時間T = Θ /V，進而得到目標速度V = L/T ;依上述操作步驟，重復多次掃描，得到目標的平均速度；計算得到激光雷達與目標之間的距離R和目標速度V通過顯示器(12)顯示，或者打印出來。
2.如權利要求I所述的一種基于啁啾調制機理的激光雷達，其特征在于，所述的啁啾調制器(I)的啁啾信號頻率為200到800兆赫茲；放大器A (2)的增益帶寬為200-800兆赫茲，放大倍率15倍，噪聲系數小于3分貝，接收增益大于15分貝；望遠鏡A(5)和望遠鏡 B (7)均為口徑為15厘米的望遠鏡；探測器(8)為PIN光電探測器；放大器B (9)為功率放大器，放大倍數100倍，噪聲系數小于O. I分貝；ATP高速二維跟蹤轉臺(13)的角度分辨率: 5毫弧度，響應時間50毫弧度/秒，承載重量100千克。
全文摘要
本發明提供基于啁啾調制機理的激光雷達，包括啁啾調制器、放大器A、加法器、激光器、望遠鏡A、激光器驅動器、望遠鏡B、探測器、放大器B、模數轉換器A/D、計算機、顯示器和ATP高速二維跟蹤轉臺；結合了啁啾調制激光信號技術、高速光電探測技術和高速二維跟蹤轉臺技術，采用啁啾調制機理的激光發射源，高速PIN探測器探測回波信號，ATP高速二維跟蹤轉臺進行周期性掃描的方式測定目標的距離和速度信息，可實現對幾千米距離的目標進行距離精度可達到毫米量級的探測，由于發射激光信號具有大時寬帶寬積且具有很強的多目標識別能力，適合用于薄霧，樹林等具有一定遮蔽障礙情況下進行穿透性目標探測，用于軍事、航空航天以及海洋考察等。
文檔編號G01S17/36GK102590822SQ20121000533
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者寧成達, 楊家偉, 楊進華, 石晶, 蔡紅星, 譚勇, 郭沫然, 金琨, 高明希 申請人:長春理工大學