一种采用光锁相环识别复杂运动目标的相干激光雷达

1.本发明属于相干激光雷达技术领域，特别涉及一种采用光锁相环识别复杂运动目标的相干激光雷达。


背景技术：

2.相干激光雷达具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强、分辨能力强等优势。但相干激光雷达在识别复杂运动目标时，由于目标复杂运动会产生较大的时变的多普勒频移，变化的多普勒频移和微多普勒频率混合，不利于微多普勒频率的提取，而较大的多普勒频移甚至会导致拍频信号超过了探测器的可探测带宽范围，这些都增大了信号采集和处理的难度。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的缺点和不足，本发明提出了一种采用光锁相环识别复杂运动目标的相干激光雷达，通过使光锁相环工作在载波跟踪模式下实时跟踪信号载频实现对复杂运动目标的识别。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种采用光锁相环识别复杂运动目标的相干激光雷达，该激光雷达包括主激光器、可调谐本振激光器、接收光学系统、180
°
混频器、平衡探测器、鉴频鉴相模块、电荷泵、环路滤波器和信号发生器，其中：
5.所述的主激光器用于发射空间连续激光信号至被测运动目标上；
6.所述的可调谐本振激光器用于产生本振光信号，可通过温度和pzt调谐本振光信号频率；
7.所述的接收光学系统用于接收被测运动目标反射/散射的激光回波信号；
8.所述的3db耦合器用于使回波光信号与本振光信号耦合成相位相差180
°
的两路光信号；
9.所述的平衡探测器用于分别响应3db耦合器输出的两路光信号，并对两个光电流之差做跨阻放大；
10.所述的鉴频鉴相模块用于产生频差信号与参考信号上升沿的脉冲差；
11.所述的电荷泵用于响应鉴频鉴相器模块输出的脉宽差，产生对应的充电/放电电流；
12.所述的环路滤波器用于产生可调谐本振激光器的控制电压，同时也用于滤除高频信号，实现载波跟踪的光锁相环；
13.所述的信号发生器用于产生参考信号和主激光器的调制信号；
14.信号发生器产生的调制信号直接调制主激光器的频率，其出射光经振动目标反射后被接收系统接收，再与本振信号发生光混频，然后被平衡探测器探测得到拍频信号，此时与信号发生器产生的参考信号经鉴频鉴相模块检测后可控制电荷泵，并经环路滤波器产生控制可调谐本振激光器的电压信号；
15.进一步地，采用了光锁相技术，补偿了目标复杂平动带来的时变的多普勒频移，保证了拍频信号载频稳定，在此基础上更有利于提取目标的微多普勒频率，降低了相干激光雷达数据处理的难度，可实现相干激光雷达对复杂运动目标的识别。
16.进一步地，采用了鉴频鉴相模块构成光锁相环，通过鉴频鉴相模块中引入参考信号可降低环路的捕获带宽，可更好的抑制环路噪声，保证环路的跟踪性能；此外相较于其他的鉴相器，因鉴频鉴相模块输出的是两信号的脉宽差，所以鉴频鉴相模块既能鉴频又能鉴相；且采用鉴频鉴相模块可鉴别两输入的方波信号的相位差，所以保证了环路增益的稳定。
17.进一步地，通过优化设计环路滤波器使环路工作在载波跟踪模式下，可以使环路能自适应地补偿目标平动带来的变化的多普勒频移，实时跟踪载频的变化，同时保证微多普勒频率则不会被环路补偿。
18.与现有技术相比，本发明所述的采用光锁相环识别复杂运动目标的相干激光雷达的优势在于：
19.该相干激光雷达，通过使光锁相环工作在载波跟踪模式下，补偿了拍频信号的时变的大多普勒频移，在此基础上拍频信号更易被探测，而拍频信号具有稳定的载频，也降低了微多普勒频率提取的难度，从而相干激光雷达可实现对复杂运动目标的识别。
20.该相干激光雷达，采用了鉴频鉴相模块构成光锁相环，通过鉴频鉴相模块中引入参考信号降低环路的捕获带宽，保证了对环路噪声的抑制，保证环路的跟踪性能。此外相较于其他的鉴相器，因鉴频鉴相模块输出的是两信号的脉宽差，所以鉴频鉴相模块既能鉴频又能鉴相。且采用鉴频鉴相模块可鉴别两输入的方波信号的相位差，所以保证了环路增益的稳定。
21.该相干激光雷达，通过优化设计环路滤波器使环路工作在载波跟踪模式下，可以使环路能自适应地补偿目标平动带来的变化的多普勒频移，实时跟踪载频的变化，同时保证微多普勒频率则不会被环路补偿。
附图说明
22.图1为本发明一种采用光锁相环识别复杂运动目标的相干激光雷达的结构示意图。
23.图中附图标记含义为：1为主激光器；2为可调谐本振激光器；3为接收光学系统；4为180
°
混频器；5为平衡探测器；6为鉴频鉴相器；7为电荷泵；8为环路滤波器；9为信号发生器；10为信号处理模块(daq)。
24.图2为将采集的拍频信号做时频处理提取其瞬时频率示意图。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图对本发明作进一步的详细说明。
26.本发明一种采用光锁相环识别复杂运动目标的相干激光雷达，该相干激光雷达包括主激光器1、可调谐本振激光器2、接收光学系统3、180
°
混频器4、平衡探测器5、鉴频鉴相模块6、电荷泵7、环路滤波器8、信号发生器9和信号处理模块(daq)10，其中：
27.所述的主激光器(空间耦合)1用于发射空间连续激光信号至被测目标上；
28.所述的可调谐本振激光器2用于产生本振光信号，可通过温度和pzt调谐本振光信号频率；
29.所述的接收光学系统3用于接收被测目标反射/散射的激光回波信号；
30.所述的180
°
混频器4用于使回波光信号与本振光信号耦合成相位相差180
°
的两路光信号；
31.所述的平衡探测器5用于分别响应180
°
混频器4输出的两路光信号，并对两个光电流之差做跨阻放大；
32.所述的鉴频鉴相模块(pfd)6用于产生拍频信号载频与参考信号上升沿的脉冲差；
33.所述的电荷泵7用于响应鉴频鉴相器模块输出的脉宽差，产生对应的充电/放电电流；
34.所述的环路滤波器8用于产生可调谐本振激光器的控制电压，同时也用于滤除高频信号，实现载波跟踪的光锁相环；
35.所述的信号发生器9用于产生参考信号和主激光器的调制信号；
36.所述的信号处理模块(daq)10用于拍频信号的采集和处理；
37.信号发生器9产生的调制信号直接调制主激光器1的频率，其出射光经振动目标反射后被接收光学系统3接收，再与本振信号发生光混频，然后被平衡探测器5探测得到拍频信号，此时与信号发生器9产生的参考信号经鉴频鉴相模块6检测后可控制电荷泵，并经环路滤波器8产生控制可调谐本振激光器2的电压信号。
38.采用了光锁相技术，补偿了目标复杂平动带来的时变的多普勒频移，保证了拍频信号载频稳定，在此基础上更有利于提取目标的微多普勒频率，降低了相干激光雷达数据处理的难度，可实现相干激光雷达对复杂运动目标的识别。
39.采用了鉴频鉴相模块6构成光锁相环，通过鉴频鉴相模块6中引入参考信号可降低环路的捕获带宽，可更好的抑制环路噪声，保证环路的跟踪性能；此外相较于其他的鉴相器，因鉴频鉴相模块6输出的是两信号的脉宽差，所以鉴频鉴相模块6既能鉴频又能鉴相；且采用鉴频鉴相模块6可鉴别两输入的方波信号的相位差，所以保证了环路增益的稳定。
40.通过优化设计环路滤波器8使环路工作在载波跟踪模式下，可以使环路能自适应地补偿目标平动带来的变化的多普勒频移，实时跟踪载频的变化，同时保证微多普勒频率则不会被环路补偿。
41.实施例1
42.如图1所示，本发明提出的一种采用光锁相环识别复杂运动目标的相干激光雷达，包括线宽为khz量级的1064nm固体激光器作为主激光器1(空间耦合)；具有温度调谐和pzt调谐功能的1064nm固体激光器作为可调谐本振激光器2，其温度调谐系数可达ghz/℃，pzt调谐系数为几十mhz/v；采用准直器作为接收光学系统3、保偏光纤的180
°
混频器4、高带宽的平衡探测器5、adi公司的鉴频鉴相模块6、电荷泵7和环路滤波器8，最终构成环路带宽10hz的光锁相环路；信号发生器9一方面用于产生的调制主激光器的频率的调制信号，以模拟目标的平动，另一方面用于生成鉴频鉴相器的参考信号；信号处理模块(daq)10能采集、处理环路锁定状态下的拍频信号。利用主激光器1发射至运动目标反射/散射的回波信号与可调谐本振激光器2产生的本振光干涉经平衡探测器5得到拍频电信号。利用鉴频鉴相模块6产生拍频信号载频与设定的射频参考频率的单边沿的脉宽差，进而控制电荷泵7产生对应
的充/放电电流。利用环路滤波器8产生驱动可调谐本振激光器2的控制电压信号，利用pzt调谐的方式实现对可调谐本振激光器2输出频率的调控。进而改变拍频信号的频率，最终实现拍频信号载频在相位上与参考频率的锁定，因而可使得相干激光雷达通过工作在载波跟踪模式的光锁相环实现对复杂运动目标的探测，而通过处理载频稳定的拍频信号可识别目标。
43.经过采用光锁相环的相干激光雷达输出的拍频信号锁定在鉴频鉴相器模块6的射频参考信号的相位上。将采集的拍频信号做时频处理，提取其瞬时频率如图2所示，可以明显看出具有稳定载频的拍频信号的瞬时频率，瞬时频率的变化反映了目标的微动特性，即被测目标具有300hz的单频振动，从而可用于识别目标。