一种激光相干探测中本振光优化方法及激光探测系统与流程

1.本发明涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种激光相干探测中本振光优化方法及激光探测系统。


背景技术：

2.在已知的激光探测系统中，强度体制是将激光信号直接转换成电信号。光电探测器输出的电信号幅度正比于接收的光功率，不要求信号具有相干性，因此这种探测方法又称为非相干探测，由于其实现简单、成本较低、长期稳定性好等特点得到广泛的应用。但在探测灵敏度及抗干扰性能上，相干探测有显著的优势。
3.由于激光的单色性很高，其谱线极窄，因而可以利用两个激光信号在光频段进行混频实现光的相干探测。与强度体制方法相比，相干探测多了一个本振光和光束合成混频器，激光相干探测技术在两路光信号混频过程中实现了对信号光的大幅度增益，因此通常其探测灵敏度高于强度体制10-20db；且相干探测的接收带宽很窄，具有很强的波长选择性，使得其对宽带背景光噪声能够起到抑制作用，抗干扰性能更优越。
4.激光相干探测是用一路本振光和接收到的信号光进行相干混频，对探测器响应的差频信号进行解算得出距离、速度等目标信息的探测方式，与直接探测比较，相干探测引入本振参考光，若光电探测器响应随信号光功率线性变化，则可以提高本振光功率实现信号光功率起放大作用。但实际上探测器的响应随信号光功率是非线性的，随着输入功率的增大探测器会出现饱和，若继续增加本振光功率，信噪比反会随着本振光功率的增大而减小。同时，过高的本振光功率会产生附加的散粒噪声，且本振光功率越大散粒噪声越大。
5.当用激光相干探测进行远距离目标探测时，由于激光的频率随时间是变化的，经过目标返回的信号光与本振光在频率一致性上出现偏差，影响相干探测的效率。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种激光相干探测中本振光优化方法及激光探测系统，在幅度的选择和相干性方面进行优化，使得本振光与信号光混频后信噪比达到最高。
7.本发明实施例提供一种激光相干探测中本振光优化方法，包括：
8.幅度值优化步骤：
9.根据探测器的参数确定本振光信号的功率，并获取探测器的标定功率；
10.根据所确定的本振光的功率范围以及所述标定功率确定本振光的初始功率；
11.以所述初始功率为中心点，步进取出多个本振光功率点；
12.获取信号光，并与基于任一本振光功率点形成的本振光进行混频；
13.在混频后经过探测器采集后做脉冲压缩运算，以获得相应的运算结果，基于该本振光功率点与相应的预算结果进行曲线拟合，确定出运算结果最大时的本振光功率点，作为本振光幅值最优值；
14.相干性优化步骤：
15.基于确定的本振光幅值最优值产生多路本振光；
16.将多路本振光中的一路不延迟，其余路本振光经过对应长度的光纤进行延迟处理；
17.对目标执行探测，将目标返回的光信号与各路本振光进行混频，选取混频后的各路信号的最值信号，完成目标探测。
18.在一些实施例中，根据所确定的本振光的功率范围以及所述标定功率确定本振光的初始功率包括：
19.将根据探测器的参数确定的本振光信号的功率，以及，所述标定功率的一半，取平均值，作为本振光的初始功率。
20.在一些实施例中，以所述初始功率为中心点，步进取出多个本振光功率点包括：
21.以所述初始功率为中心点，向所述中心点两侧步进取值，其中向所述中心点左侧取值范围为功率值不小于0，且该取值的本振光能被脉冲压缩检出，向所述中心点右侧取值范围为功率值不大于最大输入功率值，且该取值的本振光能被脉冲压缩检出。
22.在一些实施例中，提供信号光，并与基于任一本振光功率点形成的本振光进行混频包括：
23.按照多个本振光功率点，从种子源分出一部分光作为本振光；以及从种子源分出一部分光作为信号光；
24.将信号光经过斩波、线性调频后经过指定长度的光纤，与本振光进行混频。
25.在一些实施例中，基于确定的本振光幅值最优值产生的本振光的数量是根据激光发射源短时频率稳定性来确定的，包括如下步骤：
26.若激光源的频率变化量为δf的情况下，激光源满足系统性能要求，则根据激光发射源的性能，得出激光源频率变化量为δf时的时间t，定义r＝ct，c为光速；
27.将多路本振光中的一路不延迟，其余路本振光经过对应长度的光纤进行延迟处理，其中光纤的长度分别为r、2r、
……
nr，n为整数，且，nr《系统理论最远作用距离的2倍。
28.在一些实施例中，将目标返回的光信号与各路本振光进行混频，选取混频后的各路信号的最值信号包括：
29.根据调制方式的不同，选取对应的信号处理方式以确定出各路信号的最值：
30.在对激光发射信号进行固定频率调制的情况下，对混频后的信号进行fft运算，以获取各路信号的频谱最大值；
31.在对激光发射信号进行线性调频的情况下，对混频后的信号进行脉冲压缩处理，以获取各路信号的脉压最大值；
32.比较各路的频谱最大值，或，脉压最大值，并选取最大值所在的信号回路来完成探测。
33.本技术还提出一种激光探测系统，包括处理器和存储器，所述储存器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的激光相干探测中本振光优化方法的步骤。
34.本技术还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的激光相干探测中本振光优化方法的步骤。
35.本发明实施例在幅度的选择和相干性方面进行优化，使得本振光与信号光混频后信噪比达到最高。
36.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
37.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
38.图1为本技术实施例的本振光优化方法的幅度值优化流程图；
39.图2为本技术实施例的本振光优化方法的相干性优化流程图。
具体实施方式
40.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
41.本发明实施例提供一种激光相干探测中本振光优化方法，如图1所示，包括：
42.幅度值会影响探测器的性能，从理论分析看系统信噪比随幅度值先增大，达到极值后再减小，本示例中首选确定最佳幅度值，幅度值优化步骤：
43.在步骤s101中、根据探测器的参数确定本振光信号的功率，并获取探测器的标定功率。例如可以根据探测器理论给出的非线性系数、探测器响应度、探测器负载电阻值、以及波尔兹曼常数，电子电荷等常量由公式计算出理论上本振光功率：其中snr为信噪比，n
th
、n
sh
、n
rin
分别为热噪声、散粒噪声、相对强度噪声，ps信号光功率，δ为探测器的响应度。探测器的标定功率即为探测器给定的最大输入功率值。
44.在步骤s102中、根据所确定的本振光的功率范围以及所述标定功率确定本振光的初始功率。在一些实施例中，根据所确定的本振光的功率范围以及所述标定功率确定本振光的初始功率包括：将根据探测器的参数确定的本振光信号的功率，以及，所述标定功率的一半，取平均值，作为本振光的初始功率。例如可以将最大值输入功率值的一半和计算出的本振光功率的中值作为本振光功率初始值p0。
45.在步骤s103中、以所述初始功率为中心点，步进取出多个本振光功率点。
46.在步骤s104中、获取信号光，并与基于任一本振光功率点形成的本振光进行混频。在一些实施例中，提供信号光，并与基于任一本振光功率点形成的本振光进行混频包括：按照多个本振光功率点，从种子源分出一部分光作为本振光；以及从种子源分出一部分光作为信号光；将信号光经过斩波、线性调频后经过指定长度的光纤，与本振光进行混频。具体的，可以将前述取出多个本振光功率点加入到系统，从种子源分出一部分光后作为本振光，
本振光的功率大小按照中依次步进，从种子源分出一部分作为信号光，将信号光进行斩波，线性调频，信号光的功率衰减到10-10
量级，然后经过一段10km长的光纤，将此与本振光混频，经过探测器采集后做脉压运算，统计脉压运算的值。
47.在步骤s105中、在混频后经过探测器采集后做脉冲压缩运算，以获得相应的运算结果，基于该本振光功率点与相应的预算结果进行曲线拟合，确定出运算结果最大时的本振光功率点，作为本振光幅值最优值。
48.在激光相干探测系统中，一般采用单频激光源作为种子源，将单频激光种子源分出很小的一部分功率作为本振光，大部分进行放大斩波后发射出去，由于有可能探测的是很远的目标，比如星地、星间探测，这样导致经过目标返回的激光回波信号与发射时刻间隔的时间比较长，150km的目标1ms后才返回，此时如果将本振光与回波信号做混频，相当于是1ms前的信号与现在的信号做相干，激光在1ms内有可能频率稳定性发生变化，导致相干性能退化，本示例中在实时目标测距过程中，还提出如下相干性优化步骤：
49.在步骤s201中，基于确定的本振光幅值最优值产生多路本振光。在一些实施例中，基于确定的本振光幅值最优值产生的本振光的数量是根据激光发射源短时频率稳定性来确定的，包括如下步骤：若激光源的频率变化量为δf的情况下，激光源满足系统性能要求，例如δf可以是1khz，则根据激光发射源的性能，得出激光源频率变化量为δf时的时间t，定义r＝ct，c为光速。基于此本示例中将多路本振光中的一路不延迟，其余路本振光经过对应长度的光纤进行延迟处理。
50.在步骤s202中，将多路本振光中的一路不延迟，其余路本振光经过对应长度的光纤进行延迟处理。具体的，将多路本振光中的一路不延迟，其余路本振光经过对应长度的光纤进行延迟处理，其中光纤的长度分别为r、2r、
……
nr，n为整数，且，nr《系统理论最远作用距离的2倍。
51.在一些具体的示例中，可以设置一共5路本振光。由于不知道目标的具体位置，一路本振光不延时，其中的4路本振光分别经过一段光纤延时，其中光纤的长度分别按照系统理论最远作用距离的2/5、4/5、6/5、8/5确定，在每个延时段内，激光种子源的频率稳定性满足系统要求。
52.在步骤s203中，对目标执行探测，将目标返回的光信号与各路本振光进行混频，选取混频后的各路信号的最值信号，完成目标探测。
53.本发明实施例在幅度的选择和相干性方面进行优化，使得本振光与信号光混频后信噪比达到最高。
54.在一些实施例中，以所述初始功率为中心点，步进取出多个本振光功率点包括：
55.以所述初始功率为中心点，向所述中心点两侧步进取值，例如步进值可以为p0/100，其中向所述中心点左侧取值范围为功率值不小于0，且该取值的本振光能被脉冲压缩检出为准。向所述中心点右侧取值范围为功率值不大于最大输入功率值，且该取值的本振光能被脉冲压缩检出为准。
56.在一些实施例中，将目标返回的光信号与各路本振光进行混频，选取混频后的各路信号的最值信号包括：根据调制方式的不同，选取对应的信号处理方式以确定出各路信号的最值：
57.在对激光发射信号进行固定频率调制的情况下，对混频后的信号进行fft运算，以
获取各路信号的频谱最大值。在一些具体示例中，fft处理运算包括：对每一路信号分成n段，对每一段信号做fft处理，在每一段取在频率f处的频谱值，在n段里求出频率f处的频谱值的最大值，比较5路信号的频最大值；将最大的那一路作为信号所在的回路，将那一路的频谱最大值所在的段作为信号回来的时刻。
58.在对激光发射信号进行线性调频的情况下，对混频后的信号进行脉冲压缩处理，以获取各路信号的脉压最大值。在一些具体示例中，脉压处理运算包括：对每一路信号做脉冲压缩运算，求得脉压最大值，比较5路信号的脉压最大值；将脉压最大的那一路作为信号所在的回路，将那一路的脉压最大值对应的时刻为信号回来的时刻。
59.比较各路的频谱最大值，或，脉压最大值，并选取最大值所在的信号回路来完成探测，从而获得例如目标的距离值和速度值。
60.本发明的技术手段与现有技术相干，不仅对本振光从幅值上进行了校正，使得本振光功率取最优值，保证了系统的信噪比，同时对本振光和信号光的相干性进行优化，使得对远程距离探测时进一步提高了系统信噪比，提高了系统的探测距离。
61.本技术还提出一种激光探测系统，包括处理器和存储器，所述储存器上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的激光相干探测中本振光优化方法的步骤。
62.本技术还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现前述的激光相干探测中本振光优化方法的步骤。
63.本发明实施例在幅度的选择和相干性方面进行优化，使得本振光与信号光混频后信噪比达到最高。
64.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
65.上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
66.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如rom/ram、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
67.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。