前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达

摘要

前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达，属于计数激光雷达技术领域。本发明是为了解决现有啁啾调制光子计数激光雷达采用的Gm‑APD器件固有的死时间限制了其采样探测的频率，进而制约了其测距精度的问题。它包括信号发射器、激光器、发射光学系统、可调门宽控制模块、接收光学系统、Gm‑APD单光子探测器、低通滤波器、傅里叶变换模块和计算机，它利用本振啁啾调制信号直接调制Gm‑APD采样门，使其采样门的宽度正比于本振啁啾调制信号的强度，通过采样门的时间变化完成与回波反射信号的混频，这样Gm‑APD响应的就是混频后的中频信号。本发明作为一种计数激光雷达。

权利要求

1.一种前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达，包括信号发射器(1)、激光器(2)、发射光学系统(3)、可调门宽控制模块(4)、接收光学系统(5)、Gm-APD单光子探测器(6)、低通滤波器(7)、傅里叶变换模块(8)和计算机(9)，信号发射器(1)用于产生啁啾调制电信号，该啁啾调制电信号分为两路，一路用于驱动激光器(2)产生强度受啁啾调制的激光信号，该激光信号经由发射光学系统(3)准直后，照射到待测目标；另一路输出给可调门宽控制模块(4)，使可调门宽控制模块(4)产生系列携带啁啾调制电信号的采样门，并输出给Gm-APD单光子探测器(6)，该系列采样门的时间间隔相同，宽度正比于啁啾调制电信号幅度；

待测目标依次在每个采样门内反射的激光信号由接收光学系统(5)接收，并聚焦在Gm-APD单光子探测器(6)的光敏面上，使Gm-APD单光子探测器(6)依次响应每个采样门内待测目标反射的激光信号能量，Gm-APD单光子探测器(6)采样探测的结果为携带啁啾调制电信号的采样门与携带啁啾调制电信号的激光信号能量相乘的结果，该结果经低通滤波器(7)滤除高频信号，挑选出中频信号，该中频信号经傅里叶变换模块(8)变换后，再经计算机(9)从中频频谱上找到中频峰值的位置，根据中频的频率正比于两路啁啾调制电信号之间的时间差，从而得到待测目标的距离，其特征在于，可调门宽控制模块(4)的第i个采样门的宽度tgate(i)为：其中i＝1，2，3，……，n；n为采样门的总个数；

式中t为第i个采样门的初始时刻，tsample是相邻两个采样门的时间间隔，Δt是最大采样门的时间宽度，f0是啁啾调制的初始调制频率，k是啁啾调制的调制斜率：k＝B/T，B为调制带宽，T为调制时间；

是啁啾调制的初始相位。

2.根据权利要求1所述的前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达，其特征在于，待测目标反射的激光信号强度Iecho为：式中Ipeak是激光器(2)的峰值发射功率，M为待测目标反射的激光信号衰减系数，τ为激光在待测目标和接收光学系统(5)之间往返时间的延迟；

Gm-APD单光子探测器(6)依次响应的每个采样门内待测目标反射的激光信号能量E(i)为：上式最终的表达式中第一项为差频信号，即中频信号，其余为高频项。

说明书

前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达

技术领域

[0001] 本发明涉及前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达，属于计数激光雷达技术领域。

背景技术

[0002] 啁啾调制光子计数激光雷达融合了两大微弱信号探测技术，即啁啾调制解调技术和Gm-APD光子计数技术，这使得啁啾调制光子计数激光雷达具有极高的响应灵敏，对微弱信号探测领域具有重要的意义，因此成为了研究的热点。但是啁啾调制式光子激光雷达所使用的工作在盖革模式下的雪崩光电二极管Gm-APD光子探测器每次采样探测后都需要一定的时间进行雪崩抑制，目前Gm-APD器件的死时间一般为几十纳秒，这极大的限制了采样探测的频率，从而致使啁啾调制式光子激光雷达的信号调制带宽也受到限制。众所周知，啁啾调制式光子激光雷达的测距精度和信号的调制带宽成反比关系，因此较低的信号调制带宽一直都制约着啁啾调制式光子激光雷达测距精度的提高。

发明内容

[0003] 本发明目的是为了解决现有啁啾调制光子计数激光雷达采用的Gm-APD器件固有的死时间限制了其采样探测的频率，进而制约了其测距精度的问题，提供了一种前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达。

[0004] 本发明所述前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达，它包括信号发射器、激光器、发射光学系统、可调门宽控制模块、接收光学系统、Gm-APD单光子探测器、低通滤波器、傅里叶变换模块和计算机，

[0005] 信号发射器用于产生啁啾调制电信号，该啁啾调制电信号分为两路，一路用于驱动激光器产生强度受啁啾调制的激光信号，该激光信号经由发射光学系统准直后，照射到待测目标；另一路输出给可调门宽控制模块，使可调门宽控制模块产生系列携带啁啾调制电信号的采样门，并输出给Gm-APD单光子探测器，该系列采样门的时间间隔相同，宽度正比于啁啾调制电信号幅度；

[0006] 待测目标依次在每个采样门内反射的激光信号由接收光学系统接收，并聚焦在Gm-APD单光子探测器的光敏面上，使Gm-APD单光子探测器依次响应每个采样门内待测目标反射的激光信号能量，Gm-APD单光子探测器采样探测的结果为携带啁啾调制电信号的采样门与携带啁啾调制电信号的激光信号能量相乘的结果，该结果经低通滤波器滤除高频信号，挑选出中频信号，该中频信号经傅里叶变换模块变换后，再经计算机从中频频谱上找到中频峰值的位置，根据中频的频率正比于两路啁啾调制电信号之间的时间差，从而得到待测目标的距离。

[0007] 可调门宽控制模块的第i个采样门的宽度tgate(i)为：

[0008]

[0009] 其中i＝1，2，3，……，n；n为采样门的总个数；

[0010] 式中t为第i个采样门的初始时刻，tsample是相邻两个采样门的时间间隔，Δt是最大采样门的时间宽度，f0是啁啾调制的初始调制频率，k是啁啾调制的调制斜率：

[0011] k＝B/T，B为调制带宽，T为调制时间；

[0012] 是啁啾调制的初始相位。

[0013] 待测目标反射的激光信号强度Iecho为：

[0014]

[0015] 式中Ipeak是激光器的峰值发射功率，M为待测目标反射的激光信号衰减系数，τ为激光在待测目标和接收光学系统之间往返时间的延迟；

[0016] Gm-APD单光子探测器依次响应的每个采样门内待测目标反射的激光信号能量E(i)为：

[0017]

[0018] 上式最终的表达式中第一项为差频信号，即中频信号，其余为高频项。

[0019] 本发明的优点：本发明利用本振啁啾调制信号直接调制Gm-APD采样门，使其采样门的宽度正比于本振啁啾调制信号的强度，通过采样门的时间变化完成与回波反射信号的混频，这样Gm-APD响应的就是混频后的中频信号，只要Gm-APD的采样频率满足中频信号的两倍即可，解除了Gm-APD有限的采样频率对信号调制带宽的限制，从而可以工作在更高的信号调制带宽下，有效的提高了其系统的测距精度。

附图说明

[0020] 图1是本发明所述前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达的原理框图；

[0021] 图2是可调采样门宽度控制示意图；

[0022] 图3是本发明前置混频雷达工作在调制带宽B＝10MHz情况下的中频信号曲线图；

[0023] 图4是本发明前置混频雷达工作在调制带宽B＝20MHz情况下的中频信号曲线图；

[0024] 图5是本发明前置混频雷达工作在调制带宽B＝30MHz情况下的中频信号曲线图。

具体实施方式

[0025] 具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述前置混频的啁啾调制光子计数激光雷达，它包括信号发射器1、激光器2、发射光学系统3、可调门宽控制模块4、接收光学系统5、Gm-APD单光子探测器6、低通滤波器7、傅里叶变换模块8和计算机9，

[0026] 信号发射器1用于产生啁啾调制电信号，该啁啾调制电信号分为两路，一路用于驱动激光器2产生强度受啁啾调制的激光信号，该激光信号经由发射光学系统3准直后，照射到待测目标；另一路输出给可调门宽控制模块4，使可调门宽控制模块4产生系列携带啁啾调制电信号的采样门，并输出给Gm-APD单光子探测器6，该系列采样门的时间间隔相同，宽度正比于啁啾调制电信号幅度；

[0027] 待测目标依次在每个采样门内反射的激光信号由接收光学系统5接收，并聚焦在Gm-APD单光子探测器6的光敏面上，使Gm-APD单光子探测器6依次响应每个采样门内待测目标反射的激光信号能量，Gm-APD单光子探测器6采样探测的结果为携带啁啾调制电信号的采样门与携带啁啾调制电信号的激光信号能量相乘的结果，该结果经低通滤波器7滤除高频信号，挑选出中频信号，该中频信号经傅里叶变换模块8变换后，再经计算机9从中频频谱上找到中频峰值的位置，根据中频的频率正比于两路啁啾调制电信号之间的时间差，从而得到待测目标的距离。

[0028] 可调门宽控制模块4的第i个采样门的宽度tgate(i)为：

[0029]

[0030] 其中i＝1，2，3，……，n；n为采样门的总个数；

[0031] 式中t为第i个采样门的初始时刻，tsample是相邻两个采样门的时间间隔，Δt是最大采样门的时间宽度，f0是啁啾调制的初始调制频率，k是啁啾调制的调制斜率：

[0032] k＝B/T，B为调制带宽，T为调制时间；

[0033] 是啁啾调制的初始相位。

[0034] 待测目标反射的激光信号强度Iecho为：

[0035]

[0036] 式中Ipeak是激光器2的峰值发射功率，M为待测目标反射的激光信号衰减系数，τ为激光在待测目标和接收光学系统5之间往返时间的延迟；

[0037] Gm-APD单光子探测器6依次响应的每个采样门内待测目标反射的激光信号能量E(i)为：

[0038]

[0039] 上式最终的表达式中第一项为差频信号，即中频信号，其通过傅里叶变换可以得到与往返时间成正比的中频。其余为高频项，通过低通滤波器将其滤除。

[0040] 本发明中，发射光学系统3接收的激光信号携带有啁啾调制信息。激光照射待测目标后，经过待测目标的发射以及一段往返的大气的衰减，一部分被待测目标反射回来的激光信号到达接收光学系统5，由接收光学系统5进行收集，将回波信号聚焦在Gm-APD单光子探测器6的光敏面上进行采样探测。Gm-APD的采样探测响应的就是每个探测门内回波信号的能量，这个能量的大小正是由回波信号的强度以及采样门的时间宽度两部分决定的。这样Gm-APD采样探测的结果就是两路啁啾信号相乘的结果，然后经过低通滤波器7过滤掉高频信号，挑选出低频的差频信号，即中频信号。

[0041] 本发明设计了一种新型的混频方式。现有啁啾调制光子计数激光雷达混频是采用Gm-APD将回波的啁啾信号采样为电信号，然后和本振的电信号进行混频，混频过程在Gm-APD采样探测之后，故称为后置混频。区别于此，本发明提出的混频方式是通过本振的啁啾调制电信号调制采样门的宽度，利用采样门时间和回波信号功率相乘的关系直接混频，Gm-APD直接采样混频后的中频信号，该方法混频过程发生在Gm-APD采样之前，所以称为前置混频。

[0042] 使用本振啁啾电信号调制采样门的宽度，使得采样门的间距相等，但是采样门的宽度正比于对应位置的本振信号的强度。

[0043] 采样门的宽度控制如图2所示，整个曲线就是信号发射器1产生的啁啾调制电信号，由于Gm-APD每次探测后都需要一定的死时间进行雪崩抑制和重置加速电场，所以本发明采用门控制的方法进行采样探测，图2中的虚线就是每个探测门的位置，其间隔为tsample，最大的探测门的门宽为Δt，对应于啁啾调制信号的峰值位置，而最小的门宽为0，对应于啁啾信号波谷位置。图2中矩形框为Gm-APD的探测门。

[0044] 经过光在目标和雷达之间往返时间τ的延迟，以及往返大气和目标反射等因素对信号的衰减，待测目标反射的激光信号强度表示为Iecho。通过采样门的时间宽度和回波信号的强度相互作用完成了混频，Gm-APD对采样门内的信号能量响应，即是对中频信号的响应，从而通过低频滤波和傅里叶变换可以得到与往返时间成正比的中频。

[0045] 下面对本发明所述的前置混频啁啾调制光子计数激光雷达系统性能进行验证。例如Gm-APD探测器的死时间为50ns，最高的采样频率为20MHz，根据能斯特采样定理可以得到啁啾调制信号的最高调制频率不能高于10MHz。然而对于本发明采用的前置混频的方法，混频过程被完成在探测器之前，这样Gm-APD光子探测器响应的实际是差频后的低频信号。因此前置混频方法可以打破啁啾调制信号最大频率的限制，允许啁啾调制式光子激光雷达工作在更大的带宽下。

[0046] 图3至图5分别展示了前置混频方法工作在10MHz，20MHz，30MHz带宽情况下的中频信号。仍然使用50ns死时间的Gm-APD，前置混频方法在大于10MHz的带宽情况下仍然获得了清晰的中频信号，这说明前置混频方法可以突破带宽的限制，工作在更大带宽下。对于调制体制的激光雷达系统，当调制带宽B增大时，很多系统参数都将提高，例如：测距精度以及距离分辨率Δdis＝c/(2B)。由此证明，本发明的前置混频方法可以有效的提高啁啾调制式光子激光雷达系统性能。