本发明公开了一种偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置，本发明的激光光源输出光束经第一偏振分束器分为正交偏振的测速光束和测距光束；所述测速光束采用正交解调相干零差多普勒激光测速；测距光束采用伪随机码高速相位调制激光测距；本发明通过偏振分集，实现对远距离目标速度和距离的高精度同步测量。本发明不仅可以对目标同步测速测距，具有非常优秀的测速、测距精准性，而且整体系统小型化，运行容易，具有良好的发展前景。
1.偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，其特征在于：激光光源输出光束后经第一偏振分束器分为正交偏振态的测速光束和测距光束；
将测速光束经第一保偏分束器分为相同偏振的测速本振光束和测速发射光束，测速发射光束发射至目标后的回波光束经第三偏振分束器得到相同偏振的回波测速光束，测速本振光束和回波测速光束进入第一光学桥接器进行正交相干接收，获得具有正交特性的同相信号和正交信号，再将同相信号和正交信号进行傅里叶变换，获取多普勒频谱，然后互谱处理后取其虚部，再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，通过分析多普勒峰值的位置和正负，获得目标径向速度的大小和方向；
将测距光束经第二保偏分束器分为相同偏振的测距本振光束和测距发射光束，测距发射光束通过波形发生器产生的伪随机码信号进行相位调制，然后发射至目标后的回波光束经第三偏振分束器得到相同偏振的回波测距光束，测距本振光束和回波测距光束进入第二光学桥接器进行相干接收，得到相干接收信号；波形发生器产生的伪随机码信号与相干接收信号通过数据采集器同步接收，同步接收的两路信号在主控计算机中通过相关处理，获得目标的距离信息；
所述的第二保偏分束器连接有移频器，移频器与第二光学桥接器相连，所述的移频器经射频驱动器与主控计算机相连；所述的主控计算机利用获得的多普勒频谱峰值的位置和正负，得到激光雷达和目标相对运动产生的多普勒频移，再根据多普勒频移的信息驱动移频器对测距本振光束的移频量进行调节，消除激光雷达与目标之间相对运动产生的多普勒频移的影响，从而提高测距精度。
2.根据权利要求1所述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，其特征在于：所述测速本振光束和回波测速光束进入第一光学桥接器进行正交相干接收，光场表示为：其中R是目标距离，f0是激光载频，fDoppler是目标速度引起的多普勒频移，c是光速，φS是回波测速光束的噪声位相，φLO是测速本振光束的噪声位相； t是时间；ES是回波测速光束振幅；ELO是测速本振光束振幅；
其中φN是混频噪声位相；IS是和回波测速光束有关的直流量；IO是和测速本振光束有关的直流量；
具有正交特性的同相信号和正交信号被低速光电平衡探测器接收，同相信号和正交信号输出分别为：其中kin是同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是正交信号的光电平衡探测器响应率， 和 分别是同相信号和正交信号的噪声位相。
3.根据权利要求2所述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，其特征在于：所述同相信号和正交信号输出经模数转换后进入主控计算机，将同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：正交信号傅里叶变换表示为：
经过傅里叶变换后，频谱信息里面仅包含目标多普勒信息；
Img＝δ2(f-fDoppler)-δ2(f+fDoppler)；
通过分析多普勒频谱峰值的位置和正负，最终得到目标径向速度的大小和方向,实现目标的测速。
4.根据权利要求1-3任一项所述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，其特征在于：所述伪随机码信号为:其中，ΔT为伪随机码信号的伪随机码序列码元宽度，k为码元序号，K为码元总数，p(k)为伪随机数，取值为0或1；
伪随机码的自相关函数是一个尖锐的脉冲序列，脉冲宽度越小，波形越尖锐；
∫P1(τ：K，ΔT)P2(τ-t：K，ΔT)dτ≈0；
其中R是目标距离，f0是激光载频，fDoppler是目标速度引起的多普勒频移，c是光速，φ′s是回波测距光束的噪声位相； t是时间；E′S为回波测距光束的振幅；
是测距本振光束的噪声位相，fs是移频量；E′LO为测距本振光束的振幅；
所述测距本振光束和回波测距光束进入第二光学桥接器混频后两路输出分别为：φN是混频噪声位相，I＇s是和回波测距光束有关的直流量，I′o是和测距本振光束有关的直流量；
两路输出由高速光电平衡探测器进行接收并输出，输出为：
ki是高速光电平衡探测器的响应率，φi是高速光电平衡探测器输出的噪声位相；
由于 为一系列0和π的序列,即余弦信号带有相位π的随机变化,
5.根据权利要求4所述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，其特征在于：所述伪随机码信号与相干接收信号经模数转换后进入主控计算机进行相关处理：其中伪随机码信号依次移位nΔT，并与相干接收信号相乘，得到：；在脉冲信号的持续时间T内取积分，可得：
根据sinc函数的性质可知，fiT的值越高，相关函数峰值的高度越低，在fi＝n/ΔT、n为整数时，相关函数峰值为零；在相同fi情况下，相位编码脉冲持续时间越长，多普勒频移对相关结果的影响就越大；
取fi＝fs+fDoppler＝0，将补偿过的相关函数进行快速傅里叶变换，当移位延迟的码元时间和目标运动导致的延时量不相关时，傅里叶变换频谱无明显峰值；当移位延迟的码元时间和目标运动导致的延时量一致时,傅里叶变换频谱在中频处具有显著峰值；由此可根据傅里叶变换频谱出现最大峰值时对应的延迟码元数n得到目标距离信息：目标距离为：
由于在宽脉冲中进行高速伪随机码调制，使得系统的距离分辨率不取决于脉冲宽度，而取决于调制码元宽度，即取决于调制速率，因此，采用高速调制来获得高分辨率测距：测距分辨率为：
6.根据权利要求1所述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，其特征在于：所述回波测速光束是通过将测速发射光束传输至第二偏振分束器保偏耦合，然后进入偏振分集光学环形器偏振分集，再经过光学扫描器后由光学望远镜发射并接收回波光束，回波光束经第三偏振分束器得到回波测速光束；
所述回波测距光束是通过将测距发射光束经相位调制后传输至第二偏振分束器保偏耦合，然后进入偏振分集光学环形器偏振分集，再经过光学扫描器后由光学望远镜发射并接收回波光束，回波光束经第三偏振分束器得到回波测距光束。
7.实现如权利要求1-6任一项所述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法的装置，其特征在于：包括激光光源(1)，所述激光光源(1)经第一偏振分束器(3)连接有第一保偏分束器(4)和第二保偏分束器(5)；
所述第一保偏分束器(4)的输出端依次连接有第二偏振分束器(12)、偏振分集光学环形器(13)、光学扫描器(14)和光学望远镜(15)；所述偏振分集光学环形器(13)连接有第三偏振分束器(16)，所述第一保偏分束器(4)和第三偏振分束器(16)共同连接有第一光学桥接器(17)，第一光学桥接器(17)经低速光电平衡探测器(19)连接有低速模数转换器(21)；
所述低速模数转换器(21)经低速数据采集器(23)连接有主控计算机(26)；
所述第二保偏分束器(5)的输出端经电光相位调制器(8)依次连接第二偏振分束器(12)、偏振分集光学环形器(13)、光学扫描器(14)和光学望远镜(15)；所述第二保偏分束器(5)和第三偏振分束器(16)共同连接有第二光学桥接器(18)，第二光学桥接器(18)经高速光电平衡探测器(20)和第一高速模数转换器(22)连接有数据采集器(24)，数据采集器(24)与主控计算机(26)连接；所述数据采集器(24)还连接有波形发生器(9)，波形发生器(9)与电光相位调制器(8)连接；所述第二保偏分束器(5)和第二光学桥接器(18)之间还设有移频器(6)；所述的主控计算机(26)还连接有射频驱动器(7)，射频驱动器(7)与移频器(6)连接；
所述射频驱动器(7)利用测速结果反馈控制移频器(6)的移频量，克服测距过程中的多普勒展宽，提高测距精度。
8.根据权利要求7所述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法的装置，其特征在于：所述激光光源(1)和第一偏振分束器(3)之间还设有起偏器(2)；所述第一保偏分束器(4)和第二偏振分束器(12)之间的测速发射光束传输路线上还设有第一激光放大器(10)；所述第二保偏分束器(5)和第二偏振分束器(12)之间还设有第二激光放大器(11)；所述主控计算机(26)连接有外触发电路(25)，且外触发电路(25)设置在波形发生器(9)和数据采集器(24)之间；所述数据采集器(24)还连接有第二高速模数转换器(27)，第二高速模数转换器(27)与波形发生器(9)连接。
9.根据权利要求7所述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法的装置，其特征在于：所述的偏振分集光学环形器(13)包括第一偏振分束棱镜(131)，第一偏振分束棱镜(131)经第一全反射镜(132)连接有第一法拉第旋光器(133)和第一半波片(134)；所述第一偏振分束棱镜(131)还经第二法拉第旋光器(135)连接有第二半波片(136)和第二全反射镜(137)；所述第一半波片(134)和第二全反射镜(137)一同连接有第二偏振分束棱镜(138)。
偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及激光测距测速技术领域，特别涉及一种偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置。
背景技术
[0002] 环境感知技术是自主驾驶平台的重要组成部分，是利用激光雷达、毫米波雷达等传感器感知周围环境，为自主驾驶平台提供决策依据。作为关键核心技术之一的激光雷达技术，能有效提供自主驾驶平台决策与控制系统所需的信息，已成为目前自主驾驶环境感知不可或缺的传感器。目标的距离和速度是自主驾驶平台判断外界环境的重要信息，是实现复杂动态环境中智能驾驶不可或缺的部分。使用激光雷达实现对目标距离和速度同步测量，同时具有很高的实时性和测量精度，是自主驾驶环境感知的迫切需求，对提高自主驾驶平台对周围环境的感知能力和增强智能决策的能力具有重要的意义。
[0003] 当前商用化的激光雷达通常采用单脉冲激光飞行时间法(Time of Flight)测距，优点是结构简单、技术成熟，不足之处在于只能提供目标的距离信息，速度则根据距离测量数据的变化通过微分计算获得。这种传统的速度测量方式由于距离的不连续性不能得到正确的速度信息，获得的速度数据误差非常大，并且缺乏实时性。
[0004] 在先技术之一(参见周艳宗，王冲，刘燕平，夏海云，相干测风激光雷达研究进展和应用，激光与光电子学进展，2019，Vol.56,No.2,020001)相干测风多普勒激光雷达发射一定宽度的激光脉冲，脉冲窗口将覆盖多普勒信号的一个周期，通过傅里叶变换获得不同距离的多普勒信号频率，从而解析出目标的速度，这种方法尽管可以同时获得距离和速度信息，但是距离分辨率很低，不能应用于自主驾驶平台。
[0005] 啁啾调频连续波激光雷达对发射激光的频率进行线性调制，回波信号与本振信号进行相干接收，通过获取外差频率实现目标的距离测量，通过波形调制实现多普勒速度测量。这是目前最广泛应用的同步测速测距激光雷达体制，较为典型的是美国NASA的ALHAT项目中的多普勒激光雷达(在先技术之二，参见F.Amzajerdian,D.Pierrottet,L.Petway,et al.Lidar systems for precision navigation and safe landing on planetary bodies,NASA,2011.)，通过采用光学相干技术、等腰三角波线性调频技术，以及光纤光学技术，能够实现高精度的空间目标同步测距测速。
[0006] 为了进一步提高测距测速精度，NASA的Langley Research Center将调制波形改进为对称等腰梯形线性调频(在先技术之三，参见F.Amzajerdian,D.Pierrottet,L.Petway,et al.Lidar sensors for autonomous landing and hazard avoidance.AIAA Space Conference Proceedings,2013.)，包括上变频、固定频率、下变频，在固定频率阶段可以获得多普勒速度，可以解决在上变频、下变频阶段获得的频率非常接近零而出现的数据丢失，减少某些情况下出现的测量模糊。但是目前啁啾调频连续波激光雷达通常采用外腔可调谐激光器产生线性调频激光脉冲，受激光器硬件条件的限制，成本很高；在取得较大调谐范围从而获得较高距离分辨率的条件下，其脉冲重复频率(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。
[0007] 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(在先技术之四，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)。但是大大增加了系统复杂性，影响了应用前景。
[0008] 啁啾调幅连续波激光雷达对发射激光的幅度进行线性调频，将回波强度上调制的延迟啁啾与发射时的初始啁啾混频，得出的差频频率就与回波延迟成正比，通过相干接收可以实现目标的距离和速度的同步探测(在先技术之五，于啸，洪光烈，凌元，舒嵘,啁啾调幅激光雷达对距离和速度的零差探测,光学学报，2011,Vol.31,No.6,0606002)。由于啁啾信号调制于激光强度上，而不是直接调制于激光频率上，技术难度低，容易实现，线性度可以做的较好；目标的距离信息体现在激光回波的幅度上，速度信息体现在激光回波的频域，在光学上避免了两种信息的干扰。但是由于在幅度上调制造成发射激光能量的衰减，限制了啁啾调幅激光雷达的最远可探测距离。而且，啁啾调幅连续波激光雷达的脉冲重复频率依然受限，无法消除高重频带来的距离模糊。
[0009] 复光场相干激光雷达通过在发射端采用电光同相-正交调制器实现载流子抑制的复光场调制，能够获得灵活的频带调制，通过无调制的连续波测量速度，通过线性调频测量距离，从而实现高精度的目标速度和距离同步测量(在先技术之六，Shuang Gao,Maurice O’Sullivan,and Rongqing Hui,Complex-optical-field Lidar system for range and vector velocity measurement,Optics Express,2012,Vol.20,No.23,25867-25875.)。这种调制可以看作是啁啾调频连续波激光雷达的一种改进，降低了对激光光源硬件的要求，但是调制方案复杂，实现难度大，应用前景受限。
[0010] 毛雪松等在伪随机码中插入周期码构成调制码，使用调制码调制激光雷达发射信号的幅度，接收端一方面通过计算目标回波信号与本地调制码的相关函数测量目标距离，另一方面通过采样周期码时隙的外差信号，分析多普勒频率测量目标的速度，从而实现目标距离和速度的同步测量(在先技术之七，Xuesong Mao,Daisuke Inoue,Hiroyuki Matsubara,and Manabu Kagami,Demonstration of in-car doppler laser radar at 1.55μmfor range and speed measurement,IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems,2013,VOL.14,NO.2,599-607)。但是调制码由伪随机码插入周期码构成，一方面降低了伪随机码的相关性，另一方面速度测量的范围有限。为了改善调制码的相关性，同时扩大速度测量的范围，毛雪松等又提出了对多普勒信号进行幅度修正，然后采用非等间隔采样傅里叶频谱分析方法求出多普勒频率。但是这种算法信噪比要求高，需要先通过距离计算过程确定多普勒信号的头位置来保证采样序列是夹杂噪声的多普勒信号而不是纯噪声，过程复杂计算量较大，测速精度受限。
[0011] 综上所述，现有激光雷达技术存在有距离分辨率低、测速精度受限的问题，而且整体系统复杂、运行难度大，使得应用前景受限。
发明内容
[0012] 本发明的目的在于，提供一种偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置。本发明不仅可以对目标同步测速测距，精度高，稳定性好，而且整体系统小型化，运行容易，具有良好的发展前景，此外，本发明还利用测速结果反馈控制移频量，克服了测距过程中由于目标与激光雷达相对运动产生的多普勒频移的影响，大大地提高了测距的准确精度。
[0013] 本发明的技术方案：偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，激光光源输出光束后经第一偏振分束器分为正交偏振态的测速光束和测距光束；
[0014] 将测速光束经第一保偏分束器分为相同偏振的测速本振光束和测速发射光束，测速发射光束发射至目标后的回波光束经第三偏振分束器得到相同偏振的回波测速光束，测速本振光束和回波测速光束进入第一光学桥接器进行正交相干接收，获得具有正交特性的同相信号和正交信号，再将同相信号和正交信号进行傅里叶变换，获取多普勒频谱，然后互谱处理后取其虚部，再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，通过分析多普勒峰值的位置和正负，获得目标径向速度的大小和方向；
[0015] 将测距光束经第二保偏分束器分为相同偏振的测距本振光束和测距发射光束，测距发射光束通过波形发生器产生的伪随机码信号进行相位调制，然后发射至目标后的回波光束经第三偏振分束器得到相同偏振的回波测距光束，测距本振光束和回波测距光束进入第二光学桥接器进行相干接收，得到相干接收信号；波形发生器产生的伪随机码信号与相干接收信号通过数据采集器同步接收，同步接收的两路信号在主控计算机中通过相关处理，获得目标的距离信息；
[0016] 所述的第二保偏分束器连接有移频器，移频器与第二光学桥接器相连，所述的移频器经射频驱动器与主控计算机相连；所述的主控计算机利用获得的多普勒频谱峰值的位置和正负，得到激光雷达和目标相对运动产生的多普勒频移，再根据多普勒频移的信息驱动移频器对测距本振光束的移频量进行调节，消除激光雷达与目标之间相对运动产生的多普勒频移的影响，从而提高测距精度。
[0017] 上述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，所述测速本振光束和回波测速光束进入第一光学桥接器进行正交相干接收，光场表示为：
[0018]
[0019] ；其中R是目标距离，f0是激光载频，fDoppler是目标速度引起的多普勒频移，c是光速，φS是回波测速光束的噪声位相，φLO是测速本振光束的噪声位相； t是时间；ES是回波测速光束振幅；ELO是测速本振光束振幅；
[0020] 经过第一光学桥接器混频后的四路输出分别为：
[0021]
[0022] ；其中φN是混频噪声位相；IS是和回波测速光束有关的直流量；IO是和测速本振光束有关的直流量；
[0023] 具有正交特性的同相信号和正交信号被低速光电平衡探测器接收，同相信号和正交信号输出分别为：
[0024]
[0025] 其中kin是同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是正交信号的光电平衡探测器响应率， 和 分别是同相信号和正交信号的噪声位相。
[0026] 前述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，所述同相信号和正交信号输出经模数转换后进入主控计算机，将同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换，同相信号傅里叶变换表示为：
[0027]
[0028] 正交信号傅里叶变换表示为：
[0029]
[0030] 经过傅里叶变换后，频谱信息里面仅包含目标多普勒信息；
[0031] 两通道进行互谱处理：
[0032]
[0033] ；最后仅取虚部得到
[0034] Img＝δ2(f-fDoppler)-δ2(f+fDoppler)；
[0035] 多普勒频移与目标运动的速度成正比，表示为
[0036]
[0037] 其中，v是目标径向速度，λ是光源发射波长；
[0038] 通过分析多普勒频谱峰值的位置和正负，最终得到目标径向速度的大小和方向，实现目标的测速。
[0039] 前述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，所述伪随机码信号为：
[0040]
[0041] 其中，ΔT为伪随机码信号的伪随机码序列码元宽度，k为码元序号，K为码元总数，p(k)为伪随机数，取值为0或1；
[0042] 伪随机码信号的主要特性为其自相关函数：
[0043]
[0044] 伪随机码的自相关函数是一个尖锐的脉冲序列，脉冲宽度越小，波形越尖锐；
[0045] 伪随机码信号的互相关特性为:
[0046] ∫P1(τ:K，ΔT)P2(τ-t:K，ΔT)dτ≈0；
[0047] 其中，P1和P2为两个独立的伪随机码序列；
[0048] 所述回波测距光束为：
[0049]
[0050] 其中R是目标距离，f0是激光载频，fDoppler是目标速度引起的多普勒频移，c是光速，φs′是回波测距光束的噪声位相；
[0051] t是时间；E′S为回波测距光束的振幅；
[0052] 所述测距本振光束为
[0053]
[0054] 是测距本振光束的噪声位相，fs是移频量；E′LO为测距本振光束的振幅；
[0055] 所述测距本振光束和回波测距光束进入第二光学桥接器混频后两路输出分别为：
[0056]
[0057] φN是混频噪声位相，I′s是和回波测距光束有关的直流量，I′o是和测距本振光束有关的直流量；
[0058] 两路输出由高速光电平衡探测器进行接收并输出，输出为：
[0059]
[0060] ki是高速光电平衡探测器的响应率，φi是高速光电平衡探测器输出的噪声位相；
[0061] 令fi＝fs+fDoppler可得：
[0062]
[0063] 其中Ii是幅值；
[0064] 由于 为一系列0和π的序列,即余弦信号带有相位π的随机变化,根据余弦信号特性,将上式简化后得到相干接收信号：
[0065]
[0066] 其中 p′(k)为伪随机数，取值为1或-1。
[0067] 前述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，所述伪随机码信号与相干接收信号经模数转换后进入主控计算机进行相关处理：其中伪随机码信号依次移位nΔT，并与相干接收信号相乘，得到：
[0068]
[0069] ；在脉冲信号的持续时间T内取积分，可得：
[0070]
[0071] 根据sinc函数的性质可知，fiT的值越高，相关函数峰值的高度越低，在fi＝n/ΔTn为整数时，相关函数峰值为零；在相同fi情况下，相位编码脉冲持续时间越长，多普勒频移对相关结果的影响就越大；
[0072] 取fi＝fs+fDoppler＝0将补偿过的相关函数进行快速傅里叶变换，当移位延迟的码元时间和目标运动导致的延时量不相关时，傅里叶变换频谱无明显峰值；当移位延迟的码元时间和目标运动导致的延时量一致时,傅里叶变换频谱在中频处具有显著峰值；由此可根据傅里叶变换频谱出现最大峰值时对应的延迟码元数n得到目标距离信息：
[0073] 目标距离为：
[0074] 从而提高了测距的精度；
[0075] 由于在宽脉冲中进行高速伪随机码调制，使得系统的距离分辨率不取决于脉冲宽度，而取决于调制码元宽度，即取决于调制速率，因此，采用高速调制来获得高分辨率测距：
[0076] 测距分辨率为：
[0077]
[0078] 前述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法，所述回波测速光束是通过将测速发射光束传输至第二偏振分束器保偏耦合，然后进入偏振分集光学环形器偏振分集，再经过光学扫描器后由光学望远镜发射并接收回波光束，回波光束经第三偏振分束器得到回波测速光束；
[0079] 所述回波测距光束是通过将测距发射光束经相位调制后传输至第二偏振分束器保偏耦合，然后进入偏振分集光学环形器偏振分集，再经过光学扫描器后由光学望远镜发射并接收回波光束，回波光束经第三偏振分束器得到回波测距光束。
[0080] 实现如前述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法的装置，包括激光光源，所述激光光源经第一偏振分束器连接有第一保偏分束器和第二保偏分束器；
[0081] 所述第一保偏分束器的输出端依次连接有第二偏振分束器、偏振分集光学环形器、光学扫描器和光学望远镜；所述偏振分集光学环形器连接有第三偏振分束器，所述第一保偏分束器和第三偏振分束器共同连接有第一光学桥接器，第一光学桥接器经低速光电平衡探测器连接有低速模数转换器；所述低速模数转换器经低速数据采集器连接有主控计算机；
[0082] 所述第二保偏分束器的输出端经电光相位调制器依次连接第二偏振分束器、偏振分集光学环形器、光学扫描器和光学望远镜；所述第二保偏分束器和第三偏振分束器共同连接有第二光学桥接器，第二光学桥接器经高速光电平衡探测器和第一高速模数转换器连接有数据采集器，数据采集器与主控计算机连接；所述数据采集器还连接有波形发生器，波形发生器与电光相位调制器连接；所述第二保偏分束器和第二光学桥接器之间还设有移频器；所述的主控计算机还连接有射频驱动器，射频驱动器与移频器连接；所述射频驱动器利用测速结果反馈控制移频器的移频量，克服测距过程中的多普勒展宽，提高测距精度。
[0083] 前述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法的装置，所述激光光源和第一偏振分束器之间还设有起偏器；所述第一保偏分束器和第二偏振分束器之间的测速发射光束传输路线上还设有第一激光放大器；所述第二保偏分束器和第二偏振分束器之间还设有第二激光放大器；所述主控计算机连接有外触发电路，且外触发电路设置在波形发生器和数据采集器之间；所述数据采集器还连接有第二高速模数转换器，第二高速模数转换器与波形发生器连接。
[0084] 前述的偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法的装置，所述的偏振分集光学环形器包括第一偏振分束棱镜，第一偏振分束棱镜经第一全反射镜连接有第一法拉第旋光器和第一半波片；所述第一偏振分束棱镜还经第二法拉第旋光器连接有第二半波片和第二全反射镜；所述第一半波片和第二全反射镜一同连接有第二偏振分束棱镜；第一法拉第旋光器和第二法拉第旋光器分别将垂直偏振和水平偏振光的偏振态旋转45°，第一半波片和第二半波片的慢轴与入射偏振态成22.5°。
[0085] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0086] 1、本发明在激光光源输出光束后经第一偏振分束器分为测速光束和测距光束；
[0087] 测速时，通过对测速本振光束和回波测速光束的正交相干接收，获得具有正交特性的同相信号和正交信号，通过计算机处理，获得目标的径向速度大小和方向。本发明的速度分辨率可以达到1cm/s量级，测速范围可以达到100km/h量级，大大地提高了速度测量的精准性和范围性。
[0088] 测距时，测距光束经过伪随机码相位调制后发射至目标，并接收回波测距光束，回波测距光束与测距本振光束进入光学桥接器进行相干接收，得到相干接收信号，再将随机码信号与相干接收信号实现同步接收及采集，同步采集的两路信号进行相关处理获得目标的距离信息，大大地提高了距离测量的精准性。由此可见，本发明不仅可以对目标实现同步测速测距，而且本发明采用独创性的结构，使得测量结果具有非常优秀的稳定性和精度。
[0089] 2、本发明测速光束和测距光束独立，测速光束不受测距光束脉冲序列长度的影响，因此在一定调制速率下选择适当的伪随机码序列长度，系统的重复频率可以达到MHz量级，而且测速光束和测距光束具有相对独立性，即使其中一个功能损坏，另一个功能仍能继续工作。
[0090] 3、本发明由第二偏振分束器、偏振分集光学环形器和第三偏振分束器实现偏振分集，并通过光学扫描器和光学望远镜实现了收发同轴，有利于集成小型化，降低了系统的复杂性，而且优化了测速测距处理算法，进一步提高了测量结果的稳定性和精度，具有良好的发展前景。
[0091] 4、本发明利用获得到的目标径向速度的大小和方向对测距本振光束进行移频量控制，用于消除激光雷达与目标之间相对运动产生的多普勒频移的影响，提高测距精度。具体地，是采用主控计算机控制的外触发电路给波形发生器提供触发信号，波形发生器产生伪随机码信号并发送至电光相位调制器，将测距发射光束用波形发生器产生的伪随机码信号进行相位调制，获得具有伪随机码的相伴调制后的回波测距光束。同时主控计算机控制外触发电路触发波形发生器产生第二路伪随机码信号并传输至数据采集器，在数据采集器中该伪随机码信号与具有伪随机码相伴调制的相干接收信号同步采集后再进行相关处理，最后获得目标的距离信息。本发明的第二保偏分束器与第二光学桥接器之间还连接有移频器，移频器连接有射频驱动器，射频驱动器与主控计算机相连，由此本发明还利用主控计算机中得到的测速结果控制射频驱动器驱动移频器调节移频量，即通过测速光束的测速结果来反馈控制测距本振光束的移频量，用于克服(或消除)测距过程中的多普勒展宽，从而提高了测距精度，经检测本发明调制速率可达到GHz量级，距离分辨率可达到10cm量级，测距精度达到1cm量级，而且本发明还具有非常高的灵敏度，尤其提高了远距离探测的精度。
附图说明
[0092] 图1是本发明的原理示意图。
[0093] 图2是本发明偏振分集光学环形器示意图。
[0094] 图3是本发明的第一光学桥接器示意图。
[0095] 图4是本发明的第二光学桥接器示意图。
[0096] 附图标记
[0097] 1、激光光源；2、起偏器；3、第一偏振分束器；4、第一保偏分束器；5、第二保偏分束器；6、移频器；7、射频驱动器；8、电光相位调制器；9、波形发生器；10、第一激光放大器；11、第二激光放大器；12、第二偏振分束器；13、偏振分集光学环形器；14、光学扫描器；15、光学望远镜；16、第三偏振分束器；17、第一光学桥接器；18、第二光学桥接器；19、低速光电平衡探测器；20、高速光电平衡探测器；21、低速模数转换器；22、第一高速模数转换器；23、低速数据采集器；24、数据采集器；25、外触发电路；26、主控计算机；27、第二高速模数转换器；131、第一偏振分束棱镜；132、第一全反射镜；133、第一法拉第旋光器；134、第一半波片；
135、第二法拉第旋光器；136、第二半波片；137、第二全反射镜；138、第二偏振分束棱镜；
171、第三偏振分束棱镜；172、第三全反射镜；173、第三半波片；174、第四半波片；175、第五半波片；176、四分之一波片；177、第一偏振分束组合棱镜；178、第二偏振分束组合棱镜；
181、第四偏振分束棱镜；182、第四全反射镜；183、第六半波片；184、第七半波片；185、第三偏振分束组合棱镜。
具体实施方式
[0098] 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。
[0099] 实施例：偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量装置，如图1所示，包括激光光源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，激光光源1经所述的起偏器2起偏，确保偏振消光比大于25dB，并且偏振方向可以控制旋转；起偏后所述激光光源1的输出光束经第一偏振分束器3分为垂直偏振光束和水平偏振光束；垂直偏振光束和水平偏振光束的光强度为50:50；
[0100] 将垂直偏振光束作为测速光束，将水平偏振光束作为测距光束；所述测速光束经第一保偏分束器4分束为测速本振光束和测速发射光束，测速本振光束和测速发射光束分束比为10:90；所述测距光束经第二保偏分束器5分束为测距本振光束和测距发射光束，测距本振光束和测距发射光束分束比为10:90；所述第一保偏分束器4的输出端经第一激光放大器10依次连接有第二偏振分束器12、偏振分集光学环形器13、光学扫描器14和光学望远镜15；所述偏振分集光学环形器13连接有第三偏振分束器16，所述第一保偏分束器4和第三偏振分束器16共同连接有第一光学桥接器17，第一光学桥接器17经低速光电平衡探测器19连接有低速模数转换器21；所述低速模数转换器21经低速数据采集器23连接有主控计算机26；
[0101] 所述第二保偏分束器5的输出端经电光相位调制器8依次连接第二偏振分束器12、偏振分集光学环形器13、光学扫描器14和光学望远镜15；所述第二保偏分束器5和第二偏振分束器12之间的测距发射光束传输路线上还设有电光相位调制器8和第二激光放大器11；所述第二保偏分束器5和第三偏振分束器16共同连接有第二光学桥接器18，第二光学桥接器18经高速光电平衡探测器20和第一高速模数转换器22连接有数据采集器24，数据采集器
24与主控计算机26连接；所述数据采集器24还连接有波形发生器9，波形发生器9与电光相位调制器8连接；所述第二保偏分束器5和第二光学桥接器18之间还设有移频器6；所述的主控计算机26还连接有射频驱动器7，射频驱动器7与移频器6连接；
[0102] 所述主控计算机26还连接有外触发电路25，外触发电路25分别与波形发生器9和数据采集器24连接，用于实现伪随机码信号与相干接收信号的同步采集；所述的主控计算机26还连接有射频驱动器7，射频驱动器7与移频器6连接，用于提供外差中频信号，并通过测速通道采集的数据反馈控制移频器6的移频量，用以补偿目标速度引入的多普勒展宽。
[0103] 所述测速发射光束和测距发射光束的传输路线上的偏振分集光学环形器13、光学扫描器14和光学望远镜15，用于发射测速发射光束及测距发射光束，并接收回波光束；所述的偏振分集光学环形器13包括第一偏振分束棱镜131、第一全反射镜132、第一法拉第旋光器133、第一半波片134、第二法拉第旋光器135、第二半波片136、第二全反射镜137和第二偏振分束棱镜138，用于将测速发射光束或测距发射光束的偏振态旋转90°，而回波光束偏振态保持不变。
[0104] 所述偏振分集光学环形器13连接的第三偏振分束器16将回波光束经分束成回波测速光束和回波测距光束；
[0105] 其中，测速本振光束和回波测速光束输入至第一光学桥接器17实现正交相干接收，第一光学桥接器17的结构示意图如图3所示，采用自由空间结构2×4 90°光学桥接器，由第三偏振分束棱镜171、第三全反射镜172、第三半波片173、第四半波片174、第五半波片175、四分之一波片176、第一偏振分束组合棱镜177和第二偏振分束组合棱镜178组成，其中第一光学桥接器17的光场可以表示为：
[0106]
[0107] ；其中R是目标距离，f0是激光载频，fDoppler是目标速度引起的多普勒频移，c是光速，φS是回波测速光束的噪声位相，φLO是测速本振光束的噪声位相； t是时间；ES是回波测速光束振幅；ELO是测速本振光束振幅；
[0108] 经过第一光学桥接器混频后的四路输出分别为：
[0109]
[0110] ；其中φN是混频噪声位相；IS是和回波测速光束有关的直流量；IO是和测速本振光束有关的直流量；
[0111] 获得具有正交特性的同相信号和正交信号，再由低速光电平衡探测器19进行接收，带宽100MHz，直流耦合；同相信号和正交信号输出分别为：
[0112]
[0113] 其中kin是同相信号的光电平衡探测器响应率，kqu是正交信号的光电平衡探测器响应率， 和 分别是同相信号和正交信号的噪声位相；低速光电平衡探测器19的输出经过低速模数转换器21进行模数转换，最后由低速数据采集器23采集，采样率500MHz；采集的同相信号和正交信号输入主控计算机26进行处理，同相信号和正交信号分别进行快速傅里叶变换(FFT)，同相信号傅里叶变换表示为：
[0114]
[0115] 正交信号傅里叶变换表示为：
[0116] 经过傅里叶变换后，频谱信息里面仅包含目标多普勒信息；
[0117] 两通道进行互谱处理：
[0118]
[0119] ；最后仅取虚部得到
[0120] Img＝δ2(f-fDoppler)-δ2(f+fDoppler)
[0121] 多普勒频移与目标运动的速度成正比，可以表示为
[0122]
[0123] 其中，v是目标径向速度，λ是光源发射波长；
[0124] 通过分析多普勒频谱峰值的位置和正负，最终得到目标径向速度的大小和方向。采用互谱处理和重心法提取多普勒频谱峰值位置，本发明测速精度可以达到1cm/s，最大测速范围达到279km/h。
[0125] 其中测距本振光束和回波测距光束依次输入第二光学桥接器18和高速光电平衡探测器20进行相干接收。第二光学桥接器18的结构示意图如图4所示，采用自由空间结构2×2180°光学桥接器，由第四偏振分束棱镜181、第四全反射镜182、第六半波片183、第七半波片184和第三偏振分束组合棱镜185组成。
[0126] 所述伪随机码信号为:
[0127]
[0128] 其中，ΔT为伪随机码信号的伪随机码序列码元宽度，k为码元序号，K为码元总数，p(k)为伪随机数，取值为0或1；
[0129] 伪随机码信号的主要特性为其自相关函数：
[0130]
[0131] 伪随机码的自相关函数是一个尖锐的脉冲序列，脉冲宽度越小，波形越尖锐；
[0132] 伪随机码信号的互相关特性为∫P1(τ:K，ΔT)P2(τ-t:K，ΔT)dτ≈0[0133] 其中，P1和P2为两个独立的伪随机码序列；
[0134] 所述回波测距光束表示为：
[0135]
[0136] 其中R是目标距离，f0是激光载频，fDoppler是目标速度引起的多普勒频移，c是光速，φ′s是回波测距光束的噪声位相；
[0137] t是时间；E′S为回波测距光束的振幅；
[0138] 所述测距本振光束为
[0139]
[0140] 是测距本振光束的噪声位相，fs是移频量；E′LO为测距本振光束的振幅；
[0141] 所述测距本振光束和回波测距光束进入第二光学桥接器18混频后两路输出分别为：
[0142]
[0143] φN是混频噪声位相，I′s是和回波测距光束有关的直流量，I′o是和测距本振光束有关的直流量；
[0144] 两路输出由高速光电平衡探测器20进行接收并输出，输出为：
[0145]
[0146] ki是高速光电平衡探测器的响应率，φi是高速光电平衡探测器输出的噪声位相；
[0147] 令fi＝fs+fDoppler可得：
[0148]
[0149] 其中Ii是幅值；
[0150] 由于 为一系列0和π的序列,即余弦信号带有相位π的随机变化,根据余弦信号特性,将上式简化后得到相干接收信号：
[0151]
[0152] 其中 p′(k)为伪随机数，取值为1或-1。
[0153] 测距发射光束和回波测距光束的相干接收信号经过第一高速模数转换器22转换，最后由数据采集器24采集，数据输入主控计算机26，且数据采集器24经第二高速模数转换器27同时采集并转换波形发生器9产生的伪随机码信号，调制速率1GHz/s；为保证同步性,采用外触发电路25同时给数据采集器24和波形发生器9提供触发信号，将伪随机码序列与相干接收信号实现同步，数据采集器24的每个通道采样率5GHz；同步采集的两路信号在主控计算机进行相关处理：伪随机码信号依次移位nΔT，并与相干接收信号相乘，得到[0154]
[0155] 在脉冲信号的持续时间T内取积分，可得：
[0156]
[0157] 根据sinc函数的性质可知，fiT的值越高，相关函数峰值的高度越低，在fi＝n/ΔTn为整数时，相关函数峰值为零；在相同fi情况下，相位编码脉冲持续时间越长，多普勒频移对相关结果的影响就越大；因此对多普勒频移进行补偿。
[0158] 在这里取fi＝fs+fDoppler＝0将补偿过的相关函数进行快速傅里叶变换，当移位延迟的码元时间和目标运动导致的延时量不相关时，傅里叶变换频谱无明显峰值；当移位延迟的码元时间和目标运动导致的延时量一致时,傅里叶变换频谱在中频处具有显著峰值。因此，可根据傅里叶变换频谱出现最大峰值时对应的延迟码元数n得到目标距离信息。
[0159] 目标距离为：
[0160]
[0161] 由于在宽脉冲中进行高速伪随机码调制，使得系统的距离分辨率不取决于脉冲宽度，而取决于调制码元宽度，即取决于调制速率，因此，可以采用高速调制来获得高分辨率测距。
[0162] 测距分辨率为：
[0163]
[0164] 本发明利用主控计算机中得到的测速结果控制射频驱动器驱动移频器调节移频量，即通过测速量的反馈控制测距光束的移频量，实现外差中频fi＝fs+fDoppler为稳定值，有效抑制多普勒频移的影响，提高测距精度，尤其提高了远距离探测的精度。
[0165] 本发明采用重心法提取频谱峰值位置，在伪随机序列的长度1000、重复频率为1MHz的条件下，得到测距分辨率为15cm，测距精度1cm。
[0166] 综上所述，在测速领域中，本发明的速度分辨率可以达到1cm/s量级，测速范围可以达到100km/h量级，大大地提高了速度测量的精准性和范围性。在测距领域中，本发明的调制速率可达到GHz量级，测距分辨率可达到10cm量级，测距精度达到1cm量级。由此本发明不仅可以对目标同步测速测距，具有非常优秀的测速测距精准性，而且整体系统小型化，运行容易，具有良好的发展前景。
