相位编码不饱和调制方法、装置、激光雷达测距测速方法及激光雷达系统
阅读说明：本技术 相位编码不饱和调制方法、装置、激光雷达测距测速方法及激光雷达系统 (Phase coding unsaturated modulation method and device, laser radar ranging and speed measuring method and laser radar system ) 是由 李存惠 姚建 张淑敏 符晓金 于 2019-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种相位编码不饱和调制方法、装置、激光雷达测距测速方法及激光雷达系统,采用相位不饱和调制方式使调制激光信号同时存在能量比例相同或接近的单频分量和相位调制分量,其中单频分量可以用于平台和目标间相对运动速度获取以及对种子激光的频率漂移进行补偿,利用获得的相对多普勒频率构建匹配滤波函数,对相位编码信号进行脉冲压缩,进而得到目标与平台间的距离信息。本发明可同时完成测距测速,准确度高、误差小、计算量小、系统复杂程度低。(The invention relates to a phase coding unsaturated modulation method, a phase coding unsaturated modulation device, a laser radar distance and speed measurement method and a laser radar system. The invention can simultaneously complete distance measurement and speed measurement, and has the advantages of high accuracy, small error, small calculated amount and low system complexity.)
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种相位编码不饱和调制方法、装置、激光雷达测 距测速方法及激光雷达系统。
背景技术
脉冲压缩是现代雷达的一种重要体制，它有效地解决了雷达距离分辨力与平均功率之间 的矛盾，并广泛应用于现代雷达中。典型的脉冲压缩信号有三类：线性调频(LFM)信号、非线 性调频(NLFM)信号和相位编码(PSK)信号，其中相位编码信号在时宽带宽积较小的情况下，主 副比大，压缩性能好，受到广泛的应用，并且由于相位编码采用伪随机序列信号，易于实现 信号“捷变”，有利于提高雷达系统的抗截获能力，但不足之处在于相位编码信号在对目标回 波信号进行脉冲压缩过程中，由于目标和平台、以及在雷达信号往返时间内种子激光载波频 率的变化，将使得回波信号受到多普勒调制，由于平台和目标相对运动多普勒的存在导致匹 配滤波函数变得完全不匹配，相位编码信号无法通过脉冲压缩过程获得目标与平台间相对距 离信息，相位编码信号对多普勒敏感，当回波信号存在多普勒频移时，会严重影响脉冲压缩 性能，因此，特别是在激光雷达等载波频率高、目标相对运动多普勒频移大以及种子激光频 率稳定性差的情况下，必须对目标与平台间存在相对运动引起的多普勒进行补偿处理。因此 需要改进现有技术来有效解决传统相位编码信号的多普勒敏感性问题，同时又能实现对目标 的相对运动速度的测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种相位编码不饱和调制方法、装置、激 光雷达测距测速方法及激光雷达系统，采用相位不饱和调制方式使调制激光信号同时存在单 频分量和相位编码调制分量，其中单频分量可以用于平台和目标间相对运动速度获取以及对 种子激光的频率漂移进行补偿，利用获得的相对多普勒频率构建匹配滤波函数，对相位编码 调制信号进行脉冲压缩，进而得到目标与平台间的距离信息。
本发明的技术方案是：一种相位编码不饱和调制方法，对单频激光进行相位编码调制， 相位编码调制形式为二相或多相，调制深度为相位不饱和调制。
进一步地，相位编码调制形式为二相码时信号调制形式为：
其中，Sig(t)为输出的激光调制信号，A为激光信号幅度，f0为激光载频，
进一步地，η为0.4～0.6。
进一步地，经过相位编码不饱和调制后的激光信号包括单频频谱分量和相位编码调制的 宽带频谱分量，相位编码调制的宽带频谱分量即相位编码频谱分量，二者所占的能量比例相 同或接近。
进一步地，所述单频频谱分量的能量占比为40％-60％。
本发明还提供了一种相位编码不饱和调制装置，用于实现上述的一种相位编码不饱和调 制方法，其特征在于：包括激光发生器，激光相位调制器和信号发生器，激光发生器用于发 射恒定强度的单频激光，激光发生器的激光发射端连接激光相位调制器的光输入端，信号发 生器用于产生相位编码调制电信号，信号发生器的电信号输出端连接激光相位调制器的信号 输入端，所述单频激光在激光相位调制器进行相位编码不饱和调制。
本发明还提供了一种激光雷达测距测速方法，基于上述的一种相位编码不饱和调制方法， 包括以下步骤：
步骤S1:对单频激光进行相位编码不饱和调制；
步骤S2:将经过相位编码不饱和调制及放大后的激光信号发射，并经目标反射的回波激 光与单频激光进行外差混频和光电转换，得到外差后的中频电信号；
步骤S3:对中频电信号进行处理，转换为中频复数信号；；
步骤S4:中频复数信号进行傅里叶变换，获得信号频谱；
步骤S5:对经过傅里叶变换后得到的信号频谱和中频复数信号进行数据处理，得到速度 信息和距离信息，从而完成激光雷达测距测速。
进一步地，所述步骤S1中，还包括对单频激光进行脉冲宽度调制，激光信号经脉冲宽度 调制后为连续波、准连续波或脉冲波形式，调制过程中也可同时对激光频率进行频移。
进一步地，所述步骤S3中，所述复信号转换的过程采用硬件结构实现或采用数据处理算 法实现。
进一步地，所述步骤S4中还包括以下步骤：
S41:中频复数信号经过傅里叶变换后得到的单频频谱分量与频率信号强度阈值进行比 较，得到强度大于频率信号强度阈值的单频峰值点数组，从而得到激光雷达与目标间相对运 动的多普勒大小和方向；
S42:通过对单频峰值点数组处理可以得到速度数组，速度数组既体现速度信息；
S43:利用单频峰值点数组构建匹配滤波函数，匹配滤波函数与中频复数信号中的相位编 码频谱分量进行脉冲压缩，压缩后的数据信息与距离信号强度阈值进行比较，大于距离信号 强度阈值的点组成距离数组，距离数组既体现距离信息；
S44:输出速度数组和距离数组。
本发明还提供了一种激光雷达系统，用于执行上述的激光雷达测距测速方法，包括：激 光发生器，激光相位调制器，激光放大器，激光解调器，光电探测器，数据采集及处理器和 信号发生器，激光发生器用于发射单频激光，激光发生器的激光发射端连接激光解调器的光 输入端和激光相位调制器的光输入端，信号发生器用于产生相位编码调制电信号，信号发生 器的电信号输出端连接激光相位调制器的信号输入端，激光相位调制器的光输出端连接激光 放大器的光输入端，激光放大器的光输出端连接收发光路，收发光路将激光放大器输出的激 光进行发射，同时将接收到的目标反反射回波信号引入激光解调器的光输入端，激光解调器 的光输出端连接光电探测器，光电探测器连接一个数据采集及处理器。
进一步地，还可设置脉冲宽度调制器，所述宽度调制器设置在所述激光发生器和所述激 光相位调制器之间，脉冲宽度调制器还可具备对激光信号移频功能。
进一步地，还可设置环形器，所述环形器设置在所述激光放大器和所述收发光路之间。
本发明具有以下有益效果：
1)利用相位编码不饱和调制信号可以同时获得目标与平台间的相对运动速度和距离信息， 与现有相位编码技术相比可以获得速度/多普勒维度探测，进一步提升现有相位编码调制技术 的多普勒容限；
2)本发明的技术方案在回波信号具有极低信噪比的情况下(<0dB)也能获得目标运动速 度信息，相比现有技术中利用中频正交相位编码信号相乘检测运动速度的方案相比，系统的 探测灵敏度更高；
3)不饱和调制的信号形式在测速和测距维度上，信号具有相同的载波、生成时间及传播 路径，因此多普勒和环境误差对测距-测速信号分量引起的误差完全相同，为共模误差，后续 通过信号处理手段可以消除；
4)相位编码不饱和调制方式只需对回波信号进行一次傅里叶变换就可得到目标相对运动 多普勒频率，不需要复杂的迭代信号处理过程，有效降低了系统计算量；
5)本发明的技术方案采用不饱和调制方式，只采用一级调制器就可完成不饱和相位编码 不饱和调制，使系统复杂度大幅降低。
附图说明
图1是相位编码不饱和调制外差后的时域信号形式。
图2是相位编码不饱和调制外差后的频域信号形式。
图3是相位编码不饱和调制装置的系统示意图。
图4是基于相位编码不饱和调制的激光雷达测距测速方法流程图。
图5是激光雷达测距测速系统的示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：1.单频频谱分量；2.相位编码频谱分量；3.单频激 光；4.回波激光；5.中频电信号；6.中频复数信号；7.信号频谱；8.频率信号强度阈值；9. 单频峰值点数组；10.匹配滤波函数；11.脉冲压缩；12.距离信号强度阈值；13.速度数组； 14.距离数组；15.循环操作；16.激光发生器；17.调制器；18.激光相位调制器；19.激光放 大器；20.环形器；21.收发光路；22.激光解调器；23.光电探测器；24.数据采集及处理器； 25.信号发生器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1-2，一种相位编码不饱和调制方法，包括：对激光发生器16输出单频激光进行 相位编码调制，相位编码调制形式为二相或多相，调制深度为相位不饱和调制，当相位编码 形式为二相码时，相位不饱和调制的信号调制形式为：
其中，Sig(t)为输出的激光调制信号，A为激光信号幅度，f0为激光载频，为相位调 制信号，n为整数(如-1、0、1…)，η为0.2～0.8(以0.4～0.6为佳)。
经过相位编码不饱和调制后的激光信号包括单频频谱分量1和相位编码调制的宽带频谱 分量，相位编码调制的宽带频谱分量即相位编码频谱分量2，二者所占的能量比例相同或接 近，所述单频频谱分量1的能量占比为40％-60％。
实施例2
参见图3，一种相位编码不饱和调制装置，包括激光发生器16，激光相位调制器18和信 号发生器25，激光发生器16用于发射恒定强度的单频激光，激光发生器16的激光发射端连 接激光相位调制器18的光输入端，信号发生器25用于产生相位编码调制电信号，信号发生 器25的电信号输出端连接激光相位调制器18的信号输入端，单频激光在激光相位调制器18 进行相位编码不饱和调制，经过相位编码不饱和调制的激光信号中包括单频频谱分量和相位 编码调制的宽带频谱分量，并且二者所占的能量比例相同或接近。
实施例3
参见附图4，一种激光雷达测距测速方法，具体包括以下步骤：
步骤S1:利用实施例1中的方法对激光发生器16输出单频激光进行相位编码不饱和调制；
步骤S1中还包括对激光发生器16输出单频激光进行脉冲宽度和频率调制。
步骤S2:将经过相位编码不饱和调制及放大后的激光信号发射，并经目标反射的回波激 光4与单频激光3进行外差混频和光电转换，得到外差后的中频电信号5；对所述中频电信 号进行处理，转换为中频复数信号6；
激光解调5的过程可以采用硬件结构例如正交解调器实现，也可以用3dB耦合器结合 Hilbert transform等数据处理算法实现；
步骤S3:对中频复数信号6进行傅里叶变换，获得信号频谱7；
步骤S4:对经过傅里叶变换后得到的信号频谱7和中频复数信号6进行数据处理，得到 速度信息和距离信息，从而完成激光雷达测距测速。
步骤S4中的数据处理具体包括以下步骤：
步骤S41:激光信号经过傅里叶变换后得到的信号频谱7中的单频频谱分量与频率信号 强度阈值8进行比较，得到强度大于频率信号强度阈值8的单频峰值点数组9，从而得到激 光雷达与目标间相对运动的多普勒大小和方向；
步骤S42:通过对单频峰值点数组9处理可以得到速度数组13，速度数组13体现速度信 息；
步骤S43:利用单频峰值点数组9中的各个元素构建匹配滤波函数10，匹配滤波函数10 与中频复数信号6的相位编码频谱分量进行脉冲压缩11，压缩后的数据信息与距离信号强度 阈值12进行比较，大于距离信号强度阈值12的点组成距离数组14，距离数组14体现距离 信息；
步骤S44:输出速度数组13和距离数组14。
实施例4
参见附图5，一种激光雷达系统，用于执行实施例3所述的激光雷达测距测速方法，具 体包括以下部件：激光发生器16，激光相位调制器18，激光放大器19，收发光路21，激光解调器22，光电探测器23，数据采集及处理器24，信号发生器25；
激光发生器16用于发射单频激光，激光发生器16的激光发射端连接激光相位调制器18 的光输入端和激光解调器22的光输入端，信号发生器25用于发射相位编码调制电信号，信 号发生器25的信号输出连接激光相位调制器18的信号输入端，所述单频激光在激光相位调 制器18中进行相位编码不饱和调制，经过相位编码不饱和调制的激光信号中包括单频频谱分 量和相位编码调制的宽带频谱分量，并且二者所占的能量比例相同或接近。
激光相位调制器18的光输出端连接激光放大器19的光输入端，激光放大器19的光输出 端连接连接收发光路21，收发光路21将激光放大器19产生的激光信号进行发射，同时将接 收到的目标反射回波信号4引入激光解调器22的光输入端，激光解调器22的光输出端连接 光电探测器23，光电探测器23连接数据采集及处理器24，收发光路21用于进行激光发射和 回波激光接收的装置。
上述激光雷达系统还可设置调制器17，所述调制器17设置在所述激光发生器16和所述 激光相位调制器18之间，或者设置在所述激光发生器16和所述激光解调器22之间。
调制器17为脉冲宽度调制器，激光信号经脉冲宽度调制后为连续波、准连续波或脉冲波 形式；或者调制器17为脉冲频率调制器，可以对输入的激光信号进行频率调制；或者调制器 17为脉冲宽度频率调制器，可以同时对输入的激光信号进行脉冲宽度和频率调制。
上述激光雷达系统还可设置环形器20，所述环形器20设置在所述激光放大器19和所述 收发光路21之间。
激光解调器22可以采用正交解调方式获得相位差90°的4路光混频信号，也可采用3dB 耦合方式得到相位差180°的2路光混频信号。
若激光解调器22为正交解调器，需要连接的两个光电探测器23，相位差0°和180°信 号进一个探测器，相位差90°和270°信号进另一个探测器。
若激光解调器22为3dB耦合器，需要连接一个光电探测器23。
激光发生器16输出单频激光经过脉冲宽度/频率调制器17的调制后进入激光相位调制器 18里进行相位编码不饱和调制，经过相位编码不饱和调制的激光信号通过激光放大器19进 入环形器20，环形器20连接收发光路21进行激光发射，收发光路21接收到的目标回波连 接环形器20形成回波激光4，单频激光3和回波激光4进入激光解调器22进行外差解调， 经解调后的激光信号进入光电探测器23和数据采集及处理器24进行信号处理。
上述外差解调过程中激光解调器22可以是正交解调器获得相位差90°的四路光信号， 也可以是3dB耦合器获得相位差180°的二路光信号。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制， 其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应 为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。