技术领域
[0001] 本
发明涉及合成孔径激光雷达领域，特别地，涉及一种基于强度编码调制
信号的合成孔径激光雷达系统。
背景技术
[0002] 当前激光雷达系统按回波的探测方式可分为直接探测激光雷达与相干探测激光雷达。直接探测结构简单，应用最为广泛，这种系统是通过测量发射和接收
光信号的时间延迟(Δt)来计算距离 c是光速，但是要得到高
分辨率必须使用超短脉冲、高速
采样，以及灵敏度非常高的
雪崩光电
二极管作为探测器，对器件要求比较高，受噪声影响较大。相干探测利用连续的
本振光信号与回波在探测器上混频，探测灵敏度高，且可得出回波
频率与
相位变化，探测距离相较直接探测明显增加，在大型相干激光雷达以及激光多普勒雷达中得到应用。
[0003] 由激光雷达理论可知，功率受限时，所探测的距离越远，要求脉冲时宽越大；而要实现的距离分辨率越高，则需要的带宽越大，简单脉冲的时宽带宽乘积接近于l，时宽与带宽相互制约，不能同时增大。故对这种恒定
波长的简单激光脉冲，最大作用距离与距离分辨率不可能同时兼顾。最好的解决办法就是，采用具有大时宽带宽积的复杂信号形式作为发射信号。
[0004] 信号理论早就指出，大时宽与带宽积的发射信号，必须使用复杂的调制
波形。常用的有三种形式：线性调频、非线性调频和相位编码调制。由于线性调频信号(LFM信号，即啁啾信号)易于产生、便于处理、对多普勒频移不敏感等特性，早期的实验室演示系统均采用该调制方式。但宽带调频速率低而致重复频率不高，宽带调频线性度差，对于距离分辨率要求较高的机载平台等高速运动平台无法使用该方式，限制了合成孔径激光雷达的应用；非线性调频激光的信号源处理较为复杂，很少有研究；随机码相位调制激光雷达可以实现快速的信号调制，但是调制机构复杂，对相位的调制需要精确控制，工程实现上受到诸多限制。
[0005] 基于以上，目前限制机载合成孔径激光雷达工程化的最大障碍在于，无法在极短时间内(亚毫秒)调制得到大时宽带宽积雷达信号。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种基于强度编码的合成孔径激光雷达，实现极短调制时间(亚毫秒)的大时宽带宽积雷达信号。
[0007] 本发明了提供一种新的快速调制方式，满足机载等快速运动平台，实现距离向与方位向的高分辨率成像，调制设备简单易用，利于实现。本发明提出的强度编码调制方式采用N阶随机码，码元宽度为T，码元个数为L，通过光电强度
调制器调制到发射脉冲光中。受益于现有光电调制器的调制速度非常快(铌酸锂强度调制器调制速度可达40Gb/s，这是
微波领域不具备的)，在保证高重复频率的前提下可以得到很高的带宽。以下对本发明优势进行详细推导。
[0008] 合成孔径激光雷达实际中选取λ＝1550nm波长的连续激光作为
光源，发射信号频率记为ω0，则激光出射信号可表示为：
[0009] s(t)＝Esexp(-j(ω0t)) (1)
[0010] Es表示信号幅度，简单起见，设为相同。
[0011] 信号经过斩波，得到宽度为T*L的脉冲信号，重复频率fr按照方位向多普勒频率fd的2倍以上进行设置，
[0012]
[0013] 其中V为载机在方位向的运动速度，θ为载机当前
位置与目标位置的夹
角。
[0014] 编码码元信号表示为A(t)，则有
[0015]
[0016] 其中p(n)为1到N随机取值的随机数序列，个数为L。
[0017] 调制后的光信号为
[0018]
[0019] 经过目标反射后回到接收系统，设经过的延时为τ，则回波表示为[0020]
[0021] 与本振进行相干平衡检测，最终得到的码元信号为
[0022]
[0023] 对As(t)进行匹配滤波，即可得到目标对应尖峰的位置，完成距离向
数据压缩。在方位向对多普勒
频谱进行相应的压缩，最终得到高分辨率二维成像，方位向的压缩由于采用的是经典的方法，在此不再赘述。
[0024] 根据匹配滤波及雷达
信号处理理论，雷达在距离向的分辨率与调制带宽成正比ρr＝c/2B，c是光速，B为调制带宽。具体到本发明中，B对应的带宽为1/T。考虑到信号发生器产生码元速率的限制，本发明选择B＝2GHz，对应的距离分辨率可达7.5cm，随着码元速率的提高，分辨率还可以进一步提升。为了减轻后端AD采样的压
力，采用了I/Q
正交解调，将采样速率降低了一半。
[0025] 据此，本发明提出基于强度编码调制的合成孔径激光雷达系统，如图1，系统组成部分及功能如下：
[0026] 1、系统光纤光路。由窄线宽连续
激光器1，90/10光纤分束器2，
光放大器4，光纤环形器5，收发镜头6，90°
移相器7，50/50光纤分束器10，3dB
耦合器15，3dB耦合器16，斩波器17组成。窄线宽连续激光器1输出激光功率在100mW以上，线宽100KHz以下。斩波器17重复频率在1KHz以上。
光放大器4的输出功率根据作用距离而定，一般选择5W到20W。
[0027] 2、雷达信号调制部分。由铌酸锂强度调制器3、宽带
射频放大器8与任意波形发生器9组成。铌酸锂强度调制器3调制带宽要达到1Gb/s以上，宽带射频放大器8工作带宽需要5GHz以上，增益20dB；任意波形发生器9输出带宽1GHz以上，且可以调整码元宽度。可以在极短时间内(亚毫秒)，实现大时宽带宽积雷达信号调制。
[0028] 3、回波信号处理部分。由1号平衡探测器-13，2号平衡探测器-14，宽带高速
模数转换器-11，
数据处理单元-12组成。1号平衡探测器-13和2号平衡探测器-14为中心波长1550nm，带宽500M-3GHz等pin探测器；宽带高速模数转换器-11带宽500M-3GHz左右，采样速率1-3GS/s，有效位大于7。
[0029] 系统具体工作流程如下：
[0030] 窄线宽连续激光器1产生中心波长1550nm的连续激光，送入90/10光纤分束器2，其中90％
能量作为发射信号s1送入铌酸锂强度调制器3，10％作为本振信号s2；
[0031] 由任意波形发生器9产生随机N阶码元，N选取6到16。经过宽带射频放大器8放大到适合的
电压幅度，输入到铌酸锂强度调制器3的射频端口，对信号s1进行幅度编码调制，输出调制信号s3；
[0032] s3经过斩波器17，经由光纤环形器5和收发镜头6发射出射信号s4；
[0033] 出射信号s4被目标反射，在收发镜头6得到回波r1，从光纤环形器5的2号口输出，将能量平均送给3dB耦合器Ⅰ15和3dB耦合器Ⅱ16；
[0034] 本振信号s2经过50/50光纤分束器10分成两路能量相等的信号L1和L2，其中L2经过移相器7延时90°相位；
[0035] 将L1和L2分别送入3dB耦合器Ⅰ15和3dB耦合器Ⅱ16，混频后，分别经平衡探测器Ⅰ13和平衡探测器Ⅱ14光电转换后被宽带高速模数转换器11采样，存储到数据处理单元12中进行数据处理，经过编码压缩和匹配滤波，得到图像数据。
[0036] 系统中，随机N阶码元，其幅值按照1到N随机分布，发射信号s1经过强度调制后，幅度包络按照编码幅值变化。
[0037] 本发明的优点在于：系统信号调制速度极快，在满足机载平台飞行速度的前提下，调制带宽可达5GHz以上，系统采用保偏光纤结构，幅度
稳定性高，易于调整光路，探测灵敏度高，距离分辨率达到厘米量级。
附图说明
[0038] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成
说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
[0039] 图1是随机强度调制码元示意图，码元长度为6，代表315783；
[0040] 图2是长度为500，高度为1到16随机排布码元的自相关图；
[0041] 图3是系统实现示意
框图，其中各部分分别为：
[0042] 1.窄线宽连续激光器，2.90/10光纤分束器，3.铌酸锂强度调制器，4.光放大器，5.光纤环形器，6.收发镜头，7.90°移相器，8.宽带射频放大器，9.任意波形发生器，10.50/50光纤分束器，11.宽带高速模数转换器，12.数据处理单元，13.平衡探测器Ⅰ，
14.平衡探测器Ⅱ，15.3dB耦合器Ⅰ，16.3dB耦合器Ⅱ，17.斩波器。
具体实施方式
[0043] 以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0044] 强度编码调制合成孔径激光雷达系统对目标的二维成像过程分为以下几步：
[0045] 1、设置编码的码元宽度和码元阶数，选取随机码序列，这一步骤设定发射信号的调制信息。任意波形发生器9选择泰克公司的AWG5102C，按照距离分辨率来设定码元宽度，选择5ns码元宽度。输出电平峰峰值设为300mV，按照8阶强度，即码元输出幅值为300mV/8*n，n＝1,2,3…8。码元长度设为1000。考虑到输出电平范围比较小，而一般的强度调制器半波电压在5V上下，中间加宽带射频放大器8(选择德国SHF公司的SHF806e，放大增益为26dB)对码元进行放大。
[0046] 2、调节光路使目标反射的光进入收发镜头6中。收发镜头6按照发散角3mrad、口径30mm设计。将收发镜头6调整对准目标，保证光路的
水平和竖直方向上都非常直，用功率计在
准直镜后测量目标反射回来，又耦合进光纤的光功率，光功率最大时，可认为光路达到最优；
[0047] 3、激光器输出能量调节。由于本系统是对强度进行调制，在满足窄线宽和低
相位噪声的同时，需要激光器的输出光强稳定。激光器选择Orbits Lightwave公司的ETH-180-1550.12-2-PZ10B-SL130-TT-PM，在开机一个小时后能量基本稳定，上下误差在nW左右，基本满足系统测量需求；
[0048] 4、连接图1中所有的光纤器件，光纤器件均采用保偏光纤，包括2,10,7,15,16,13,14,5等；
[0049] 5、调整I/Q正交解调光纤长度，对正交采样的相位
不平衡度和幅值不平衡度进行校准；
[0050] 6、将收发镜头6固定在位移平台，控制位移平台按照500um/s速度匀速直线运动(对于机载情况，将系统置于稳定平台上)，同时开启激光器，系统开始工作，平衡探测器Ⅰ13和平衡探测器Ⅱ14采用New Focus的1617-FC，带宽为800MHz，转换增益为1V/A；宽带高速模数转换器11采用安捷伦公司的U1064A采集卡，采样速率1GS/s，有效位8bit。
[0051] 7、在合成孔径时间结束后，将存储的采样数据进行距离向的压缩(码元卷积运算)，然后做方位向数据压缩(匹配滤波)。
[0052] 以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，可以将随机码元改变为特定的某种码元，将光纤光路改为自由空间光路等。
[0053] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，例如将该系统用于多普勒测距和测速，而不是合成孔径激光雷达。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0054] 此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
