一种光电双下变频的激光相干探测方法及系统与流程

1.本技术涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种光电双下变频的激光相干探测方法及系统。


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.在相干探测体制下，激光雷达接收机需使用相干接收的方式对接收信号进行解调。相干接收时通常根据接收机结构的不同选择合适的本振信号，将本振信号与接收信号进行混频，进而解调得到中频信号或基带信号，随后对解调信号进行进一步处理以获得距离信息。
4.在激光相干探测中，由于激光发射功率不能无限增大，为了提升激光雷达的探测距离和距离分辨力，需要在信号解调的过程中提高信噪比。目前激光相干雷达接收机通常需通过二次下变频，第一次下变频将激光雷达回波信号从光信号解调成中频电信号，第二次下变频将中频电信号解调成基带信号以进行脉冲压缩等信号处理过程。与无线电接收机相同，镜像频率抑制能力很大程度上影响了接收机的接收性能。
5.镜像频率(mirror frequency)指在雷达回波信号下变频过程中，回波信号与本振信号频率相差为一个中频频率，在本振频率另一侧相距一个中频的频率成分在混频过程中将会与变频后的有用信号叠加导致解调信号信噪比降低，且由于混频后原信号中的有用信号与镜像频率处的噪声信号均被搬移至中频处，导致无法将有用信号与噪声分离。
6.在相干激光测距雷达中，同样存在镜像频率干扰的问题。目前相干激光雷达接收机多采用外差式下变频的方法，在第一次光下变频阶段通常直接将本振光和信号光混频，其镜频抑制是通过前置带通滤波器实现的，但受限于滤波器的幅频特性，在解调前对回波信号进行镜像频率滤波的方法实现起来效果并不显著，镜像频率干扰难以得到有效消除，最终导致解调信号的信噪比降低，雷达作用距离减小。


技术实现要素：

7.本技术实施例提供一种光电双下变频的激光相干探测方法及系统，用以提出一种全新的光电双下变频技术，在光下变频阶段采用两路正交信号作为本振光，使探测系统的信噪比进一步得到优化，提高探测距离和精度。
8.本技术实施例提供一种光电双下变频的激光相干探测方法，包括如下步骤：
9.将种子源输出光按照预设比例进行分束，并基于分束后的光信号生成两路相位正交的本振光信号；
10.基于分束后的光信号中的一路，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制；
11.利用生成的相位正交的本振光信号，对基于调制的信号光的接收光信号进行正交下变频，以获得中频电信号；
12.对所述中频电信号，进行数字下变频，以获得目标iq信号；
13.对所述目标iq信号进行脉冲压缩处理，以确定目标距离信息。
14.可选的，将种子源输出光按照预设比例进行分束，并基于分束后的光信号生成两路相位正交的本振光信号包括：
15.将种子源输出光按照预设大小比例进行分束，并将小比例的一路等分为第一光束和第二光束，以及将大比例的一路衰减、声光调制产生所需频移后等分为第三光束和第四光束；
16.将所述第一光束和所述第二光束接入两路长度相近的光纤，并基于两路光纤的输出端分别与所述第三光束和所述第四光束进行合束；
17.将合束后的光信号分别接入光电探测器，以在光电探测器进行混频，获得混频信号。
18.可选的，还包括：
19.在所述第一光束和所述第二光束接入的两路光中的一路，将光纤切断后接入光纤熔接机；
20.利用示波器观测光电探测器输出的混频信号的相位和幅度；
21.若光电探测器输出的混频信号的相位和幅度不满足正交要求，则通过所述光纤熔接机调整光纤端面的位移，直至满足正交要求，以获得两路相位正交的本振光信号；以及，在满足正交要求后，利用所述光纤熔接机对光纤进行熔接。
22.可选的，基于分束后的光信号中的一路，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制包括：
23.将种子源输出光按照预设大小比例分束的大比例的一路，光经斩波、调制、放大，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制。
24.可选的，利用生成的相位正交的本振光信号，对基于调制的信号光的接收光信号进行正交下变频，以获得中频电信号包括：
25.将调制后的所述信号光向目标发射，发射信号经过接收镜头后等分为第一回波光信号和第二回波光信号；
26.利用生成的相位正交的本振光信号，对所述第一回波光信号和所述第二回波光信号进行正交下变频；
27.利用光电探测器探测正交下变频后的光信号，并对光电探测器的输出进行信号采集，以获得第一iq信号；
28.对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号。
29.可选的，对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号包括采用如下方式对所述第一iq信号的幅度相位不平衡进行补偿：
30.对所述第一iq信号每一个si(k)和sq(k)，采用以下公式进行修正：
31.[0032][0033]
其中，si(k)和sq(k)矫正前的i/q信号，si和sq为矫正前的i/q信号的向量形式，i
out
(k)和q
out
(k)为矫正后的iq信号，e(sq)表示q支路信号的数学期望，e(si)表示i支路信号的数学期望。k的取值为1～n，n为ad采集信号采样点数。
[0034]
可选的，对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号还包括采用如下方式对i/q支路进行滤波和耦合：
[0035]
构造数字hilbert滤波器，其中心频率为i/q信号的中心频率；
[0036]
将i支路信号通过所述数字hilbert滤波器，再将两支路信号相加得到所述中频电信号。
[0037]
本技术实施例还提出一种光电双下变频的激光相干探测系统，包括处理器和存储器，所述存储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如前述的光电双下变频的激光相干探测方法的步骤。
[0038]
本技术实施例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如前述的光电双下变频的激光相干探测方法的步骤。
[0039]
本技术实施例提出了一种全新的光电双下变频技术，在光下变频阶段采用两路正交信号作为本振光，使探测系统的信噪比进一步得到优化，提高探测距离和精度。
[0040]
上述说明仅是本技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本技术的具体实施方式。
附图说明
[0041]
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，而并不认为是对本技术的限制。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：
[0042]
图1为本技术实施例的光电双下变频的激光相干探测方法的基本流程图；
[0043]
图2为本技术实施例的产生90度相差本振光光路示意图；
[0044]
图3为本技术实施例的光正交下变频光纤连接示意图。
具体实施方式
[0045]
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。
[0046]
本技术实施例提出一种全新的光电双下变频技术，在光下变频阶段采用两路正交信号作为本振光，将信号光分为两路，将两路本振光信号分别与两路信号光进行混频，相较于采用一路本振光与信号光直接混频，有效抑制镜像频率。然后对两路混频后的信号进行ad采集，对两路信号进行补偿处理，消除两路正交本振信号幅度不一致、相位相差不是90
°
对正交混频造成的影响，补偿处理后进行耦合滤波，得到电中频信号。对电中频信号进行下变频得到基带信号，然后对基带信号进行数据，数据处理方法与对激光发射信号调制方法有关，如果是线性调频，可采用脉冲压缩方法。具体的本技术实施例提供一种光电双下变频的激光相干探测方法，首先对在本振光通路中引入90度相位差，然后对发射信号进行调制，接着对雷达接收光信号进行正交下变频，最后进行中频电信号下变频。
[0047]
如图1所示，本技术的方法包括如下步骤：
[0048]
在步骤s101中，将种子源输出光按照预设比例进行分束，并基于分束后的光信号生成两路相位正交的本振光信号。
[0049]
在一些实施例中，将种子源输出光按照预设比例进行分束，并基于分束后的光信号生成两路相位正交的本振光信号包括：
[0050]
将种子源输出光按照预设大小比例进行分束，并将小比例的一路等分为第一光束和第二光束，以及将大比例的一路衰减、声光调制产生所需频移后等分为第三光束和第四光束。如图2所示，一些具体示例中，可以将种子源输出光经分束器(比如按照2：8)分为两束，20％的这一路光再等分成2束(光束1(第一光束)、光束2(第二光束))，80％的这一路光衰减到1/4，经声光调制器产生200mhz频移后等分成2束(光束3(第三光束)、光束4(第四光束))。
[0051]
将所述第一光束和所述第二光束接入两路长度相近的光纤，并基于两路光纤的输出端分别与所述第三光束和所述第四光束进行合束。一些具体示例中，可以将光束1、光束2分别接入两段长度相近的光纤，将这两路光纤的输出端分别与光束3、光束4进行合束。
[0052]
将合束后的光信号分别接入光电探测器，以在光电探测器进行混频，获得两路混频信号。一些具体示例中，合束后分别接入光电探测器，两路合束光在光电探测器表面进行混频，混频后的信号为200mhz的电信号，将光电探测器连接示波器以观察两路混频后信号的相位和幅度。若两路混频后信号幅度相等，相位相差90
°
，则表示光束1、光束2即为正交本振光。
[0053]
在步骤s102中，基于分束后的光信号中的一路，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制。在一些具体示例中，基于分束后的光信号中的一路，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制包括：
[0054]
将种子源输出光按照预设大小比例分束的大比例的一路，光经斩波、调制、放大，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制。
[0055]
本技术实施例基于前述2:8分束进行进一步说明，在步骤s101中产生80％的这一路光后续的衰减、分束等操作是用以辅助产生90
°
相差的本振光，产生完后，可切断后续对这路光的操作。
[0056]
在步骤s101中产生80％的这一路光经斩波、调制、放大，作为信号光发射出去。可以使用线性调频信号(比如300mhz-700mhz的线性调频(chirp)信号)或者单一频率调制(比如使用500mhz信号)对激光发射信号频率进行调制。
[0057]
在步骤s103中，利用生成的相位正交的本振光信号，对基于调制的信号光的接收光信号进行正交下变频，以获得中频电信号。
[0058]
在一些具体示例中，利用生成的相位正交的本振光信号，对基于调制的信号光的接收光信号进行正交下变频，以获得中频电信号包括：
[0059]
将调制后的所述信号光向目标发射，发射信号经过接收镜头后等分为第一回波光信号和第二回波光信号。
[0060]
利用生成的相位正交的本振光信号，对所述第一回波光信号和所述第二回波光信号进行正交下变频。
[0061]
利用光电探测器探测正交下变频后的光信号，并对光电探测器的输出进行信号采集，以获得第一iq信号。
[0062]
光正交下变频光纤连接关系如图3所示，激光发射信号经过接收镜头后等分成2束回波光，使用上述产生的两路正交本振光信号(即光束1、光束2)与2束回波光进行正交下变频，光电探测器探测正交下变频后的光信号，将两光电探测器输出分别接ad转换模块对混频后的电信号进行采集。得到iq信号，分别得到si(k)、sq(k)。k的取值为1～n，n为ad采集信号采样点数。之后对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号。
[0063]
在步骤s104中，对所述中频电信号，进行数字下变频，以获得目标iq信号。
[0064]
在步骤s105中，对所述目标iq信号进行脉冲压缩处理，以确定目标距离信息。
[0065]
本技术实施例提出了一种全新的光电双下变频技术，在光下变频阶段采用两路正交信号作为本振光，使探测系统的信噪比进一步得到优化，提高探测距离和精度。
[0066]
在一些实施例中，获得两路相位正交的本振光信号的过程还包括：在所述第一光束和所述第二光束接入的两路光中的一路，将光纤切断后接入光纤熔接机；
[0067]
利用示波器观测光电探测器输出的混频信号的相位和幅度；
[0068]
若光电探测器输出的混频信号的相位和幅度不满足正交要求，则通过所述光纤熔接机调整光纤端面的位移，直至满足正交要求，以获得两路相位正交的本振光信号；以及，在满足正交要求后，利用所述光纤熔接机对光纤进行熔接。
[0069]
具体本技术实施例为了对本振光相位进行控制，将上述传输本振光信号的光纤的其中一路切断后接入高精度光纤熔接机，精密控制熔接机中光纤端面的位移，同时观察示波器中两信号相位和幅度的相对变化，待两路信号产生稳定的90度相位差且幅度相等后进行熔接，光纤连接如图2所示。
[0070]
i/q解调要求本振信号相位差保持严格的90度，i/q支路振幅保持相等，才能实现对镜频的完全抑制，幅度相位的不平衡将导致镜频抑制效果降低并引入额外的噪声，造成信噪比降低。在实际的i/q调制与解调过程中，由于器件的非理想化、电路设计的差异、光纤长度的误差等都可能会带来幅度相位不平衡问题，此外，也要注意直流分量的影响。因此，需对解调信号进行补偿以降低i/q支路不平衡造成的影响。
[0071]
为提高信号实时处理效率并消除信号直流分量的影响，本技术实施例使用改进的gsop算法对i/q支路不平衡进行修正。在一些具体示例中，对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号包括采用如下方式对所述第一iq信号的幅度相位不平衡进行补偿：
[0072]
对所述第一iq信号每一个si(k)和sq(k)，采用以下公式进行修正：
[0073][0074]
[0075]
其中，si(k)和sq(k)矫正前的i/q信号，si和sq为矫正前的i/q信号的向量形式，i
out
(k)和q
out
(k)为矫正后的iq信号,e(sq)表示q支路信号的数学期望，e(si)表示i支路信号的数学期望。k的取值为1～n，n为ad采集信号采样点数。
[0076]
对i/q支路进行滤波和耦合，在一些具体示例中，对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号还包括采用如下方式对i/q支路进行滤波和耦合：
[0077]
构造数字hilbert滤波器，其中心频率为i/q信号的中心频率。
[0078]
若前述本振信号中q支路信号相位与i支路信号相位差为+90度，则将i支路信号通过所述数字hilbert滤波器，再将两支路信号相加得到所述中频电信号。
[0079]
当使用300mhz-700mhz的线性调频(chirp)信号作为调制信号时，hilbert滤波器采用fir型，其中心频率为500mhz，通带宽度为500mhz，阶数为60。当使用500mhz的单频信号作为调制信号时，hilbert滤波器采用fir型，其中心频率为500mhz，通带宽度为100mhz，阶数为60。
[0080]
使用上述方法对雷达回波信号进行下变频，得到的中频解调信号信噪比相较于直接混频提高3db左右。
[0081]
一些具体示例中步骤s104，对所述中频电信号，进行数字下变频，以获得目标iq信号包括：对前述产生的中频电信号进行数字下变频，若中频电信号为300mhz～700mhz的线性调频(chirp)信号，则经过数字下变频后信号变为-200mhz～200mhz的iq两路电信号(不同于上述iq信号，本技术是光电双下变频，本步骤为第二次下变频的iq信号)。本技术所提出的这种光电双下变频的方法在第一次光下变频阶段有效消除镜像频率干扰，提升解调信号的信噪比，增大雷达作用距离。在第二次电下变频阶段提高系统运算效率，结合后续的脉压处理提高系统的测距精度。
[0082]
之后进一步对iq两路信号进行脉冲压缩处理，即可得到目标距离信息。
[0083]
本技术实施例提出了一种全新的光电双下变频技术，在光下变频阶段采用两路正交信号作为本振光，将信号光分为两路，将两路本振光信号分别与两路信号光进行混频，相较于采用一路本振光与信号光直接混频，有效抑制镜像频率。然后对两路混频后的信号进行ad采集，对两路信号进行补偿处理，消除两路正交本振信号幅度不一致、相位相差不是90
°
对正交混频造成的影响，补偿处理后进行耦合滤波，得到电中频信号。对电中频信号进行下变频得到基带信号，然后对基带信号进行数据，数据处理方法与对激光发射信号调制方法有关，如果是线性调频，可采用脉冲压缩方法。在激光相干探测中，对接收机下变频结构进行优化，利用本技术的方法可以使探测系统的信噪比进一步得到优化，提高探测距离和精度。
[0084]
本技术实施例还提出一种光电双下变频的激光相干探测系统，包括处理器和存储器，所述存储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如前述的光电双下变频的激光相干探测方法的步骤。
[0085]
本技术实施例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如前述的光电双下变频的激光相干探测方法的步骤。
[0086]
需要说明的是，在本申各实施例中，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。
[0087]
上述本技术实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0088]
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，本技术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)执行本技术各个实施例所述的方法。
[0089]
上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术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技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本技术的保护之内。

技术特征：
1.一种光电双下变频的激光相干探测方法，其特征在于，包括如下步骤：将种子源输出光按照预设比例进行分束，并基于分束后的光信号生成两路相位正交的本振光信号；基于分束后的光信号中的一路，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制；利用生成的相位正交的本振光信号，对基于调制的信号光的接收光信号进行正交下变频，以获得中频电信号；对所述中频电信号，进行数字下变频，以获得目标iq信号；对所述目标iq信号进行脉冲压缩处理，以确定目标距离信息。2.如权利要求1所述的光电双下变频的激光相干探测方法，其特征在于，将种子源输出光按照预设比例进行分束，并基于分束后的光信号生成两路相位正交的本振光信号包括：将种子源输出光按照预设大小比例进行分束，并将小比例的一路等分为第一光束和第二光束，以及将大比例的一路衰减、声光调制产生所需频移后等分为第三光束和第四光束；将所述第一光束和所述第二光束接入两路长度相近的光纤，并基于两路光纤的输出端分别与所述第三光束和所述第四光束进行合束；将合束后的光信号分别接入光电探测器，以在光电探测器进行混频，获得混频信号。3.如权利要求2所述的光电双下变频的激光相干探测方法，其特征在于，还包括：在所述第一光束和所述第二光束接入的两路光中的一路，将光纤切断后接入光纤熔接机；利用示波器观测光电探测器输出的混频信号的相位和幅度；若光电探测器输出的混频信号的相位和幅度不满足正交要求，则通过所述光纤熔接机调整光纤端面的位移，直至满足正交要求，以获得两路相位正交的本振光信号；以及，在满足正交要求后，利用所述光纤熔接机对光纤进行熔接。4.如权利要求3所述的光电双下变频的激光相干探测方法，其特征在于，基于分束后的光信号中的一路，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制包括：将种子源输出光按照预设大小比例分束的大比例的一路，光经斩波、调制、放大，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制。5.如权利要求3所述的光电双下变频的激光相干探测方法，其特征在于，利用生成的相位正交的本振光信号，对基于调制的信号光的接收光信号进行正交下变频，以获得中频电信号包括：将调制后的所述信号光向目标发射，发射信号经过接收镜头后等分为第一回波光信号和第二回波光信号；利用生成的相位正交的本振光信号，对所述第一回波光信号和所述第二回波光信号进行正交下变频；利用光电探测器探测正交下变频后的光信号，并对光电探测器的输出进行信号采集，以获得第一iq信号；对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号。6.如权利要求5所述的光电双下变频的激光相干探测方法，其特征在于，对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号包括采用如下方式对所述第一iq信号的幅度相位不平衡进行补偿：
对所述第一iq信号每一个s
i
(k)和s
q
(k)，采用以下公式进行修正：(k)，采用以下公式进行修正：其中，s
i
(k)和s
q
(k)矫正前的i/q信号，s
i
和s
q
为矫正前的i/q信号的向量形式，i
out
(k)和q
out
(k)为矫正后的iq信号,e(s
q
)表示q支路信号的数学期望，e(s
i
)表示i支路信号的数学期望，k的取值为1～n，n为ad采集信号采样点数。7.如权利要求6所述的光电双下变频的激光相干探测方法，其特征在于，对所述第一iq信号进行处理，以获得所述中频电信号还包括采用如下方式对i/q支路进行滤波和耦合：构造数字hilbert滤波器，其中心频率为i/q信号的中心频率；将i支路信号通过所述数字hilbert滤波器，再将两支路信号相加得到所述中频电信号。8.一种光电双下变频的激光相干探测系统，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储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如权利要求1至7中任一项所述的光电双下变频的激光相干探测方法的步骤。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，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如权利要求1至7中任一项所述的光电双下变频的激光相干探测方法的步骤。

技术总结
本申请公开了一种光电双下变频的激光相干探测方法及系统，包括：将种子源输出光按照预设比例进行分束，并基于分束后的光信号生成两路相位正交的本振光信号；基于分束后的光信号中的一路，作为信号光，并对所述信号光的频率进行调制；利用生成的相位正交的本振光信号，对基于调制的信号光的接收光信号进行正交下变频，以获得中频电信号；对所述中频电信号，进行数字下变频，以获得目标IQ信号；对所述目标IQ信号进行脉冲压缩处理，以确定目标距离信息。本申请的方法在光下变频阶段采用两路正交信号作为本振光，使探测系统的信噪比进一步得到优化，提高探测距离和精度。提高探测距离和精度。提高探测距离和精度。


技术研发人员：周寿桓 张奕康 刘波 吴姿妍 眭晓林 赵晓龙 王砚泽
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十一研究所
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/10/19