基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距技术研究

邱子胜; 杨馥; 叶星辰; 李姝欣

doi:doi:10.3788/LOP55.052801

激光与光电子学进展, 2018, 55 (5): 052801, 网络出版: 2018-09-11

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Research on Laser Ranging Technology Based on Pseudo-Random Code Phase Modulation and Coherent Detection

论文大纲

邱子胜杨馥 ^*叶星辰李姝欣

作者单位

东华大学理学院, 上海 201620

测量激光测距伪随机码相位调制相干探测测距精度 measurement laser ranging pseudo-random code phase modulation coherent detection ranging accuracy

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注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

为实现远距离高精度激光测距,提出了一种联合利用伪随机码相位调制和相干探测技术的激光测距方法,并搭建实验验证平台对自由空间目标进行了测试。当激光出射功率为2.0 mW、参考光功率为117.8 μW、调制速率为100 MHz、单周期内伪随机码序列长度为81.9 μs、望远镜接收口径为2 cm时,该系统可对8 m处的自由空间目标实现11.8 cm的测距精度。实验证实了该套技术方案的可行性。将此实验结果反推至星载条件,并与GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)系统参数进行对比发现,该系统工作在低峰值功率、长脉冲宽度状态下,故可实现高重复频率探测。

Abstract

In order to realize high precision long-distance laser ranging, a laser ranging method based on the techniques of pseudo-random code (PRC) phase modulation and coherent detection is proposed. An experiment system for the free space target detection is set up. When laser outputs power, local oscillator power, modulation rate, PRC sequence length in a single cycle and telescope aperture are respectively 2.0 mW, 117.8 μW, 100 MHz, 81.9 μs and 2 cm, the system can achieve a ranging accuracy of 11.8 cm for the free space target located in about 8 m far away. The experimental results prove the feasibility of the proposed method. The experimental results are back-propelled to the spaceborne conditions and compared with the GLAS (Geoscience Laser Altimeter System) system parameters. The comparison results show that the system operates under lower peak power and longer pulse width conditions, so high-frequency detection can be achieved.

1 引言

与传统微波雷达相比,激光雷达系统具有高方向性、强抗干扰能力、高测量精度、高时空及垂直分辨率等优点,目前已广泛应用于三维成像、星地同步观测、深空探测和自主安全着陆等领域^[1-4]。随着激光器和光电器件性能的不断提高,应用于获取行星表面形貌、卫星姿态和定位信息的星载激光测距技术发展迅速^[5]。1994年,美国向月球发射了无人导航航天器Clenmentine^[6]。该载荷搭载的激光高度计采用全固态Nd∶YAG激光器作为光源,单脉冲能量为200 mJ,脉冲重复频率为1 Hz,在640 km的轨道高度提供了一幅从月球南纬60°到北纬60°的月形图。1996年美国航空航天局(NASA)成功发射了“火星全球勘测者”(MGS)。该飞行器搭载了用于探测火星表面形貌的激光高度计(MOLA),采用的激光光源波长为1064 nm,激光单脉冲能量为40 mJ,脉冲宽度8 ns,发射频率为10 Hz,在400 km的轨道高度成功获取了火星表面形貌^[7]。2003年美国发射GLAS(Geoscience Laser Altimeter System),其轨道高度为600 km,采用脉冲能量为70 mJ,脉冲宽度为4 ns,脉冲重复频率为40 Hz的激光光源,用于测量全球冰层^[4]。2007年日本发射了探月卫星月亮女神SELENE,该卫星携带的激光高度计(LALT)轨道高度为100 km,单脉冲能量为100 mJ,脉冲宽度为5 ns,脉冲重复频率为1 Hz,实现了1 m的测距分辨率^[8]。2013年嫦娥三号搭载的激光有效载荷探测距离约为50 km,脉冲能量为200 mJ,脉冲重复频率为10 Hz,获取的距离测量精度优于0.2 m,并成功实现了在月球表面软着陆^[9]。

已发射的所有星载激光高度计载荷均采用了脉冲飞行时间测量法。该方法的优势是结构简单、技术成熟;不足之处在于远距离模式下激光器工作在高峰值功率、低重复频率状态下,导致测量的空间分辨率较低。在此背景下,相继推出一些新型的激光测距技术。例如相位/调频激光雷达系统利用脉冲压缩技术的基本原理提高距离分辨率^[10];单光子测距技术通过使用单光子探测器使系统灵敏度达到单光子量级,从而有效降低脉冲能量^[11-12]。互补码对的非相干压缩测距技术对相位不敏感,同时能抑制强的信号旁瓣^[13]。此外,还有一些其他技术,如基于光子计数测距,步进调频的稀疏重建,基于啁啾调幅的相干测量机制等^[14-16]。

本文同时采用伪随机码(PRC)相位调制和相干探测的激光测距技术,利用伪随机码调制技术,使系统在宽脉宽情况下也能获取高的距离分辨率,利用相干探测技术提高系统灵敏度。基于此原理搭建了实验系统,利用该技术在自由空间实现了较高的测距精度,为远距离的激光测距技术开辟了一条新途径。

2 基本原理

基于伪随机码相位调制和相干探测的激光雷达测距系统结构图如图1所示,激光经耦合器分成两部分。其中绝大部分通过电光相位调制器按照伪随机码信号进行相位调制,并作为出射激光由望远镜发射出去;另一部分通过声光调制器进行移频,作为相干探测的本振信号光。

图 1. 基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距系统原理图

Fig. 1. Schematic of the laser ranging system based on the PRC phase modulation and coherent detection

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伪随机码可表示为

\begin{matrix} C_{R} (t) = \overset{N}{\sum_{n = 1}} a_{n} p (t - n \times Δt), (1) \end{matrix}

式中:a_n为0和1组成的伪随机码序列,两个数值的取值概率均为1/2;n的取值为1到N(总码元数)之间的整数^[16];Δt为伪随机码宽度,Δt=1/F,F为相位调制速率;p(t)为门函数,当 $\begin{matrix} |t| \end{matrix}$ ≤Δt/2时取值为1,反之为0。伪随机码由任意波形发生器(AWG)提供。

激光经过伪随机码驱动的电光相位调制器调制后,出射信号可表示为

\begin{matrix} S_{1} = A_{F} \cos [ω_{c} + C_{R} (t) π + φ_{1}], (2) \end{matrix}

式中:A_F为出射激光的振幅;ω_c为激光载频;φ为随机相位。接收望远镜和发射望远镜为同一望远镜,收发同轴便于调节,望远镜接收的回波信号携带了目标距离信息,目标距离为R,在不考虑多普勒频移的情况下,回波信号可表示为

\begin{matrix} S_{2} = A_{T} \cos [ω_{c} (t - 2 R / c) + C_{R} (t - 2 R / c) π + φ_{2}], (3) \end{matrix}

式中:A_T为回波信号光的振幅。A_T= $\begin{matrix} \sqrt[]{P_{sig}} \end{matrix}$ , $\begin{matrix} \sqrt[]{P_{sig}} \end{matrix}$ 为回波信号光峰值功率,可根据文献[ 17]中式(2.2.6)的激光雷达方程求得。

另一分路的激光本振信号经声光调制器移频f_m后为

\begin{matrix} S_{LO} = A_{LO} \cos [(ω_{c} + ω_{m}) t + φ_{3}], (4) \end{matrix}

式中:A_LO为本振信号光的振幅,A_LO= $\begin{matrix} \sqrt[]{P_{LO}} \end{matrix}$ ,P_LO为本振信号光功率;ω_m=2πf_m。回波信号与本振信号在耦合器中相干,经平衡探测器后输出信号为

\begin{matrix} S = η A_{T} A_{LO} \cos [ω_{m} (t - 2 R / c) + C_{R} (t - 2 R / c) π + φ_{4}], (5) \end{matrix}

式中:η为系统的相干效率;c为真空中的光速。

由(5)式可知,经过伪随机码相位调制后的相干信号为一列相位不连续的余弦信号。由于C_R(t-2R/c)π为一系列0和π的序列,即(5)式中频率为ω_m的余弦信号带有相位π的随机变化,根据余弦信号特性,可将S信号简化为

\begin{matrix} \begin{matrix} S = η A_{T} A_{LO} \times \cos [ω_{m} (t - 2 R / c) + C_{R} (t - 2 R / c) π + φ_{4}] = η A_{T} A_{LO} C'_{R} (t - 2 R / c) \times \\ \cos [ω_{m} (t - 2 R / c) + φ_{4}], (6) \end{matrix} \end{matrix}

式中: $\begin{matrix} C'_{R} (t) = \overset{N}{\sum_{n = 1}} b_{n} p (t - n \times Δt), b_{n} 取值 - 1 或 1, 分别对应于 a_{n} 取值 1 或 0 。 \end{matrix}$

平衡探测器的输出信号经过双通道数模采集卡(ADC)中的通道1采集,ADC另一通道采集伪随机码驱动信号。为保证系统的同步性,外部触发电路(ETC)将同时给ADC和任意波形发生器提供触发信号。采集的两路信号在计算机进行信号处理,主要方法为电光相位调制器驱动信号依次移位,并与相干信号相乘并作傅里叶变换(FFT):

\begin{matrix} \begin{matrix} Y = abs \{F [y (t)]\} = abs \{F [S \times C'_{R} (t - nΔt)]\} = abs \{F [η A_{T} A_{LO} C'_{R} (t - 2 R / c) \times \\ \cos [ω_{m} (t - 2 R / c) + φ_{4}] \times C'_{R} (t - nΔt)]\}, (7) \end{matrix} \end{matrix}

式中:abs(*)表示取绝对值。图2分别给出了经伪随机码0、1序列相位调制π的余弦信号与C'_R(t)序列在延迟匹配与不匹配时的相乘效果图,即(7)式中的y。

图 2. 原理示意图。(a)调制信号与延迟不匹配效果图;(b)调制信号与延迟匹配效果图

Fig. 2. Principle diagrams of (a) when the delay doesn't match the target range and (b) when the delay matches the target range

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结合(7)式和图2可以得出,当移位延迟的码元时间nΔt和目标导致的延时量2R/c不匹配时,傅里叶变换频谱无明显峰值;当移位延迟的码元时间nΔt和目标导致的延时量2R/c一致时,y将转变为相位连续的三角函数,其傅里叶变换频谱Y在中频ω_m处具有显著峰值。因此,系统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,即目标距离R=c×nΔt/2。系统距离分辨率ΔR=c×Δt/2=c/(2F),即系统通过在宽脉宽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,而取决于调制速率。

3 实验结果

基于上述基本原理,搭建了基于伪随机码相位调制和相干探测的自由空间激光测距实验系统,如图3所示。

系统采用人眼安全的1550 nm单模窄线宽连续激光器作为光源,激光器输出功率为11.3 mW。激光器输出经隔离器后与10∶90耦合器相连,其中绝大部分通过电光相位调制器按照13阶M序列伪随机码信号进行相位调制,调制速率为100 MHz,调制器的驱动信号由任意波形发生器提供,调制后的信号经环形器后作为出射激光由望远镜发射出去,出射功率为2.0 mW;另一部分通过声光调制器移频后作为本振信号光,用于相干探测,频移量为25 MHz,本振信号功率为117.8 μW。望远镜口径为2 cm,望远镜的出射激光经目标漫反射后,携带目标距离信息的激光回波信号光经同一望远镜采集后通过环形器与本振信号光在耦合器中发生相干作用,经过光电平衡探测器转化为电信号,经双通道ADC转化为数字信号。双通道ADC另一通道采集电光相位调制器的驱动信号。ADC的采样频率为1 GHz。外部触发电路用于提供ADC和任意波形发生器的触发信号,从而保证系统的同步性。

图 3. (a)系统实验图;(b)目标铝板

Fig. 3. (a) Experimental system diagram; (b) targeted aluminum plate

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探测目标为常用铝板,放置于距离发射系统约8 m处的位置。伪随机码序列长度为81.9 μs,采样频率为1 GHz。探测器输出的相干信号如图4所示。

由图4可知,相干信号表现为相位不连续的三角波信号。将ADC另一通道采集的伪随机码驱动信号依次作步长为1 ns的时间延迟。延迟后的伪随机码驱动信号与相干信号相乘。当移位量与目标距离延迟不匹配/匹配时,(7)式中的信号Y如图5所示。

图 4. ADC通道1采集的相干信号

Fig. 4. Coherent signal sampled by ADC channel 1

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图 5. 相乘信号幅度谱。(a)距离延迟与移位量不匹配;(b)距离延迟与移位量匹配

Fig. 5. Amplitude spectrum of the multiplication signal. (a) Delay doesn't match the target distance; (b) delay matches the target distance

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由图5可知,当伪随机码驱动信号延迟量和目标距离延迟不匹配时,(7)式中的相乘信号y仍为相位不连续的三角波,经过傅里叶变换得到的频谱峰值不明显;反之当伪随机码驱动信号延迟量和目标距离延迟匹配时,傅里叶频谱在声光调制器频移量处的峰值显著,信噪比(R_SN)约20 dB。

在相干信号与不同时间延迟的伪随机码驱动信号相乘过程中,得到不同的傅里叶幅度谱峰值。因为系统采样频率为1 GHz,对应的距离延迟分辨率为0.15 m。(7)式中信号Y峰值与伪随机码驱动信号不同延迟距离的关系如图6所示。

图 6. Y频谱峰值与不同延迟距离的关系

Fig. 6. Relationship between the peak value of the Y amplitude spectrum and the distance corresponding to the different time delays

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由图6可知,最大的傅里叶频谱峰值所对应的延迟距离为7.95 m。从图6放大的插图中可看出,最大峰值点的相邻点非完全对称,说明目标距离不是距离延迟分辨率的整数倍。此时的真实峰值距离介于相邻的两个码元延迟长度之间。选取包含最大峰值点A和与之相邻的点B、C,利用重心法^[18-19]进一步提取峰值距离,可得目标距离为7.938 m。

为获取系统的测距稳定性,重复实验50次并利用重心法提取峰值得到目标距离,测量结果如图7所示。

图 7. 经重心法提取峰值后的50次测量结果

Fig. 7. 50 times detection results after core amendment

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对图7中的数据统计可知,目标平均距离为7.975 m,测距精度为11.8 cm。即在目前实验系统中,当激光出射功率为2 mW、本振功率为117.8 uW、出射脉冲宽度为81.9 μs、望远镜口径为2 cm时,系统能以约20 dB的信噪比、11.8 cm的测距精度探测到8 m处的目标。根据文献[ 17]中的激光雷达方程以及文献[ 20]中脉冲宽度和本振功率的影响,可将实验系统参数反推至星载条件,即出射激光峰值功率从2 mW增长至111 W,脉冲宽度从117.8 μW增长至1 mW,脉冲宽度从81.9 μs增长至400 μs,望远镜口径由2 cm增长至70 cm,系统能以约10 dB信噪比探测到600 km处的目标。此时系统的目标回波信号峰值功率约为1.48×10^-11 W(脉冲宽度为400 μs的单脉冲回波能量约为6×10^-15 J,包含的信号光子数约为4.6×10⁴个)。该回波信号峰值功率非常微弱,但信号回波信号并非直接进入探测器,而是和本振光(即经过声光调制器后的光)相干后再进入探测器,如图1所示。进入探测器的光可视为本振光和回波信号光的叠加,因此不会出现探测器无法探测的情况。在相干探测体制中,本振信号能够将回波小信号光有效放大,从而提高系统探测灵敏度。为体现该套测量系统的特点,将此反推参数与文献[ 4]中采用典型巨脉冲飞行时间法的GLAS参数进行对比,得到的对比结果如表1所示。

表 1. GLAS参数与实验系统反推星载参数的对比

Table 1. Comparison of the GLAS parameters and the experiment system parameters

Parameter	GLAS	System proposedin this paper	Difference
Laser	Nd∶YAG	Fiber laser
Peak power	15 MW	111 W	-51.31 dB
Pulse width	5 ns	400 μs	+49.03 dB
Pulse energy	75 mJ	44.4 mJ	-2.28 dB
Pulse frequency	40 Hz	1000 Hz	25 times
Optical power	3 W	44.4 W	14.8 times
Electro opticalefficiency	5%	20%	4 times
Electric power	60 W	222 W	3.7 times
Telescopediameter	1000 mm	700 mm	49% (area)
Orbital altitude	600 km	600 km

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由表1可知,基于伪随机码相位调制和相干探测技术激光测距系统反推星载参数较GLAS参数,其光功率增加14.8倍,电功率增加3.7倍,且在接收望远镜面积只有49%的情况下,可以获得25倍的测量频率,即25倍的空间分辨率,充分显示了该测量机制在空间应用的优势。

4 结论

讨论了基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距系统实施方案,并搭建了自由空间验证实验系统。在激光出射功率为 2 mW、本振功率为117.8 μW、伪随机码序列长度为81.9 μs、望远镜口径为2 cm时,对约8 m处的自由空间目标进行测量,统计得到的目标平均距离为7.975 m,距离精度为11.8 cm。与GLAS参数对比发现,基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距系统的光功率增加14.8倍,电功率增加3.7倍,且在接收望远镜面积只有49%的情况下,可以获得25倍的测量频率,即25倍的空间分辨率。因该系统工作在宽脉宽、低峰功率状态下,脉冲重复频率可大幅提高,为高精度远距离目标探测开辟了一条新途径。受限于激光器的功率和望远镜的口径,目前实验系统中的测量距离还比较近。下一步实验将通过使用大功率激光器或激光放大器来提高测量目标距离,并通过对多普勒频移的解析将该套系统的应用拓展至距离和速度的同时高精度测量。

参考文献

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1 引言

2 基本原理

图 1. 基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距系统原理图

Fig. 1. Schematic of the laser ranging system based on the PRC phase modulation and coherent detection

图 2. 原理示意图。(a)调制信号与延迟不匹配效果图;(b)调制信号与延迟匹配效果图

Fig. 2. Principle diagrams of (a) when the delay doesn't match the target range and (b) when the delay matches the target range

3 实验结果

图 3. (a)系统实验图;(b)目标铝板

Fig. 3. (a) Experimental system diagram; (b) targeted aluminum plate

图 4. ADC通道1采集的相干信号

Fig. 4. Coherent signal sampled by ADC channel 1

图 5. 相乘信号幅度谱。(a)距离延迟与移位量不匹配;(b)距离延迟与移位量匹配

Fig. 5. Amplitude spectrum of the multiplication signal. (a) Delay doesn't match the target distance; (b) delay matches the target distance

图 6. Y频谱峰值与不同延迟距离的关系

Fig. 6. Relationship between the peak value of the Y amplitude spectrum and the distance corresponding to the different time delays

图 7. 经重心法提取峰值后的50次测量结果

Fig. 7. 50 times detection results after core amendment

表 1. GLAS参数与实验系统反推星载参数的对比

Table 1. Comparison of the GLAS parameters and the experiment system parameters

4 结论

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1 引言

2 基本原理

图 1. 基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距系统原理图

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图 2. 原理示意图。(a)调制信号与延迟不匹配效果图;(b)调制信号与延迟匹配效果图

Fig. 2. Principle diagrams of (a) when the delay doesn't match the target range and (b) when the delay matches the target range

3 实验结果

图 3. (a)系统实验图;(b)目标铝板

Fig. 3. (a) Experimental system diagram; (b) targeted aluminum plate

图 4. ADC通道1采集的相干信号

Fig. 4. Coherent signal sampled by ADC channel 1

图 5. 相乘信号幅度谱。(a)距离延迟与移位量不匹配;(b)距离延迟与移位量匹配

Fig. 5. Amplitude spectrum of the multiplication signal. (a) Delay doesn't match the target distance; (b) delay matches the target distance

图 6. Y频谱峰值与不同延迟距离的关系

Fig. 6. Relationship between the peak value of the Y amplitude spectrum and the distance corresponding to the different time delays

图 7. 经重心法提取峰值后的50次测量结果

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表 1. GLAS参数与实验系统反推星载参数的对比

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基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距技术研究下载： 1450次