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Coherent Lidar

Time:2021-05-10 Reading times:3417

引言:

光学干涉在科学研究和现代科技发展过程中有着重要影响。历史上,光学干涉对于建立光的波动特性理论发挥了重要作用。当下,光学干涉仍然在诸如光谱学和计算学等诸多领域扮演着重要角色。其中相干探测技术在雷达以及光学领域发挥着重要作用。对于光学相干探测的研究不仅让我们对光的特性有了新的认识,更创造了一种用于精密测量的高新技术。

1、相干探测基本原理

相干探测激光雷达将对飞行时间的测量转换为对与飞行时间成比例的差频频率的测量。典型的调频连续波激光探测系统由信号发生子系统、接收子系统以及信号处理子系统组成,如图1所示。

1.png

图1 相干探测激光雷达系统示意图

  图1中调制信号发生器产生线性调频信号(三角波、锯齿波等)输入激光调制电路作为激光器的调制信号,激光器发射的光分为两路,一路作为信号光由发射系统打向目标,另一路输入到接收系统作为本振信号。激光器调制与驱动模块将调频信号与激光器偏置电流叠加,形成激光器驱动电流输入激光器。激光器将包含调制信号的驱动电流经光电转换形成发射激光信号,使得发射的激光随调频信号变化。目标回波信号经接收光学系统将目标反射光汇聚到光电探测器上与本振光进行混频。光电探测器将混频信号转换成光电流,通过对中频信号的进一步分析与处理,解算探测系统与目标之间的距离。

  由上述分析可知,相干探测激光雷达探测系统通过对发射和接收的激光调频信号混频后的中频信号的频率测量确定目标距离信息,因此,相干探测激光探测系统从调制信号产生到中频信号采集处理要经过激光器光强调制、激光空间传输、目标散射与光电探测器接收和混频四个过程,如图2所示。

2.png

图2 信号转换流程

2、相干理论

假设本振光和信号光的电场分布为:

E_L (t)=A_L exp⁡[i(ω_L t+φ_L)]                     (2.1)

E_S (t)=A_S exp⁡[i(ω_S t+φ_S)]                     (2.2)

则在光电探测器光敏面上相干之后的总电场为:

E(t)=E_L (t)+E_S (t)                                 

     =A_L  exp⁡[i(ω_L t+φ_L )]+A_S exp⁡[i(ω_S t+φ_S)] (2.3)

在非磁性材料中,一束光的功率为:P_L (t)=ε/16π E(t) E^* (t),其中ε表示传播介质的介电常数,*表示共轭。结合光电探测器的响应系数,定义响应系数为α=qη/hν  ε/16π。则光电探测器光敏面上产生的光电流为:

i_L (t)=〖αP〗_L (t)                                      

         =〖αE〗_L (t) 〖E_L〗^* (t)                                 

         =αA_L^2  exp⁡[i(ω_L t+φ_L )]  exp⁡[-i(ω_L t+φ_L )]         

         =αA_L^2                                  (2.4)

同理,可以得到:

i_S (t)=αA_s^2                         (2.5)

那么本振光和信号光相干之后的总响应电流为:

i(t)=αP(t)  

    =αE(t) E^* (t) 

                    =α〖[E〗_L (t)+E_S (t)]〖〖[E〗_L (t)+E_S (t)]〗^*

                      =α〖{A〗_L  exp⁡[i(ω_L t+φ_L )]+A_S exp⁡[i(ω_S+φ_S)]} 〖{A〗_L

                    〖exp⁡[i(ω_L t+φ_L )]+A_S exp⁡[i(ω_S t+φ_S)]}〗^*       

                                           =α〖(A〗_L^2+A_s^2)+2αA_L A_S cos(Δωt+Δφ)    (2.6)

式中Δω=ω_L-ω_S,为本振光与信号光的频差;

Δφ=φ_L-φ_S,为本振光与信号光的相位差。

将式(2.4)与式(2.5)电流与光强的关系带入式(2.6)得:

i(t)=i_L (t)+i_S (t)+2√(i_L (t) i_S (t) ) cos(Δωt+Δφ)   (2.7)

式中2√(i_L (t) i_S (t) ) cos(Δωt+Δφ)即为中频电流项,由此便得到了中频电流、本振光、信号光与探测器上产生的电流的关系。

在相干探测系统中,对激光光源的要求也比较高。要使本振光和信号光产生差频,光源就要进行频率调制,要想本振光与信号光在传播一段距离后相干光源的线宽要求就要很窄。频率调制的方式有很多,表1中主要列出了三角波和锯齿波调制测距原理。

表1

QQ截图20210510170209.jpg

3、优势及应用前景

相干探测技术将微波雷达中调频测距的探测精度高、探测信息丰富、功率低、距离选通方便等特点与激光传输的优点相结合,有效解决了调频连续波无线电探测抗电磁干扰特别是人工有源干扰能力差的问题,而且由于采用光载波,可加载更大带宽的调制信号,可以获得比调频无线电探测技术更好的距离分辨能力。此外,采用调频测距体制,还可以有效降低传输过程中因信号畸变导致的测距误差,因此调频连续波可广泛应用于地空、空空、空地及反舰导弹引信中。尤其是该探测体制具有多目标探测及成像潜力,因此,在空间目标近距离探测、识别与跟踪等领域具有广阔的应用前景。与其他体制激光探测技术相比相干探测激光雷达具有明显的优势:

(1)抗干扰能力强。相关接收,对人为、背景光干扰不敏感;

(2)不存在探测盲区。理论上可以实现任意近距离测量;

(3)探测精度高。近距离探测时,精度为厘米至毫米量级;

(4)测距速度快。可以缩短调频周期,提高测距速度,速度一般在千赫兹以上;

(5)支持多信息探测。相干探测不仅可以测距还可以测速,因此可以用于相对运动速度较高的目标测距。

由于有望在军事上和商业上具有实用性和经济性,相干探测激光雷达受到各国关注,并逐步挖掘其应用潜力、扩大其应用范围。目前,该技术已从最初的陆军战场应用,扩展到空间操控、飞行器着陆、空中飞机避障、高速路面平整度的检测、车辆自动避撞、港口的交通管理等,若使用大于1.4微米的人眼安全波段,则更适合民用,甚至在商业上也有很大的应用潜力。