调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法

摘要

本发明提供了调频连续波激光测距雷达光源调频非线性响应系数的测量方法：信号发生器产生锯齿波调频信号输入到驱动电路中并驱动激光器工作，激光器输出的调制信号光通过第一耦合器分为两路光，一路光通过环形器发射到被测物体，由被测物体返回的回光由环形器接收，回光与另一路光由第二耦合器耦合，第二个耦合器输出的光被光电探测器接收，通过信号处理电路对的到的拍频信号进行处理，通过计算机软件处理得到差频频率并计算出非线性调频系数。本发明不仅可以精确测量出调频非线性的系数而且给系统进行调频非线性校正提供了十分关键的参数，对提高了调频连续波激光雷达测距雷达的调频线性度以及系统速度和距离测量的精度有着重要的意义。

主权项

调频连续波激光雷达调频非线性响应系数测量方法，其特征在于包括以下步骤：1)信号发生器产生锯齿波信号作为调制信号加载到驱动电路中，所述驱动电路通过恒流源驱动模块和所述信号发生器输入的调制信号产生调制电流驱动半导体激光器处于调频工作状态；取锯齿波上升时间段的中心点为时间轴的原点(t＝0)，该时间点处对应于激光调频输出的中心工作频率f₀，则激光输出的调频频率表达式为：f(t)＝f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴  ①其中，k为线性调频的斜率，B为调制深度，T为锯齿波调制周期；α为二阶调频非线性系数，β为三阶调频非线性系数，γ为四阶调频非线性系数；锯齿波上升沿阶的时间段对应于①式中‑T/2<t<T/2这个取值范围；2)所述半导体激光器发出的调频激光输入到第一耦合器中，所述第一耦合器将所述调制激光分为两部分，一部分作为发射信号由所述第一耦合器的第一输出端口输出到环形器的第一输入端口；另一部分作为本振光信号由所述第一耦合器的第二输出端口输出到第二耦合器的第一输入端口；所述本振光信号的频率为：f₁(t)＝f₀+kt+αt²+βt³+γt⁴  ②3)所述环形器的第一输出端口将所述发射信号传输到发射天线中；所述发射天线向被测物体所在空间发射所述发射信号，被测物体接收到所述发射信号后将会反射一部分回光信号到所述接收天线，所述回光信号传入到所述环形器的第二输入端口，并由所述环形器的第二输出端口输入到所述第二耦合器的第二输入端口；所述回光信号的频率为：f₂(t)＝f₀+k(t‑τ)+α(t‑τ)²+β(t‑τ)³+γ(t‑τ)⁴  ③其中τ为延迟时间，R为被测物体与雷达间的距离，c为光波在空间传输的速度；4)所述第二耦合器将接收到的本振光信号和所述回光信号耦合成差频信号，并将所述差频信号通过所述第二耦合器的输出端输入到光电探测器中；由②式减去③式，可得差频信号的频率表达式为：f_b＝(kτ‑ατ²+βτ³‑γτ⁴)+(2ατ‑3βτ²+4γτ³)t+(3βτ‑6γτ²)t²+4γτt³  ④5)所述光电探测器将接收到的所述差频信号进行光电转换将光信号转为模拟电信号，并将所述模拟电信号输入到信号处理电路中进行放大、滤波、A/D转换和FPGA数据采集，将采集到的数据输入到计算机中进行处理；6)当所述被测物体距离固定时，所述延迟时间τ也为固定；所述计算机将采集到的差频电信号数据均匀分段，记录各段中点所对应的时间，对每段进行傅里叶变换，在功率谱中最大幅度所对应的频率值即是每段的频率值，得到差频信号频率曲线，将所述差频信号频率曲线进行曲线拟合，通过计算得出调频非线性系数；所述曲线拟合的公式为：p(t)＝c₀+c₁t+c₂t²+c₃t³  ⑤7)比较⑤与④式，令两个多项式对应的各阶系数相等建立方程组，即可得到所述半导体激光器调频特性的一阶线性系数和二、三、四阶非线性系数的计算式为：$k=\frac{c_0}{\tau }+\frac{c_1}{2}+\frac{c_2\tau }{6}$$\alpha =\frac{c_1}{2\tau }+\frac{c_2}{2}+\frac{c_3\tau }{4}$$\beta =\frac{c_2}{3\tau }+\frac{c_3}{2}$$\gamma =\frac{c_3}{4\tau }$⑥。