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专利号: 2023101166978
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达,其特征在于:包括:激光器、分束器、声光调制器、放大器、光学收发装置、耦合器、平衡探测器、低噪声放大器、带通滤波器、信号分配器、第一模拟乘法器、第一低通滤波器、边缘滤波器、第二模拟乘法器、第二低通滤波器、数据采集卡、数据处理模块;

其中:

所述激光器用于产生频率为f0的激光;

所述分束器用于将所述激光器产生的激光分为两束,一束作为本振光,另一束作为信号光;

所述声光调制器用于将所述分束器分出的信号光调制成脉冲光,所述声光调制器的调制频率为fM;

所述放大器用于对所述声光调制器输出的脉冲光放大;

所述光学收发装置用于将所述放大器输出的信号输出到目标大气中,并接收目标大气返回的回波信号;

所述耦合器用于将所述分束器产生的所述本振光与回波信号进行耦合;

所述平衡探测器用于对所述耦合器输出的信号进行平衡探测,转化为电信号;

所述低噪声放大器用于对所述平衡探测器输出的信号进行放大;

所述带通滤波器用于滤除所述低噪声放大器输出的信号的噪声;

所述信号分配器用于将所述带通滤波器输出的信号按照预定的功率比1:N分为两束;

所述第一模拟乘法器用于对所述信号分配器输出的功率比为1的信号做平方运算;经过第一模拟乘法器的信号通道称为第一通道Ch1;

所述第一低通滤波器用于对所述第一模拟乘法器输出的信号进行滤波,滤除高于预设频率的高频信号,保留预定频率区间的低频信号;

所述边缘滤波器用于对所述信号分配器输出的功率比为N的信号进行滤波,经过边缘滤波器的信号通道称为第二通道Ch2;

所述第二模拟乘法器用于对所述边缘滤波器输出的信号做平方运算;

所述第二低通滤波器用于对所述第二模拟乘法器输出的信号进行滤波,滤除高频信号,保留预定频率区间的低频信号;

所述数据采集卡用于对所述第一低通滤波器和第二低通滤波器输出的信号进行分别采集,输出数字信号;

所述数据处理模块用于对数据采集卡输出的数字信号进行处理,得到目标信息;

将声光调制器的调制频率fM设置在边缘滤波器的透过率曲线的线性区的中心位置;

所述信号分配器分出的两束信号的功率比为1:2,即N=2;

所述边缘滤波器选定的频率范围为[fM‑F,fM+F],频率范围称为线性区,F为预设的多普勒频移最大值所述带通滤波器的频带区间为50‑110MHz;所述声光调制器的调制频率fM为80MHz,所述边缘滤波器为高通滤波器;所述第一低通滤波器和第二低通滤波器用于滤除频率高于

25MHz的信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达,其特征在于:所述边缘滤波器为高通滤波器或低通滤波器,所述边缘滤波器用于对输入信号进行过滤,使输入到边缘滤波器的信号频率与边缘滤波器的透过率具有一一对应关系。

3.根据权利要求1所述的一种基于电频域差分鉴频的多普勒激光雷达的测量方法,其特征在于:包括如下步骤:步骤S1、激光器产生频率为f0的激光,通过分束器将出射激光分为两束,一束作为本振光,另一束作为信号光;

步骤S2、信号光经声光调制器调制成脉冲光,再被放大器放大能量,最后从光学收发装置出射;

步骤S3、从光学收发装置出射的信号与目标待测物发生后向散射形成回波信号,回波信号与本振光在耦合器中耦合后输出至平衡探测器;

步骤S4、平衡探测器将光信号转换为电信号,输出拍频信号的中频信号;

步骤S5、平衡探测器输出的信号经过低噪声放大器进行放大,再经过带通滤波器滤除噪声;

步骤S6、滤波后的信号经信号分配器按功率比1:N分成两束,并对应两个通道传输;

步骤S7、功率为1的信号在第一通道Ch1中传输,经过第一模拟乘法器做平方运算,再经过第一低通滤波器滤除高频信号,保留低频信号,送入数据采集卡进行采集;所述第一通道Ch1为经过第一模拟乘法器的信号通道;

步骤S8、功率为N的信号在第二通道Ch2中传输,经过边缘滤波器滤波后,再经过第二模拟乘法器做平方运算,还经过第二低通滤波器滤除高频信号,保留低频信号,送入数据采集卡进行采集;所述第二通道Ch2为经过边缘滤波器的信号通道;

2 2

步骤S9、数据处理模块获取数据采集卡采集到的两个通道的信号分别为i1 (t)、i2 (t),

2 2 2 2

计算第一通道Ch1的信号i1(t)与第二通道Ch2的信号i2(t)的电流平方比值i2(t)/i1(t);

2 2

步骤S10、数据处理模块根据电流平方比值i2(t)/i1 (t)与预先获取的边缘滤波器的响应函数曲线,得到对应的多普勒频率fr;

步骤S11、数据处理模块计算多普勒频移Δf,Δf=fr‑fM,fM为声光调制器的调制频率;

步骤S12、数据处理模块计算目标待测物速度V,其中, λ为激光器输出的激光的波长;

所述步骤S10,包括如下步骤:

2 2

在边缘滤波器的响应函数曲线上查找数值等于电流平方比值i2(t)/i1(t)的响应值R;

获取响应值R对应的边缘滤波器的响应函数曲线上响应频率f作为多普勒频率fr。

4.根据权利要求3所述的测量方法,其特征在于:获取步骤S10中边缘滤波器的响应函数曲线的方法,包括如下步骤:S101、在所述第一模拟乘法器之前A处,使用高速采集卡采集所述信号分配器输出的信号,计算采集到的信号的第一功率谱密度SCh1;

S102、在所述第二模拟乘法器之前B处,使用高速采集卡采集所述边缘滤波器输出的信号,计算采集到的信号的第二功率谱密度SCh2;

S103、根据下式获取边缘滤波器的响应函数曲线,得到频率f与响应值R的对应关系;

其中,H(f)为边缘滤波器的频率透过率函数,H(f)=SCh2/SCh1,SL(f)是归一化的激光光谱。

5.根据权利要求4所述的测量方法,其特征在于:SCh1、SCh2计算公式如下:2

SCh1=|FFTt{i1(t)·w(t‑t0)}|其中,i1(t)为第一通道的电流;FFTt{}为快速傅里叶变换,t0是距离门的中心,w(t‑t0)是窗函数;

2

SCh2=|FFTt{i2(t)·w(t‑t0)}|其中,i2(t)为第二通道的电流。