單 昕

(宿州學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

FMCW激光雷達(dá)其結(jié)合了激光與調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)二者各自的優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確提供被測(cè)目標(biāo)的距離、速度和方位信息。因此FMCW激光雷達(dá)具有廣泛的應(yīng)用前景。目前被世界各國廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量、太空遙感、環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域，如2001年德國Siemens的Richard Schneider等人采用校準(zhǔn)干涉信號(hào)對(duì)激光器的調(diào)頻非線性誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，獲得了0.5 mm的距離測(cè)量精度[1]。2005年Steven M.Beck等完成了FMCW合成孔徑雷達(dá)技術(shù)研究[2]。2011年中科院上海技術(shù)物理研究所的于嘯等對(duì)FMCW雷達(dá)技術(shù)的測(cè)距測(cè)速分辨率和誤差等進(jìn)行了測(cè)試和分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可達(dá)到mm/s級(jí)的測(cè)速精度和cm級(jí)的測(cè)距精度，探測(cè)靈敏度優(yōu)于0.1nW[3]。由于國內(nèi)研究相對(duì)起步較晚，技術(shù)相對(duì)不成熟，因此研究測(cè)量技術(shù)具有高精度的FMCW激光雷達(dá)的任務(wù)越來越迫切。

1 測(cè)距原理分析

傳統(tǒng)的FMCW激光雷達(dá)的調(diào)制是，首先通過單一的調(diào)幅或調(diào)相對(duì)RF信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后再用已調(diào)的RF信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。FMCW激光雷達(dá)通過測(cè)量激光往返于探測(cè)器與目標(biāo)間的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。在FMCW激光雷達(dá)中，距離的分辨率是指能夠?qū)ο喔粢欢ň嚯x的目標(biāo)進(jìn)行分辨的能力。距離與混頻后得到的中頻頻率之間的關(guān)系為：

其中R為目標(biāo)的距離，T為掃頻周期，C為光速，B為調(diào)頻信號(hào)帶寬，fIF為中頻信號(hào)頻率。利用快速傅里葉變換上式得：

由上式可知FMCW激光雷達(dá)的距離分辨率只與調(diào)頻信號(hào)帶寬B有關(guān)，而與其他因素?zé)o關(guān)。調(diào)頻信號(hào)帶寬B越大，距離的分辨力越高。針對(duì)上述分析結(jié)果，使用IQ調(diào)制技術(shù)來提高FMCW激光雷達(dá)的距離分辨率。

2 基于IQ調(diào)制器的激光雷達(dá)

2.1 IQ調(diào)制器的原理分析

如果在FMCW激光雷達(dá)中使用IQ調(diào)制技術(shù)，利用IQ調(diào)制器的同相(I)和正交(Q)分量相互正交、互不相干的特性，則需要把相互正交的兩路信號(hào)調(diào)制到光載波上，因而必須選擇一款合適的IQ調(diào)制器。IQ調(diào)制器是由兩個(gè)并行的工作在推挽方式的馬赫-曾德爾調(diào)制器（MZM），一個(gè)移相器，一個(gè)3dB分束結(jié)構(gòu)和一個(gè)3dB耦合結(jié)構(gòu)組成。如圖1所示。

圖1 使用IQ調(diào)制器的FMCW激光雷達(dá)的系統(tǒng)圖

線性調(diào)頻信號(hào)又叫Chirp(啁啾)信號(hào)[4]，是一種頻率隨時(shí)間變化而呈線性變化的正弦波信號(hào)。因?yàn)樽罡哒{(diào)制頻率的限制，所以導(dǎo)致了Chirp信號(hào)相對(duì)帶寬較寬。在雷達(dá)系統(tǒng)中，信號(hào)的帶寬決定了雷達(dá)的距離分辨率，因此激光成像雷達(dá)主要利用線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)距。

在一個(gè)掃頻周期T內(nèi)的典型的線性啁啾信號(hào)的表達(dá)式為：

其中A為信號(hào)的幅值，f0表示t=0時(shí)的頻率即有效信號(hào)區(qū)間的中心頻率，T為信號(hào)的一個(gè)周期為信號(hào)頻率的變化率，B為信號(hào)的有效帶寬。

我們輸入到IQ調(diào)制器的IQ兩臂的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)為I和Q的驅(qū)動(dòng)電壓相互正交[5]，且I和Q的驅(qū)動(dòng)電壓又分別包含兩個(gè)相互正交的：

其中VD為驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)的幅值。其信號(hào)示意圖如圖2所示。

圖2 I，Q兩臂的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)

在FMCW激光雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)距時(shí)，光信號(hào)可表示為：

其中fcarrier為光載波的頻率，As為光載波的幅值。當(dāng)時(shí)，可對(duì)上式做線性化處理得：

這是一個(gè)抑制光載波的雙邊帶信號(hào)，兩個(gè)邊帶分別調(diào)制了兩個(gè)相互獨(dú)立的載波信號(hào)。本振信號(hào)的表達(dá)式為：

其中ALO為本振信號(hào)的幅值。

光信號(hào)發(fā)射端到目標(biāo)處距離為R，回返時(shí)間為在目標(biāo)處反射時(shí)延遲時(shí)間為Δt，則回波信號(hào)為

其中At為本振信號(hào)的幅值與本振信號(hào)在90°光混頻器中混頻輸出兩路信號(hào)[6]：

然后將其輸入光平衡檢測(cè)器進(jìn)行光電變換輸出光信號(hào)為：

其中Ψ為光平衡檢測(cè)器的響應(yīng)度。

則最終得到的IQ復(fù)合信號(hào)為：

2.2 仿真研究

在仿真中利用Matlab軟件，將式13做FFT處理并作圖得到其頻域特征。其中設(shè)定在一個(gè)脈沖周期T=1μs內(nèi)，延遲Δt=0.8μs，啁啾信號(hào)的調(diào)頻斜率B=3GHz，一個(gè)信道內(nèi)的兩個(gè)正交信號(hào)的初始頻率分別為f0=1.5GHz和f1=5GHz。得到其頻譜圖如圖3～5所示。

圖3 I路信號(hào)幅頻特性圖

圖4 Q路信號(hào)幅頻特性圖

圖5 IQ復(fù)合信號(hào)幅頻特性圖

圖6 上下邊帶的相位關(guān)系圖

對(duì)IQ復(fù)合信號(hào)進(jìn)行合理相位匹配利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行后期處理和脈沖壓縮處理[8]，如圖7所示。

圖7 信號(hào)后期處理和脈沖壓縮處理

從圖7可知，IQ復(fù)合信號(hào)相對(duì)于I，Q信號(hào)獲得了更窄的脈沖，兩者相差一倍的帶寬，這樣由距離分辨率公式可知在不增加RF信號(hào)帶寬的情況下，可將FMCW激光雷達(dá)的距離分辨率提高一倍。

2.3 實(shí)驗(yàn)研究

圖8 搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

按圖1搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖8所示，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的telescope安裝在一個(gè)可以前后自由滑行的軌道上面，光源是帶有尾纖的100 kHz 頻寬的可調(diào)諧連續(xù)波激光器(Emcore TTX1994)其中心波長是1549.65 nm，任意波形發(fā)生器是Tektronix 70000 A，實(shí)時(shí)示波器是LeCory 8600 A。采集的數(shù)據(jù)將使用MATLAB 編程處理以完成復(fù)雜頻譜再建、數(shù)字均衡、下變頻等。

圖9 經(jīng)過后處理的FMCW的頻譜對(duì)比圖

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果經(jīng)后處理的頻譜如圖9所示。如圖所示，實(shí)線表示相位匹配的FMCW系統(tǒng)經(jīng)后處理的頻譜圖，紅色的點(diǎn)線和藍(lán)色的虛線表示FMCW 系統(tǒng)經(jīng)后處理的頻譜。紅色和藍(lán)線表示的中心峰3 dB帶寬大約是1.52 MHz，其相應(yīng)的距離分辨率是4.4 cm。實(shí)線表示的中心峰3 dB帶寬大約是0.8 MHz，其相應(yīng)的距離分辨率是2.3 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該FMCW激光雷達(dá)比具有相同調(diào)制能力的FMCW激光雷達(dá)的距離分辨率提高了一倍。

3 總結(jié)與展望

本文基于FMCW激光雷達(dá)的系統(tǒng)特點(diǎn)，闡述了IQ 調(diào)制的基本原理。并且在FMCW 激光雷達(dá)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了雷達(dá)系統(tǒng)中的IQ 調(diào)制，使用IQ調(diào)制器把數(shù)據(jù)分為兩路，分別進(jìn)行載波調(diào)制，兩路載波相互正交，再通過基于90°光學(xué)混頻器分別進(jìn)行探測(cè)的新型FMCW 激光雷達(dá)。對(duì)該FMCW 激光雷達(dá)各項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了理論仿真和數(shù)值模擬，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過仿真和實(shí)驗(yàn)證明了同時(shí)利用IQ 調(diào)制器的同相(I)和正交(Q)兩個(gè)信道，并通過后處理使線性啁啾信號(hào)的I、Q分量的相位保持連續(xù)的方式，可以成倍地提高FMCW 激光雷達(dá)的距離分辨率。相較與普通的激光雷達(dá)，提高距離分辨率的激光雷達(dá)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域擁有更廣闊的前景。

在以后的工作中，將繼續(xù)研究多普勒效應(yīng)對(duì)基于IQ 調(diào)制器的FMCW 激光雷達(dá)上下邊帶信號(hào)相位的影響，并提出相應(yīng)的后處理算法，使基于IQ調(diào)制器的FMCW 激光雷達(dá)能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)目標(biāo)。另外在以后的研究工作中，將在發(fā)射端添加單頻信號(hào)，從而使基于IQ 調(diào)制器的FMCW 激光雷達(dá)在提高距離分辨率的同時(shí)，也能夠測(cè)量物體目標(biāo)的移動(dòng)速度。