一种基于微波光子时频传递的空间激光测距系统

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，具体涉及一种基于微波光子时频传递的空间激光测距系统。

背景技术

激光测距技术是一种高精度、非接触式的测量方法，具有广泛的应用前景。激光的产生可以追溯至二十世纪六十年代，第一台红宝石激光器的诞生标志着激光作为一种全新的技术登上历史舞台，激光具有频率高、相干性强、功率大等优点，在军事、医疗、通信等领域迎来了蓬勃的发展。激光应用于距离测量领域，诞生了激光测距方法。由于采用光信号作为测量信号，激光测距方法具有方向性好、精度高、抗电磁干扰能力强等优点，同时系统具有体积小、重量轻等优点，对于自动驾驶、电子战和高精度测绘等应用具有重要意义。远程高精度激光测距装置的发展有望提高目标定位、补偿和控制以及系统同步的精度。

广义上，激光测距按照技术手段可分为三类：干涉法、三角测量法和飞行时间法。干涉法利用了激光的高相干性，分束镜将发射激光分成测量光和参考光两路，测量光用于探测目标信号，参考光经过人为设定的光路，并在接收端相遇并产生干涉，通过分析干涉信号得到测量路和参考路的光程差，从而获得目标距离信息。由于采用单一波长的测量信号，干涉法激光测距具有极高的分辨率，但是测距范围极其有限。三角法激光测距具有结构简单、成本低等优点，但是受限于目标散射光强，一般应用于室内近距离工作场景下。飞行时间法则是一类应用最为广泛的激光测距方法，通过记录发射信号与目标反射回波信号之间的时间差，并乘以信号波速，即光速，得到发射端与目标之间的距离。脉冲法、调频连续波法和连续波相移法是三种典型的基于飞行时间法的激光测距技术。

频率传递和时间同步是实现时间和频率的高稳定传输的两个关键技术。频率传递在远端恢复出与传递信号保持相位稳定关系的信号，当前的光学稳相传输可分为主动相位噪声补偿稳相传输和被动相位噪声补偿稳相传输。时间同步就是不同时钟时刻的精确对准，即将时间信号从发射端传输到接收端，通过测量由光纤链路(或空间光链路)引入的传输时差，并实时补偿接收端得到与发射端时间同步的信号。通过时间同步方法可以进行激光脉冲时间的粗测，利用频率传递的鉴相方法可以测得传输引起的相移，从而测得长距离的激光飞行时间，达到长距离、高精度的激光测距。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于微波光子时频传递的空间激光测距系统。该系统可实现长距离、高精度的激光测距，并可同时实现时间同步和频率传递。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于微波光子时频传递的空间激光测距系统，包括发射端原子钟、接收端原子钟、时间同步子系统、频率传递子系统以及测距模块；时间同步子系统和频率传递子系统均包括发射端系统和接收端系统，时间同步子系统和频率传递子系统的发射端系统通过发射端波分复用器共用光路，时间同步子系统和频率传递子系统的接收端系统通过接收端波分复用器共用光路；

所述时间同步子系统的发射端系统包括第一调制模块、第一环行器、第一探测模块、第一比对模块、第一运算控制模块、解码模块、延时控制模块，时间同步子系统的接收端系统包括第二调制模块、第二环行器、第二探测模块、第二比对模块、编码调制模块；其中，第一调制模块将发射端原子钟产生的1PPS信号调制到光上，通过第一环行器和发射端波分复用器发射到光路中，光信号经过接收端波分复用器后进入第二环行器，第二探测模块对第二环行器中的光信号进行探测，将光信号转化为电信号，第二比对模块将接收端原子钟发出的1PPS信号与第二探测模块探测到的1PPS信号进行时间比对，然后将比对结果通过编码调制模块调制到光上，接着通过第二环行器和接收端波分复用器将光信号发送回去；返回的光信号经过发射端波分复用器和第一环行器后被解码模块接收并进行解码，输出数字信号；同时，时间同步子系统的接收端系统通过第二调制模块将接收端原子钟产生的1PPS信号调制到光上，通过第二环行器和接收端波分复用器发射到光路中，光信号经过发射端波分复用器后进入第一环行器，第一探测器对第一环行器中的光信号进行探测，将光信号转化为电信号，第一比对模块将发射端原子钟发出的1PPS信号和第一探测器探测到的1PPS信号进行时间比对，第一运算控制模块将第一比对模块的比对结果的数字信号与解码模块解码出的数字信号进行运算，求出传输时延以及两地时钟的钟差，延时控制模块根据钟差对发射端的1PPS信号进行延时，实现两地的时间同步；

所述频率传递子系统的发射端系统包括第三调制模块、第三环行器、光纤延时线、第三探测模块、鉴相模块与第二运算控制模块，频率传递子系统的接收端系统包括第四环行器、分束器和第四探测模块；其中，第三调制模块将发射端原子钟产生的10Mhz信号调制到光上，通过第三环行器和发射端波分复用器发射到光路中，光信号经过接收端波分复用器后进入第四环行器，然后通过分束器分为两路，一路通过第四环行器环回，通过接收端波分复用器发射回去，经发射端波分复用器、光纤延时线、第三环行器后，被第三探测模块接收，然后送给鉴相模块用来与发射端原子钟产生的10MHz信号进行鉴相，鉴相结果的直流信号进入第二运算控制模块，第二运算控制模块根据相位差获得延时量，然后通过PID算法求出光纤延时线的实时补偿量，控制鉴相模块的结果稳定，实现频率传递补偿；分束器分出的另一路送入第四探测模块进行信号探测，实现频率传递；

所述测距模块根据第一运算控制模块求出的传输时延和第二运算控制模块求出的延时量进行运算，得到发射端到接收端的距离。

进一步地，第一运算控制模块计算两地时钟钟差的方式为：

(t

计算传输时延的方式为：

T

式中，t

第二运算控制模块实现频率传递补偿的方式为：

依据下式将相位差

式中，f为频率信号的频率；

通过PID算法求出光纤延时线的实时补偿量，控制光纤延时线进行延时的稳定；

测距模块计算发射端到接收端的距离的方式为：

其中，

m＝[T

式中，L为发射端到接收端的距离，c为光速，m为中间变量，[]表示取整，f为信号的频率。

本发明的有益效果在于：

1、本系统包括基于双向比对的时间同步系统、基于锁相环的主动补偿频率传递系统，以及基于飞行时间测量的激光测距系统，三个系统通过波分复用技术统一于一个系统中。

2、本系统可同时实现时间同步、频率传递和激光测距。

3、本系统可实现长距离、高精度的激光测距。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为时间同步系统的原理框图；

图3为频率传递系统的原理框图；

图4为实时测距的实验数据图。

具体实施方式

一种基于微波光子时频传递的空间激光测距系统，如图1所示，该系统主要分为三个部分，分别是基于双向比对的时间同步系统、基于锁相环的主动补偿频率传递系统，以及基于飞行时间测量的激光测距系统，三个系统通过波分复用技术统一于一个系统中。

其中，时间同步系统是采用双向比对的方案进行的，如图2所示。时间同步系统包括发射端与接收端，发射端包括原子钟、调制模块、环形器、探测模块、比对模块、运算控制、解码模块、延时控制模块。接收端包括环行器、调制模块、探测模块、比对模块、编码调制。空间光路由两个准直镜与一个反射镜构成，反射镜的作用是将发射端与接收端放到同一端。

将1PPS信号通过调制模块调制到光上，通过环行器、波分复用器再通过准直镜发射到空间中，另一端通过准直镜进行光信号接收，接受到的光信号通过波分复用器、通过环行器将信号接收下来然后用探测模块进行探测，将光信号转化为电信号，之后与接收端原子钟发出的1PPS信号进入时间比对模块进行时间差的信号比对，然后将比对后的结果通过编码调制的方式调制到光模块上，通过波分复用器、准直镜发射到远端。并且接受端的1PPS信号也通过调制模块、环行器发射到远端与发射端的1PPS信号进行比对，将两端的比对结果进行运算控制，通过做差的方式消除传输延时，然后加载到延时模块上，使得延时后的1PPS信号与远端1PPS信号时间同步。

调制模块使用外调制方式，由激光器与调制器构成，作用为将1PPS信号调制到光上发射到远端。

编码调制与解码模块，有调制解调和光模块实现，将信号直接通过光模块，将数字信号转化为光信号传输到远端，然后再将光信号转化为数字信号。

频率传递系统如图3所示。频率传递系统采用主动补偿的方式进行，频率传递包括发射端与接收端，发射端模块包括调制模块、环行器、光纤延时线、鉴相模块与运算控制模块接受端包括环行器、探测模块、与信号的反馈。空间光路与时间同步公用一套空间光路。

将10Mhz信号通过调制模块调制到光上，通过环行器再通过波分复用器与准直镜发射到空间中，然后通过反射镜将信号反射到接收端的准直镜中，光束通过波分复用器、通过环行器然后用分束器分为两路，一路通过环行器环回来用于信号的反馈，另一路通过探测模块作为信号的探测。反馈回来的信号通过波分、延时线、环行器与原始信号进入鉴相模块进行鉴相，然后鉴相结果通过运算控制单元反馈到光纤延时线，通过实时调整光纤延时线的延时量，将鉴相的相位差稳定下来，使得发射端与接收端的信号有固定的相位差，达到稳相的效果。

测距系统是通过基于时间同步的双向比对系统的脉冲飞行法进行粗测距，再通过频率传递的鉴相方式，实现精确测距。然后粗测距与精确测距相结合，实现空间的高精度、长距离测距。时间同步的双向比对方案，在运算器中通过消除两地时钟的时钟差和除传输损耗外的固有延时，得到激光脉冲的飞行时间，然后乘以光速得到传输距离。通过返回的信号进行鉴相得到相位差，再从相位信号除以频率，转化为传输延时，根据传输延时得到传输距离，然后相位最大只能得到2p的相位变化，因此测距范围很小，但是精度很高，根据通过粗测距与精测距的方式结合，实现测距效果。

如图2所示，发射端通过比对模块得到的时间比对值为：

T

T

T

T

(t

通过将(1)式与(2)式相加然后除以2便可得到传输延时：

T

传输时延换算成传输距离，得到空间光路的粗测距。经过测量100m传输延时的抖动在500ps以内。因此测距稳定度也就是精度为

X＝500*10

而频率传递为通过鉴相的方式得到传输时延，从而得到传输距离

其中

鉴相法测量的距离范围在1个周期内，即c/4f，为7.5米，远大于粗测距精度，因此可以通过粗测的距离得到m，从而根据公式(6)得到精确的传输的距离。

该系统的工作原理如下：

该系统利用频率传递和时间同步实现高精度空间测距。首先，微波光子时间同步通过采用双向比对的方案，通过双向时钟的比对，消除时钟的固有时延，测得传输时延，从而粗测空间传输距离。频率传递是通过主动补偿的方法进行频率传递的补偿，将空间光路上反馈回来的信号与原始信号进行鉴相器鉴相，探测传输引起的相位信息变化，根据传输回来的信号相位差，得倒传输延时的精确值，根据时间同步测得的粗延时和频率传递测得的精确延时量的运算叠加，然后转换为距离信号，得到精确的传输距离，从而实现空间激光测距。

假如鉴相的分辨率为1度。则测距的精度理论值为0.02。

通过试验得到最终的测距结果如图4所示。可以看出，距离在1min内抖动在0.05m范围内，可能是链路电学器件引起的抖动。图4验证了本系统用于长距离测距的可行性。