CN106646426B - 一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，包括光源模块、分光模块、发射接收望远镜模块以及采集模块；通过将激光光束分为两束，其中一束光作为参考标定光束，另一束光用于与大气相互作用的信号光；将该信号光发射至望远镜阵列出射，由接收望远镜接收与大气相互作用后的大气回波信号；并对大气回波信号以及参考标定光束进行采集。本申请技术方案提供的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达系统稳定、结构紧凑、全光纤链接，采用了激光发射望远镜阵列，提高了激光出射功率与探测的信噪比，实现了远距离探测，提高了激光雷达的时间分辨率、空间分辨率，提高了激光雷达的探测精度。

Description

一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，特别是涉及一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达。

背景技术

随着光学技术的发展，激光雷达由于其方向性好、时间分辨率和空间分辨率高、精度高、非接触测量等优势逐渐取代了传统雷达，广泛应用于测风、测速、成像、污染物监测、测温、气溶胶光学特性探测等领域，成为雷达领域的翘楚。

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，主要由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成。通过向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

多普勒激光雷达以其高分辨率、高精度、大探测范围、能提供晴空条件下的三维风场信息能力被着重应用于天气预报、气候研究模型和提高军事环境预报领域，用于测量大气风速。多普勒激光雷达利用光的多普勒效应，测量激光光束在大气中传输的回波信号的多普勒频移来反演空间风速的分布。多普勒激光雷达的探测方式主要有相干(外差)探测以及非相干(直接)探测。相干探测测量的是回波信号与本振光(发射激光光束信号)之间的差频信号，而直接探测是通过接收信号与发射激光能量信号的相对能量变化。

由于直接探测主要针对两束光信号的能量进行检测，可见光束能量对于探测精度是非常重要的。现有技术中，由于受到非线性效应(例如受激布里渊散射)的影响，激光器出射的功率有限，商用的激光器的平均功率仅为十几瓦量级，远远达不到实现大气探测的高精度的要求下的发射功率需求。可见，如何提高激光的发射功率，是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种全光纤雷达，提高了激光发射功率，进而提高了激光雷达的时间分辨率、空间分辨率，加大了探测距离范围，提高了激光雷达的探测精度。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例提供了一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，包括：

光源模块、分光模块、发射接收望远镜模块以及采集模块；

其中，所述光源模块用于出射预设波长的激光光束；

所述分光模块用于将所述激光光束分为第一激光光束以及第二激光光束，所述第一激光光束入射至所述发射接收望远镜模块，所述第二激光光束作为参考标定光束；

所述发射接收望远镜模块用于将所述第一激光光束经发射望远镜阵列出射，并由接收望远镜接收与大气相互作用后的大气回波信号；所述发射望远镜阵列为由至少两个发射望远镜组成的阵列；

所述采集模块用于对所述大气回波信号以及所述参考标定光束进行采集；

所述发射接收望远镜模块包括：分光器、EDFA阵列、发射望远镜阵列以及接收望远镜；

其中，所述分光器用于将所述第一激光光束分为多束，入射至所述EDFA阵列中，经所述EDFA阵列出射的多束激光光束一一对应入射至所述发射望远镜阵列中，出射激光光束与大气相互作用后，由所述接收望远镜进行接收。

优选的，所述光源模块为波长为1.5μm、单频、窄脉宽激光光源。

优选的，所述EDFA阵列中各个EDFA采用的种子光源为同一光源。

优选的，所述接收望远镜为单个，所述发射望远镜阵列中的各发射望远镜围绕所述接收望远镜分布。

优选的，还包括：

衰减器，用于对所述第二激光光束进行衰减，衰减后的光束作为所述参考标定光束。

优选的，还包括：

窄带光纤布拉格光栅，用于对接收到的所述大气回波信号中的背景噪声进行滤除。

优选的，所述采集模块包括：

光纤合束器、光信息提取单元、单光子探测器以及采集卡；

其中，所述光纤合束器用于将所述参考标定光束以及大气回波信号进行合并；所述光信息提取单元用于对光信息进行提取；所述单光子探测器用于对提取信号进行单光子探测，由所述采集卡进行采集。

优选的，所述单光子探测器为InGaAs探测器、上转换单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。

优选的，还包括：

计算机，用于接收所述采集模块采集到的大气回波信号，并根据所述参考标定光束对所述大气回波信号进行反演及显示。

本发明实施例提供了一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，包括光源模块、分光模块、发射接收望远镜模块以及采集模块；通过将激光光束分为两束，其中一束光作为参考标定光束，另一束光用于与大气相互作用的信号光；将该信号光发射至望远镜阵列出射，由接收望远镜接收与大气相互作用后的大气回波信号；并对大气回波信号以及参考标定光束进行采集。

本申请技术方案提供的激光雷达系统稳定、结构紧凑、全光纤链接，由于采用主振荡功率放大结构，即采用激光发射望远镜阵列，从而提高了激光出射功率；由于可对各望远镜的束腰位置进行优化设计，从而提高了探测的信噪比，实现了远距离探测；此外，由于提高了激光器的发射功率，故可提高激光雷达的时间分辨率、空间分辨率，而且提高了激光雷达的探测精度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达在一种具体实施方式的结构框图；

图2为本发明实施例提供的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达在另一种具体实施方式的结构框图；

图3为本发明实施例提供的一个示例性应用场景的系统结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种具体实施方式下多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达的结构框图。

多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达可包括光源模块101、分光模块102、发射接收望远镜模块103以及采集模块104。

光源模块101用于出射预设波长的激光光束。优选的，激光光束的波长为1.5μm，相比采用355nm、532nm和1064nm波段的激光雷达，1.5μm波段的激光雷达具有如下优点：1.5μm为光通讯波段，由于目前光通讯技术的发展较为成熟，故光通讯器件成熟、稳定和成本低；从300nm至10μm波段，1.5μm激光的人眼允许曝光功率最大，对人眼危害较小；光纤在1.5μm波段衰减小(＜0.3dB/km)，可实现激光雷达的集成化；波长越长对镜片平整度的要求越低，受大气湍流影响越小；随着探测技术的发展，各种探测器在1.5μm波段的性能逐步提高，尤其是超导纳米线单光子探测器，其在1.5μm波段可实现量子效率＞90％，暗计数＜1Hz，计数率100MHz的探测。当然，也可采用其他波长段的激光光束，这均不影响本申请技术方案的实现。

在一种具体的实施方式中，光源模块101为波长为1.5μm、单频、窄脉宽激光光源。当然，也可根据用户或实验人员的需求进行选择其他类型的光源，本发明对此不做任何限定。

分光模块102用于将激光光束分为两束，即第一激光光束以及第二激光光束，第一激光光束入射至发射接收望远镜模块，用于与大气发生作用，第二激光光束作为参考标定光束。

分光模块102可采用分光器件进行实现将光束分离使其各自按照预设的光路进行传输，分光器件与激光器相连，优选的，分光模块可为光纤分束器，当然，也可采用其他分光器件，例如光分束器、偏振分束器等，具体采用哪一种类型，相关技术人员可根据实际需求做选择，本发明并对此做任何限定。

发射接收望远镜模块103用于将第一激光光束经发射望远镜阵列出射，并由接收望远镜接收与大气相互作用后的大气回波信号；发射望远镜阵列为由至少两个发射望远镜组成的阵列。

具体的，发射接收望远镜模块103可包括：

分光器、EDFA阵列(掺铒光纤放大器)、发射望远镜阵列以及接收望远镜。

分光器与上述分光器件相连，用于将第一激光光束分为多束，然后入射至EDFA阵列中。优选的，分光模块可为光纤分束器，当然，也可采用其他分光器件，例如光分束器、偏振分束器等，具体采用哪一种类型，相关技术人员可根据实际需求做选择，本发明并对此做任何限定。

EDFA是对信号光放大的一种有源光器件，可实现长距离、大容量、高速率的光纤通信。EDFA阵列与上述分光器相连，用于将分为多束的第一激光光束经EDFA阵列出射的每一束一一对应入射至发射望远镜阵列中。为了保证各出射激光光束的中心频率一样，EDFA阵列中各个EDFA采用的种子光源为同一光源。

需要说明的是，EDFA阵列与发射望远镜阵列相对应，EDFA阵列的数量使用者或实验人员可根据需要出射的激光功率和探测目标来确定。

发射望远镜阵列与EDFA阵列相连，用于一一接收与EDFA阵列对应出射的激光光束。通过采用发射望远镜阵列，可实现高的距离分辨率、高时间分辨率、长探测距离和高测量精度的风场探测。

接收望远镜用于接收发射望远镜阵列出射激光光束与大气相互作用后的回波信号，该回波信号携带多普勒频移信息。接收望远镜可为单个，也可为多个组合，但是多个组合接收到的信息最终还需量化为一个信息，这无疑会增大数据处理量与工作量，故优选的，接收望远镜为单个。

需要说明的是，发射望远镜阵列中的各发射望远镜围绕接收望远镜分布，可通过对各发射望远镜的束腰位置进行优化设计，获得高的信噪比，从而实现长距离(远距离)探测。

可选的，在本实施例的一些实施方式中，发射接收望远镜模块103例如还可以包括：

延时光纤，分别与发射望远镜阵列以及环形器相连，用于对回波信号进行延时，为了使回波信号可以被后续操作中采集装置或预处理机接收，需要识别回波信号的频率，并调谐振荡器，将要输入的信号转化为适用本系统的频率，在这段识别转化时间内就需要将回波信息进行保存，延时光纤可实现回波信号的短暂保存，有利于将回波信号全部采集，有利于提高探测精度。

需要说明的是，如果系统中没有环形器，延时光纤可直接与后续器件相连。

在本实施例的另一些实施方式中，发射接收望远镜模块103例如可包括：

环形器，分别与发射望远镜阵列、接收望远镜以及延时光纤相连，主要用于对多路信号进行转换，优选的，可采用光纤环形器，当然也可采用其他器件，只要可以起到环形器的作用即可，本发明实施例对此并不做任何限定。

还可包括：

滤波器，滤波器与环形器相连，用于对接收到的所述大气回波信号中的背景噪声进行滤除。由于在激光器发射激光难免会掺有非预设波长的激光光束的杂光、在激光束传输过程或在进行光放大时，系统不可避免也会混有其他与有用信号无关的一切干扰，故需要进行滤除，以获得较为纯净的光束，有利于提高探测精度。

优选的，滤波器可为窄带光纤布拉格光栅，窄带光纤布拉格光栅的中心波长和种子光源(光源模块的光源)的中心波长可一致。当然，也可采用其他类型的滤波器，例如高通滤波器、低通滤波器、数字滤波器，具体采用哪一种类型，相关技术人员可根据实际需求做选择，这均不影响本发明实施例提供的技术方案的实现。

需要说明的是，如果系统中没有环形器，滤波器可直接与延时光纤相连；如果没有延时光纤，则直接与发射望远镜阵列或接收望远镜相连。

采集模块104用于对大气回波信号以及参考标定光束进行采集，可包括：

光纤合束器、光信息提取单元、单光子探测器以及采集卡。

合束器，分别与分光模块102、环形器或延时光纤或发射望远镜阵列或接收望远镜相连，将所述参考标定光束以及大气回波信号进行合并。

优选的，合束器可为光纤合束器，当然，也可为其他任何类型的合束器件，这均不影响本申请技术方案的实现。

需要说明的是，若环形器或延时光纤在系统中存在，则合束器与其相连；若不存在，则与发射望远镜阵列或接收望远镜相连。

光信息提取单元与合束器相连，用于对光信息进行提取。例如对大气风速、温度、密度、气体成分和偏振特性的提取。当然，也可对其他信号进行提取。

单光子探测器与光信息提取单元相连，用于对光信息提取单元出射的信息进行提取，并进行单光子探测。

在一种优选的实施方式中，单光子探测器可为InGaAs探测器、上转换单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。由于本发明实施例采用高出射功率的激光，因此单光子探测器优选为高计数率、高量子效率和低暗计数的超导纳米线单光子探测器。当然，也可采用其他探测器，例如光电探测器，本发明并不对此做任何的限定。

采集卡与单光子探测器相连，用于对单光子探测器探测的信号进行采集。在一种优选的实施方式中，采集卡可选择A/D采集卡，当然，也可采用其他类型的采集卡，具体采用哪一种类型，相关技术人员可根据实际需求做选择，本发明并对此不做任何限定。

由上可知，本发明实施例提供的雷达系统稳定、结构紧凑、全光纤链接，由于采用主振荡功率放大结构，即采用激光发射望远镜阵列，从而提高了激光出射功率；由于可对各望远镜的束腰位置进行优化设计，从而提高了探测的信噪比，实现了远距离探测；此外，由于提高了激光器的发射功率，故可提高激光雷达的时间分辨率、空间分辨率，而且提高了激光雷达的探测精度。

可选的，在本实施例的一些实施方式中，请参阅图2，例如还可以包括：

衰减器3，分别与分光模块102、合束器相连，用于对第二激光光束进行衰减，衰减后的光束作为参考标定光束。

衰减器3用于通过模拟光束在大气中的衰减过程对第二激光光束(参考标定光束)进行衰减。通过对参考标定光束的衰减处理，使得参考标定光束与回波信号的传输过程经历的衰减相类似，有利于两束光的相干，有利于获得更加准确的多普勒频移信息，从而有利于提高探测精度。

在一种优选的实施方式中，衰减器3可选择连续可调衰减器。当然，也可采用其他类型的衰减器，具体采用哪一种类型，相关技术人员可根据实际需求做选择，本发明并对此不做任何限定。

需要说明的是，如果没有合束器，可与光信息提取单元相连。在没有衰减器的情况下，第二激光光束将经分光模块102发射到采集模块104或合束器；但是在有衰减器3时，第二激光光束将经分光模块102发射到衰减器3，经过衰减器3进行衰减后发射至采集模块104或合束器。

可选的，在本实施例的一些实施方式中，请参阅图2，例如还可以包括：

计算模块105，用于接收采集模块采集到的大气回波信号，并根据参考标定光束对大气回波信号进行反演及显示。

计算模块可为计算机，由采集卡采集到的信号发送到计算机进行处理，例如以大气气溶胶作为探测物，用所述激光雷达系统可实现对大气风速的测量。

需要说明的是，除了对探测目标的速度进行计算外，还可以对其他关于探测目标的信息进行处理，例如成像、测温等等。

通过增加计算模块，可实现根据采集信号进行反演与显示，输出或获得探测目标的相关信息，使整体系统更具有实际意义。

为了更好的理解本申请技术方案的思想与原理，以下以具体的一种应用场景进行对本发明实施例所提供的技术方案进行阐述，请参阅图3，图3为该示意性例子的系统框图。

由图3可知，该多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达系统可包括1.5μm脉冲的种子光源1、第一光纤分束器2、衰减器3、第二光纤分束器4、EDFA阵列5、多发单收望远镜阵列6、延时光纤7、第一光纤环形器8、窄带光纤布拉格光栅9、光纤合束器10、光信息提取单元11、单光子探测器12、采集卡13、计算机14。

1.5μm脉冲种子光源1被第一光纤分束器2分成两束光束，一束光束被衰减器3衰减到单光子水平后接入光纤合束器10，用作参考标定光束，另外一束光束被第二光纤分束器分成N束光束后接入EDFA阵列5。EDFA阵列5出射的N束激光光束接入多发单收望远镜阵列6，当激光与大气相互作用后，携带有多普勒频移信息的大气回波信号经多发单收望远镜阵列6的接收望远镜接收，回波信号先经延时光纤7后再经过第一光纤环形器8和窄带光纤布拉格光栅9。从第一光纤环形器8出射的回波信号接入光纤合束器10。参考标定光束和大气回波信号先后进入光信息提取单元11进行光学信息提取。从光信息提取单元11出射的信号由单光子探测器12探测后，再由采集卡13采集，最后计算机14负责各器件的协同工作以及反演和显示。

本发明实施例经过望远镜阵列实现了1.5μm脉冲种子光源的功率放大，系统稳定、结构紧凑、全光纤链接，提高了激光雷达的时间分辨率、空间分辨率，提高了激光雷达的探测精度，实现了远距离探测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，包括：

光源模块、分光模块、发射接收望远镜模块以及采集模块；

其中，所述光源模块用于出射预设波长的激光光束；

所述分光模块用于将所述激光光束分为第一激光光束以及第二激光光束，所述第一激光光束入射至所述发射接收望远镜模块，所述第二激光光束作为参考标定光束；

所述发射接收望远镜模块用于将所述第一激光光束经发射望远镜阵列出射，并由接收望远镜接收与大气相互作用后的大气回波信号；所述发射望远镜阵列为由至少两个发射望远镜组成的阵列；

所述采集模块用于对所述大气回波信号以及所述参考标定光束进行采集；

其中，所述发射接收望远镜模块包括：

分光器、EDFA阵列、发射望远镜阵列以及接收望远镜；

其中，所述分光器用于将所述第一激光光束分为多束，入射至所述EDFA阵列中，经所述EDFA阵列出射的多束激光光束一一对应入射至所述发射望远镜阵列中，出射激光光束与大气相互作用后，由所述接收望远镜进行接收。

2.如权利要求1所述的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，所述光源模块为波长单频、窄脉宽激光光源。

3.如权利要求1所述的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，所述EDFA阵列中各个EDFA采用的种子光源为同一光源。

4.如权利要求1所述的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，所述接收望远镜为单个，所述发射望远镜阵列中的各发射望远镜围绕所述接收望远镜分布。

5.如权利要求1至4任一项所述的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，还包括：

衰减器，用于对所述第二激光光束进行衰减，衰减后的光束作为所述参考标定光束。

6.如权利要求1至4任一项所述的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，还包括：

窄带光纤布拉格光栅，用于对接收到的所述大气回波信号中的背景噪声进行滤除。

7.如权利要求1至4任一项所述的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，所述采集模块包括：

光纤合束器、光信息提取单元、单光子探测器以及采集卡；

其中，所述光纤合束器用于将所述参考标定光束以及大气回波信号进行合并；所述光信息提取单元用于对光信息进行提取；所述单光子探测器用于对提取信号进行单光子探测，由所述采集卡进行采集。

8.如权利要求7所述的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，所述单光子探测器为InGaAs探测器、上转换单光子探测器或超导纳米线单光子探测器。

9.如权利要求1至4任一项所述的多发单收望远镜阵列的全光纤激光雷达，其特征在于，还包括：计算机，用于接收所述采集模块采集到的大气回波信号，并根据所述参考标定光束对所述大气回波信号进行反演及显示。