CN101034161A - 连续波调频相干光纤激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种激光雷达领域，涉及一种基于光纤激光器的连续波调频相干激光雷达。光纤激光器作为光源其出射端直接与光纤耦合器相接，光纤耦合器将光能量分为两部分，一部分作为本征光，直接输入第二个光纤耦合器的一个输入端，另一部分输入扩束镜装置；扩束镜将激光发射角压缩后，经二维扫描仪指向被探测区域；回波信号经过二维扫描仪由光学天线耦合到传输光纤一端，传输光纤的另一端经光纤放大器与第二个光纤耦合器相接，回波信号与本征光信号经光纤耦合器合光并发生混频干涉后进入探测器组件，探测器组件将信号的光电转化并放大，输出经过采集卡送入计算机进行数据处理。本发明具有体积小、质量轻、集成度高、稳定性好、智能化、模块化的特点。

Description

连续波调频相干光纤激光雷达

技术领域

本发明属于一种激光雷达领域，涉及一种基于光纤激光器的连续波调频相干激光雷达。

背景技术

激光雷达及其相关技术具有很强的军用背景，美国等军事发达国家在激光雷达及其相关技术上都投入了巨大的人力、物力，激光雷达技术取得了迅速的发展。目前，各种传统的激光雷达主要以光学棱镜、透镜、光栅等分立光学器件搭建光路。随着光纤光源以及各种光纤元器件的不断发展和成熟，已经可以组建全光纤光路的激光雷达。这种全光纤光路的激光雷达体积和质量远小于目前使用的其它型激光雷达，不需要复杂的冷却系统，并且能够在各种相对恶劣的条件下使用(比如强震动、温差大等环境)。美国专利(4651764)公开了一种巡航导弹的调幅连续波相位测距红外激光测高仪的，它以下视测高为主，可兼前视测距。1987年德国专利(3606337)和1989年德国专利(3901040)都介绍了连续波激光测高仪。这两种测距(测高)仪都基于连续波调幅技术实现距离的测量。其基本结构和原理为：光源发出强度按某一频率f₀变化的正弦调制光波，射向目标，在侧距仪的接收端获得目标反射回的调制光波的回波，经光电转换后得到与接收到的光波调制波频率完全相同的电信号，此电信号经放大后与光源的驱动电压相比较，测得两个正弦电压的相位差，根据测得的相位差就可算出所测距离。这种方法只能进行距离测量，因此无法获得目标的运动参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种可同时探测目标运动速度和距离的基于连续波光纤激光器的调频相干激光雷达。

本发明的技术方案是：光纤耦合器将光能量以1∶99的比例分为两部分，1％的光能量作为本征光，直接输入另一个光纤耦合器的一个输入端，99％的光能量输入扩束镜装置；扩束镜将激光发射角压缩后，经二维扫描仪指向被探测区域；回波信号经过二维扫描仪由光学天线耦合到传输光纤一端，光学天线为口径为200mm，焦距720mm的光学望远镜，传输光纤为数值孔径NA＝0.14，模式场直径8.2μm的单模光纤，传输光纤的另一端经光纤放大器与第二个光纤耦合器相接，回波信号与本征光信号经光纤耦合器合光并发生混频干涉后进入探测器组件，探测器组件将信号的光电转化并放大，输出经过采集卡送入计算机进行数据处理。选用全光纤器件和单模光纤搭建光外差探测光路。

选用掺铒光纤放大器对目标反射弱信号进行光一光放大。

本发明具有如下特点：

1.为了探测目标的运动速度和距离，采用连续光调频探测体制，避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题，从而可以实现高精度测量。采用连续波调频光纤激光器，频谱宽度可以达到＜1kHz，输出功率可以高达瓦量级，并且采用光纤耦合输出方式。通过在光纤激光器光路中集成高速光栅波长调制器，实现光波频率的大范围、高速调制。

2.采用1.55□m的DFB光纤激光器，该波段的激光器比较成熟，全固态器件有利于系统工程化。

3.激光输出的一部分被分配到本振光路，由于本振光功率只需在毫瓦量级，所以当以瓦级功率输出时，较小的光学天线可以获得足够信噪比的后向散射回波信号。

4.对较弱的目标反射信号首先使用掺铒光纤放大器进行放大，然后使用InGaAs探测器进行光电转换和窄宽带、低噪声放大。在放大信号的过程中抑止了噪声。

5.考虑到相干探测中对于光束的质量和光束的稳定性要求较高，利用光纤光路设计可以实现信号光在光路中的全单模传输，保证光路的稳定性、实现系统的小型化、方便光学系统的装调。

6.全光纤相干光学系统采用光纤耦合输出的光纤激光器等一系列全光纤器件，实现了光学外差探测光路。

本发明和已有的相干激光雷达系统相比，具有体积小、质量轻、集成度高、稳定性好、智能化、模块化的特点。

附图说明

图1为本发明的工作原理图；

图2为本发明的系统结构示意图，其中，a为静止目标示意图，b为运动目标示意图。

具体实施方式

参见附图。

基于光纤激光器的连续波调频相干激光雷达是由激光发射系统、激光接收系统和后继信号处理系统构成。发射机采用窄线宽调频光纤激光器3，其出射端直接与光纤耦合器1的输入端相接，光纤耦合器为1X2型，其分束比例为1∶99；光纤耦合器1将约1％的能量分出作为本征光，并将其输入光纤耦合器2的一个输入端。光纤耦合器1将99％的激光能量输入扩束镜4装置。激光束经8X扩束镜4压缩激光发射角后，经二维扫描仪5指向被探测区域。回波信号经过二维扫描仪后被光学天线6耦合到传输光纤7一端，传输光纤7的另一端接窄带光纤放大器8。放大的回波信号与本振信号通过光纤耦合器2合光并发生混频干涉，干涉光进入探测器(PIN)组件9，探测器组件9实现信号的光电转化和窄宽带、低噪声放大，放大后的电信号输出经过采集卡10送入计算机进行数据处理。对接收探测器输出的时域信号进行快速FFT变换，可获得信号的频谱分布，从而求得多普勒频率。由于采用快速A/D和数据量较大，需要有一定的存储空间和快速的算法，采用DSP和快速傅立叶变换算法并结合大内存空间实现多普勒速度测量的实时性。

调频光纤激光器3可以实现三角波对连续激光输出的线性调制。调制三角波的频率调幅为Δf，周期为T。出射激光11与回波信号12的差频为f_b，光速记为c，当目标静止时，其距离激光雷达的距离为：

$R=\frac{\left|f_b\right|\·\mathrm{cT}}{4\mathrm{\Δf}}.$ 当反射回波14来自运动目标时，f_b+为前半周期正向调频测得的出射激光13与回波信号14的差频，f_b-为后半周期负向调频测得的出射激光13与回波信号14的差频，则目标距离激光雷达的距离为

$R=\frac{\mathrm{cT}}{8\mathrm{\Δf}}(f_{b-}+f_{b+}),$ 目标相对激光雷达的径向速度为 $\frac{\mathrm{\λ}}{4}(f_{b-}-f_{b+}).$

实施例一

光纤激光器3采用KOHERAS ADJUSTIK^TM-E15型单波长分布反馈的超窄线宽DFB光纤激光器。该系统可以动态波长锁定，或者提供热波长调谐。PZT驱动器的接口接入扫描电压，该系统通过快速PZT(kHz量级调谐带宽)实现30pm范围内的调谐，结合波长热调谐功能，可以提供超过1nm范围内的无模式跳跃的波长热调谐或者波长锁定。其工作波长1550nm，出射激光的频谱宽度＜1kHz，输出平均功率20mW，具有光纤耦合输出方式；光学天线6采用Cassegrain式光学望远镜，其口径为200mm，焦距(720mm)；传输传导光纤为单模光纤(数值孔径NA＝0.14)，模式场直径(8.2μm))；光纤耦合器1、2为1X2型，其分束比例为1/99；光纤放大器8为掺铒光纤放大器，选用丹麦KOHERAS公司生产的AEDFA-BO-18型产品，信号增益30dB(当小信号输入功率-30dBm时)；探测器为高频率响应的InGaAs探测器组件(PIN)测器。

Claims (7)

1.一种基于连续波光纤激光器的调频相干激光雷达，其特征在于，光纤激光器[3]的出射端直接与光纤耦合器[1]相接，光纤耦合器[1]将光能量以1∶99的比例分为两部分，1％的光能量作为本征光，直接输入另一个光纤耦合器[2]的一个输入端，99％的光能量输入扩束镜[4]装置；扩束镜[4]将激光发射角压缩后，经二维扫描仪[5]指向被探测区域；回波信号经过二维扫描仪[5]由光学天线[6]耦合到传输光纤[7]一端，传输光纤[7]的另一端经光纤放大器[8]与另一个光纤耦合器[2]相接，回波信号与本征光信号经光纤耦合器[2]合光并发生混频干涉后进入探测器组件[9]，探测器组件[9]将信号的光电转化并放大，输出经过采集卡10送入计算机进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的基于连续波光纤激光器的调频相干激光雷达，其特征在于，选用窄线宽连续调频光纤激光器作为光源。

3.根据权利要求1所述的基于连续波光纤激光器的调频相干激光雷达，其特征在于，选用全光纤器件和单模光纤搭建光外差探测光路。

4.根据权利要求1所述的基于连续波光纤激光器的调频相干激光雷达，其特征在于，选用掺铒光纤放大器对目标反射弱信号进行光—光放大。

5.根据权利要求1所述的基于连续波光纤激光器的调频相干激光雷达，其特征在于，所述光学天线为口径为200mm，焦距720mm的光学望远镜。

6.根据权利要求1所述的基于连续波光纤激光器的调频相干激光雷达，其特征在于，所述传输光纤为数值孔径NA＝0.14，模式场直径8.2μm的单模光纤。

7.根据权利要求1所述的基于连续波光纤激光器的调频相干激光雷达，其特征在于，所述光纤耦合器的分束比例为1∶99。

Images