发明内容
本发明的目的是提供一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达,该激光雷达为相干探测方式,其发射和接收部分采用全光纤光路,利用光纤作为激光的传输和接收光路,可以使光源和探测器远离恶劣的外界探测环境,并且具有结构简单、质量轻等优点;采用三角波调频连续波体制,可以同时探测距离和速度信息,避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题,实现了无盲区高精度测量。利用三波束进行三维速度及距离的测量,能够同时解调出三维速度和距离信息,解决摇摆带来的动态误差。
本发明的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达,所述激光雷达包括有发射部分、接收部分和信号处理及控制部分(14),其中:
所述发射部分包括有窄线宽激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、隔离器(3)、泵浦源(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤(6)、第二光纤耦合器(81)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形器(93)、第一
波片(101)、第二
波片(102)、第三
波片(103)、第一准直器(111)、第二准直器(112)和第三准直器(113);其光信息传输为:
窄线宽激光器(1)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器(2);
第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I
1按照功率进行分光,分为第一发射信号光IA
2和第一本振光IB
2;第一发射信号光IA
2输出给隔离器(3);第一本振光IB
2输出给
波片(7)。
隔离器(3)第一方面将接收到的第一发射信号光IA2传输给波分复用器(5),经隔离器(3)后的第一发射信号光IA2记为第二发射信号光G3;第二方面滤除从波分复用器(5)回传的第二自发辐射光g5。
泵浦源(4)用于输出泵浦光I4,所述泵浦光I4的波长为974nm。
波分复用器(5)第一方面将接收到的泵浦光I4和第二发射信号光G3进行耦合,使两束光在同一光纤当中径向传输,得到混合光G5输出给掺铒光纤(6);第二方面将回传的第一自发辐射光g6传输给隔离器(3),经波分复用器(5)后的第一自发辐射光g6记为第二自发辐射光g5。
掺铒光纤(6)第一方面用于将接收到的混合光G5进行受激放大,得到第三发射信号光G6输出给第二光纤耦合器(81),第二方面混合光G5在掺铒光纤(6)中会因为自发辐射而产生反向传输的第一自发辐射光g6,该第一自发辐射光g6输出给波分复用器(5)中。
第二光纤耦合器(81)将接收到第三发射信号光G
6按照功率进行分光,分为X轴发射信号光XG
81,Y轴发射信号光YG
81和Z轴发射信号光ZG
81;X轴发射信号光XG
81输出给第一环形器(91),Y轴发射信号光Y
G81输出给第二环形器(92),Z轴发射信号光ZG
81输出给第三环形器(93)。所述X轴发射信号光XG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
所述Y轴发射信号光YG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
所述Z轴发射信号光ZG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
第一环形器(91)第一方面将接收到的X轴发射信号光XG
81进行X轴方向的定向,成为X轴定向光束XG
91,该X轴定向光束XG
91被传输给第一
波片(101);第二方面将接收到的X轴第三返回信号光xg
9l进行X轴方向的定向,成为X轴第四返回信号光XI
91,该X轴第四返回信号光XI
91被传输给第四光纤耦合器(121)。
第二环形器(92)第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG
81进行Y轴方向的定向,成为Y轴定向光束YG
92,该Y轴定向光束YG
92被传输给第二
波片(102);第二方面将接收到的Y轴第三返回信号光yg
92进行Y轴方向的定向,成为Y轴第四返回信号光XI
92,该Y轴第四返回信号光XI
92被传输给第五光纤耦合器(122)。
第三环形器(93)第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG
81进行Z轴方向的定向,成为Z轴定向光束ZG
93,该Z轴定向光束ZG
93被传输给第三
波片(103);第二方面将接收到的Z轴第三返回信号光zg
93进行Z轴方向的定向,成为Z轴第四返回信号光XI
93,该Z轴第四返回信号光XI
93被传输给第六光纤耦合器(123)。
第一波片(101)第一方面将接收到的X轴定向光束XG91转换为圆偏振光,得到X轴圆偏振光XG101输出给第一准直器(111);另一方面将接收到的X轴第二返回信号光xg101转换为线偏振光,得到X轴第三返回信号光xg91。
第二
波片(102)第一方面将接收到的Y轴定向光束YG
92转换为圆偏振光,得到Y轴圆偏振光YG
102输出给第二准直器(112);另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg
102转换为线偏振光,得到Y轴第三返回信号光yg
92。
第三
波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG
93转换为圆偏振光,得到Z轴圆偏振光ZG
103输出给第三准直器(113);第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光zg
103转换为线偏振光,得到Z轴第三返回信号光zg
93。
第一准直器(111)第一方面将接收到的X轴圆偏振光XG
101进行扩束准直为X轴探测光XG
111,该X轴探测光XG
111照射在目标上;照射到目标上的X轴探测光XG
111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光xg
111;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光xg
111进行聚焦耦合输出X轴第二返回信号光xg
101给第一
波片(101)。
第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YG
102进行扩束准直为Y轴探测光YG
112,该Y轴探测光YG
112照射在目标上;照射到目标上的Y轴探测光YG
112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg
112;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg
112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg
102给第二
波片(102)。
第三准直器(113)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZG
103进行扩束准直为Z轴探测光ZG
113,该Z轴探测光ZG
113照射在目标上;照射到目标上的Z轴探测光ZG
113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光zg
113;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光zg
113进行聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光zg
103给第三
波片(103)。
所述接收部分包括有窄线宽激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、
波片(7)、第三光纤耦合器(82)、第一环形器(91)、第二环形器(92)、第三环形器(93)、第一
波片(101)、第二
波片(102)、第三
波片(103)、第一准直器(111)、第二准直器(112)、第三准直器(113)、第四光纤耦合器(121)、第五光纤耦合器(122)、第六光纤耦合器(123)、第一光电探测器(131)、第二光电探测器(132)、第三光电探测器(133);其光信息传输为:
窄线宽激光器(1)用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器(2);
第一光纤耦合器(2)将接收到的窄线宽激光I
1按照功率进行分光,分为第一发射信号光IA
2和第一本振光IB
2;第一发射信号光IA
2输出给隔离器(3);第一本振光IB
2输出给
波片(7)L
波片(7)将接收到的第一本振光IB
2进行π相位的变换,输出第二本振光G
7给第三光纤耦合器(82)。
第三光纤耦合器(82)将接收到的第二本振光G7按照功率进行分光,分为X轴本振光XG82,Y轴本振光YG82和Z轴本振光ZG82;X轴本振光XG82输出给第四耦合器(121),Y轴本振光YG82输出给第五耦合器(122),Z轴本振光ZG82输出给第六耦合器(123)。
所述X轴本振光XG
82占有第二本振光G
7的功率的
所述Y轴本振光YG
82占有第二本振光G
7的功率的
所述Z轴本振光ZG
82占有第二本振光G
7的功率的
第一环形器(91)第一方面将接收到的X轴发射信号光XG
81进行X轴方向的定向,成为X轴定向光束XG
91,该X轴定向光束XG
91被传输给第一
波片(101);第二方面将接收到的X轴第三返回信号光xg
91进行X轴方向的定向,成为X轴第四返回信号光XI
91,该X轴第四返回信号光XI
91被传输给第四光纤耦合器(121)。
第二环形器(92)第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG
81进行Y轴方向的定向,成为Y轴定向光束YG
92,该Y轴定向光束YG
92被传输给第二
波片(102);第二方面将接收到的Y轴第三返回信号光yg
92进行Y轴方向的定向,成为Y轴第四返回信号光XI
92,该Y轴第四返回信号光XI
92被传输给第五光纤耦合器(122)。
第三环形器(93)第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG
81进行Z轴方向的定向,成为Z轴定向光束ZG
93,该Z轴定向光束ZG
93被传输给第三
波片(103);第二方面将接收到的Z轴第三返回信号光zg
93进行Z轴方向的定向,成为Z轴第四返回信号光XI
93,该Z轴第四返回信号光XI
93被传输给第六光纤耦合器(123)。
第一波片(101)第一方面将接收到的X轴定向光束XG91转换为圆偏振光,得到X轴圆偏振光XG101输出给第一准直器(111);另一方面将接收到的X轴第二返回信号光xg101转换为线偏振光,得到X轴第三返回信号光xg91。
第二
波片(102)第一方面将接收到的Y轴定向光束YG
92转换为圆偏振光,得到Y轴圆偏振光YG
102输出给第二准直器(112);另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg
102转换为线偏振光,得到Y轴第三返回信号光yg
92。
第三
波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG
93转换为圆偏振光,得到Z轴圆偏振光ZG
103输出给第三准直器(113);第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光zg
103转换为线偏振光,得到Z轴第三返回信号光zg
93。
第一准直器(111)第一方面将接收到的X轴圆偏振光XG
101进行扩束准直为X轴探测光XG
111,该X轴探测光XG
111照射在目标上;照射到目标上的X轴探测光XG
111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光xg
111;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光xg
111进行聚焦耦合输出X轴第二返回信号光xg
101给第一
波片(101)。
第二准直器(112)第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YG
102进行扩束准直为Y轴探测光YG
112,该Y轴探测光YG
112照射在目标上;照射到目标上的Y轴探测光YG
112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg
112;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg
112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg
102给第二
波片(102)。
第三准直器(113)第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZG
103进行扩束准直为Z轴探测光ZG
113,该Z轴探测光ZG
113照射在目标上;照射到目标上的Z轴探测光ZG
113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光zg
113;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光zg
113进行聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光zg
103给第三
波片(103)。
第四光纤耦合器(121)将接收到的X轴本振光XG82和X轴第四返回信号光XI91进行耦合,形成光学拍,输出X轴拍频信号光XG121给第一光电探测器(131)。
第五光纤耦合器(122)将接收到的Y轴本振光YG82和Y轴第四返回信号光XI92进行耦合,形成光学拍,输出Y轴拍频信号光YG122给第二光电探测器(132)。
第六光纤耦合器(123)将接收到的Z轴本振光ZG82和Z轴第四返回信号光XI93进行耦合,形成光学拍,输出Z轴拍频信号光ZG123给第三光电探测器(133)。
第一光电探测器(131)将接收到的X轴拍频信号光XG121转化为X轴电压信号VX输出给信号处理及控制部分(14)。
第二光电探测器(132)将接收到的Y轴拍频信号光YG122转化为Y轴电压信号VY输出给信号处理及控制部分(14)。
第三光电探测器(133)将接收到的Z轴拍频信号光ZG123转化为Z轴电压信号VZ输出给信号处理及控制部分(14)。
本发明三波束全光纤相干调频连续波激光雷达的优点在于:
①采用光纤耦合器通过分束进行三波束探测,可以同时解调出三个准直器所指方向的三维速度和距离的解调。
②利用耦合器对本振光进行分光,提供了频率相对稳定的三路本振光,避免了使用三个独立的激光探测系统时因为激光器受环境及激光器自身误差造成的探测误差的影响。
③第一准直器与第二准直器关于NOLA平面对称,第二准直器与第三准直器关于MOLB对称,这种对称结构设计形成Janus(译文:双面神)配置,这种三个准直器的结构配置使得由摇摆带来的动态误差降低2~3个数量级。
④第一准直器天顶角αX为45°,方位角βX为150°;第二准直器天顶角αY为45°,方位角βY为30°;第三准直器天顶角αZ为45°,方位角βZ为-30°。更利于准确测量M轴方向速度和距离。
⑤采用三角波调频连续波体制,可以同时探测距离和速度信息,避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题,实现了无盲区高精度测量。
⑥采用全光纤光路,与基于传统固体激光器的空间光路激光雷达相比,具有体积小、重量轻、稳定性好,不需要复杂的冷却系统,能够在相对恶劣的条件下使用,比如强振动,大温差等环境下。
⑦采用波长为1550nm激光器,该波段激光器比较成熟,对人眼安全。激光器利用对称三角波调频方式,可以解速度和距离耦合。
⑧采用相干探测方式,具有直接探测激光雷达无法比拟的探测精度。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示,本发明的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达,该激光雷达包括有窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、隔离器3、泵浦源4、波分复用器5、掺铒光纤6、
波片7、第二光纤耦合器81、第三光纤耦合器82、第一环形器91、第二环形器92、第三环形器93、第一
波片101、第二
波片102、第三
波片103、第一准直器111、第二准直器112、第三准直器113、第四光纤耦合器121、第五光纤耦合器122、第六光纤耦合器123、第一光电探测器131、第二光电探测器132、第三光电探测器133和信号处理及控制部分14;
其中,发射部分包括有窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、隔离器3、泵浦源4、波分复用器5、掺铒光纤6、第二光纤耦合器81、第一环形器91、第二环形器92、第三环形器93、第一
波片101、第二
波片102、第三
波片103、第一准直器111、第二准直器112和第三准直器113;
其中,接收部分包括有窄线宽激光器1、第一光纤耦合器2、
波片7、第三光纤耦合器82、第一环形器91、第二环形器92、第三环形器93、第一
波片101、第二
波片102、第三
波片103、第一准直器111、第二准直器112、第三准直器113、第四光纤耦合器121、第五光纤耦合器122、第六光纤耦合器123、第一光电探测器131、第二光电探测器132和第三光电探测器133。
(一)发射部分的光信息传输
窄线宽激光器1用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器2。所述窄线宽激光器1输出的窄线宽激光I1的波长为1550nm。
第一光纤耦合器2将接收到的窄线宽激光I1按照功率进行分光,分为第一发射信号光IA2和第一本振光IB2;第一发射信号光IA2输出给隔离器3;第一本振光IB2输出给波片7。
在本发明中,所述第一发射信号光IA2占有窄线宽激光I1的功率的90%,所述第一本振光IB2占有窄线宽激光I1的功率的10%。因此,第一光纤耦合器2可以选用分光比为10:90的光纤耦合器。
隔离器3第一方面将接收到的第一发射信号光IA2传输给波分复用器5,经隔离器3后的第一发射信号光IA2记为第二发射信号光G3;第二方面滤除从波分复用器5回传的第二自发辐射光g5。
在本发明中,隔离器3对波分复用器5回传输出的第二自发辐射光g5进行滤除,是因为第二自发辐射光g5会导致窄线宽激光器1输出的频率不稳定,在掺铒光纤6之前设置隔离器3能够有效地保护窄线宽激光器1输出的频率。
在本发明中,所述第二发射信号光G3是指第一发射信号光IA2经隔离器3后输出的光束,其波长和功率不改变。
泵浦源4用于输出泵浦光I4,所述泵浦光I4的波长为974nm。
波分复用器5第一方面将接收到的泵浦光I4和第二发射信号光G3进行耦合,使两束光在同一光纤当中径向传输,得到混合光G5输出给掺铒光纤6;第二方面将回传的第一自发辐射光g6传输给隔离器3,经波分复用器5后的第一自发辐射光g6记为第二自发辐射光g5。
掺铒光纤6第一方面用于将接收到的混合光G5进行受激放大,得到第三发射信号光G6输出给第二光纤耦合器81,第二方面混合光G5在掺铒光纤6中会因为自发辐射而产生反向传输的自发辐射光g6(简称为第一自发辐射光g6),该第一自发辐射光g6输出给波分复用器5中。
第二光纤耦合器81将接收到第三发射信号光G6按照功率进行分光,分为X轴发射信号光XG81,Y轴发射信号光YG81和Z轴发射信号光ZG81;X轴发射信号光XG81输出给第一环形器91,Y轴发射信号光YG81输出给第二环形器92,Z轴发射信号光ZG81输出给第三环形器93。
所述X轴发射信号光XG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
所述Y轴发射信号光YG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
所述Z轴发射信号光ZG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
第一环形器91第一方面将接收到的X轴发射信号光XG
81进行X轴方向的定向,成为X轴定向光束XG
91,该X轴定向光束XG
91被传输给第一
波片101;第二方面将接收到的X轴第三返回信号光xg
91进行X轴方向的定向,成为X轴第四返回信号光XI
91,该X轴第四返回信号光XI
91被传输给第四光纤耦合器121。
第二环形器92第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG81进行Y轴方向的定向,成为Y轴定向光束YG92,该Y轴定向光束YG92被传输给第二波片102;第二方面将接收到的Y轴第三返回信号光yg92进行Y轴方向的定向,成为Y轴第四返回信号光XI92,该Y轴第四返回信号光XI92被传输给第五光纤耦合器122。
第三环形器93第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG81进行Z轴方向的定向,成为Z轴定向光束ZG93,该Z轴定向光束ZG93被传输给第三波片103;第二方面将接收到的Z轴第三返回信号光zg93进行Z轴方向的定向,成为Z轴第四返回信号光XI93,该Z轴第四返回信号光XI93被传输给第六光纤耦合器123。
第一
波片101第一方面将接收到的X轴定向光束XG
91转换为圆偏振光,得到X轴圆偏振光XG
101输出给第一准直器111;另一方面将接收到的X轴第二返回信号光xg
101转换为线偏振光,得到X轴第三返回信号光xg
91。
第二
波片102第一方面将接收到的Y轴定向光束YG
92转换为圆偏振光,得到Y轴圆偏振光YG
102输出给第二准直器112;另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg
102转换为线偏振光,得到Y轴第三返回信号光yg
92。
第三
波片103第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG
93转换为圆偏振光,得到Z轴圆偏振光ZG
103输出给第三准直器113;第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光zg
103转换为线偏振光,得到Z轴第三返回信号光zg
93。
第一准直器111第一方面将接收到的X轴圆偏振光XG
101进行扩束准直为X轴探测光XG
111,该X轴探测光XG
111照射在目标上;照射到目标上的X轴探测光XG
111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光xg
111;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光xg
111进行聚焦耦合输出X轴第二返回信号光xg
101给第一
波片101。
第二准直器112第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YG
102进行扩束准直为Y轴探测光YG
112,该Y轴探测光YG
112照射在目标上;照射到目标上的Y轴探测光YG
112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg
112;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg
112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg
102给第二
波片102。
第三准直器113第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZG
103进行扩束准直为Z轴探测光ZG
113,该Z轴探测光ZG
113照射在目标上;照射到目标上的Z轴探测光ZG
113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光zg
113;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光zg
113进行聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光zg
103给第三
波片103。
(二)接收部分的光信息传输
窄线宽激光器1用于输出三角波频率调制的窄线宽激光I1给第一光纤耦合器2。所述窄线宽激光器1输出的窄线宽激光I1的波长为1550nm。
第一光纤耦合器2将接收到的窄线宽激光I
1按照功率进行分光,分为第一光束IA
2和第一本振光IB
2;第一发射信号光IA
2输出给隔离器3;第一本振光IB
2输出给
波片7。
在本发明中,所述第一发射信号光IA2占有窄线宽激光I1的功率的90%,所述第一本振光IB2占有窄线宽激光I1的功率的10%。因此,第一光纤耦合器2可以选用分光比为10:90的光纤耦合器。
波片7将接收到的第一本振光IB
2进行π相位的变换,输出第二本振光G
7给第三光纤耦合器82。
第三光纤耦合器82将接收到的第二本振光G7按照功率进行分光,分为X轴本振光XG82,Y轴本振光YG82和Z轴本振光ZG82;X轴本振光XG82输出给第四耦合器121,Y轴本振光YG82输出给第五耦合器122,Z轴本振光ZG82输出给第六耦合器123。
所述X轴本振光XG
82占有第二本振光G
7的功率的
所述Y轴本振光YG
82占有第二本振光G
7的功率的
所述Z轴本振光ZG
82占有第二本振光G
7的功率的
第一环形器91第一方面将接收到的X轴发射信号光XG
81进行X轴方向的定向,成为X轴定向光束XG
91,该X轴定向光束XG
91被传输给第一
波片101;第二方面将接收到的X轴第三返回信号光xg
91进行X轴方向的定向,成为X轴第四返回信号光XI
91,该X轴第四返回信号光XI
91被传输给第四光纤耦合器121。
第二环形器92第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG
81进行Y轴方向的定向,成为Y轴定向光束YG
92,该Y轴定向光束YG
92被传输给第二
波片102;第二方面将接收到的Y轴第三返回信号光yg
92进行Y轴方向的定向,成为Y轴第四返回信号光XI
92,该Y轴第四返回信号光XI
92被传输给第五光纤耦合器122。
第三环形器93第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG
81进行Z轴方向的定向,成为Z轴定向光束ZG
93,该Z轴定向光束ZG
93被传输给第三
波片103;第二方面将接收到的Z轴第三返回信号光zg
93进行Z轴方向的定向,成为Z轴第四返回信号光XI
93,该Z轴第四返回信号光XI
93被传输给第六光纤耦合器123。
第一
波片101第一方面将接收到的X轴定向光束XG
91转换为圆偏振光,得到X轴圆偏振光XG
101输出给第一准直器111;另一方面将接收到的X轴第二返回信号光xg
101转换为线偏振光,得到X轴第三返回信号光xg
91。
第二
波片102第一方面将接收到的Y轴定向光束YG
92转换为圆偏振光,得到Y轴圆偏振光YG
102输出给第二准直器112;另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg
102转换为线偏振光,得到Y轴第三返回信号光yg
92。
第三
波片103第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG
93转换为圆偏振光,得到Z轴圆偏振光ZG
103输出给第三准直器113;第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光zg
103转换为线偏振光,得到Z轴第三返回信号光zg
93。
第一准直器111第一方面将接收到的X轴圆偏振光XG
101进行扩束准直为X轴探测光XG
111,该X轴探测光XG
111照射在目标上;照射到目标上的X轴探测光XG
111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光xg
111;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光xg
111进行聚焦耦合输出X轴第二返回信号光xg
101给第一
波片101。
第二准直器112第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YG
102进行扩束准直为Y轴探测光YG
112,该Y轴探测光YG
112照射在目标上;照射到目标上的Y轴探测光YG
112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg
112;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg
112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg
102给第二
波片102。
第三准直器113第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZG
103进行扩束准直为Z轴探测光ZG
113,该Z轴探测光ZG
113照射在目标上;照射到目标上的Z轴探测光ZG
113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光zg
113;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光zg
113进行聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光zg
103给第三
波片103。
第四光纤耦合器121将接收到的X轴本振光XG82和X轴第四返回信号光XI91进行耦合,形成光学拍,输出X轴拍频信号光XG121给第一光电探测器131。
第五光纤耦合器122将接收到的Y轴本振光YG82和Y轴第四返回信号光XI92进行耦合,形成光学拍,输出Y轴拍频信号光YG122给第二光电探测器132。
第六光纤耦合器123将接收到的Z轴本振光ZG82和Z轴第四返回信号光XI93进行耦合,形成光学拍,输出Z轴拍频信号光ZG123给第三光电探测器133。
第一光电探测器131将接收到的X轴拍频信号光XG121转化为X轴电压信号VX输出给信号处理及控制部分14。
第二光电探测器132将接收到的Y轴拍频信号光YG122转化为Y轴电压信号VY输出给信号处理及控制部分14。
第三光电探测器133将接收到的Z轴拍频信号光ZG123转化为Z轴电压信号VZ输出给信号处理及控制部分14。
(三)三波束的光信息传输
本发明设计的激光雷达采用三角波调频连续波体制,激光器出射的光束经第一耦合器分成两路光束传输,其中一路经第二耦合器、三个环形器、三个波片、三个准直器后照射在目标上,经目标反射、散射后的返回光与另一路经第三耦合器与第四耦合器出射的光束被三个光电探测器所接收。为了要实现目标的无盲区高精度测量,对于三个准直器的布局应用了坐标系的关联关系,从而构成了对目标测量的三波束特性。本发明采用三角波调频连续波体制,能够同时传输光的探测距离和速度信息,避免了脉冲体制的距离速度分辨率相互制约的问题,实现了无盲区高精度测量。
在本发明中,第二光纤耦合器81、第三光纤耦合器82、第一环形器91、第二环形器92、第三环形器93、第一
波片101、第二
波片102、第三
波片103、第一准直器111、第二准直器112、第三准直器113、第四光纤耦合器121、第五光纤耦合器122、第六光纤耦合器123、第一光电探测器131、第二光电探测器132和第三光电探测器133构成三波束光信息传输单元。
在三波束光信息传输单元中光的传输为:第二光纤耦合器81将接收到第三发射信号光G
6按照功率进行分光,分为X轴发射信号光XG
81,Y轴发射信号光YG
81和Z轴发射信号光ZG
81;所述X轴发射信号光XG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
所述Y轴发射信号光YG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
所述Z轴发射信号光ZG
81占有第三发射信号光G
6的功率的
第一环形器91第一方面将接收到的X轴发射信号光XG
81进行X轴方向的定向,成为X轴定向光束XG
91,该X轴定向光束XG
91被传输给第一
波片101;第二方面将接收到的X轴第三返回信号光xg
91进行X轴方向的定向,成为X轴第四返回信号光XI
91,该X轴第四返回信号光XI
91被传输给第四光纤耦合器121。
第二环形器92第一方面将接收到的Y轴发射信号光YG
81进行Y轴方向的定向,成为Y轴定向光束YG
92,该Y轴定向光束YG
92被传输给第二
波片102;第二方面将接收到的Y轴第三返回信号光yg
92进行Y轴方向的定向,成为Y轴第四返回信号光XI
92,该Y轴第四返回信号光XI
92被传输给第五光纤耦合器122。
第三环形器93第一方面将接收到的Z轴发射信号光ZG
81进行Z轴方向的定向,成为Z轴定向光束ZG
93,该Z轴定向光束ZG
93被传输给第三
波片103;第二方面将接收到的Z轴第三返回信号光zg
93进行Z轴方向的定向,成为Z轴第四返回信号光XI
93,该Z轴第四返回信号光XI
93被传输给第六光纤耦合器123。
第一
波片101第一方面将接收到的X轴定向光束XG
91转换为圆偏振光,得到X轴圆偏振光XG
101输出给第一准直器111;另一方面将接收到的X轴第二返回信号光xg
101转换为线偏振光,得到X轴第三返回信号光xg
91。
第二
波片102第一方面将接收到的Y轴定向光束YG
92转换为圆偏振光,得到Y轴圆偏振光YG
102输出给第二准直器112;另一方面将接收到的Y轴第二返回信号光yg
102转换为线偏振光,得到Y轴第三返回信号光yg
92。
第三
波片103第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG
93转换为圆偏振光,得到Z轴圆偏振光ZG
103输出给第三准直器113;第二方面将接收到的Z轴第二返回信号光zg
103转换为线偏振光,得到Z轴第三返回信号光zg
93。
第一准直器111第一方面将接收到的X轴圆偏振光XG101进行扩束准直为X轴探测光XG111,该X轴探测光XG111照射在目标上;照射到目标上的X轴探测光XG111经反射、背向散射成为X轴第一返回信号光xg111;第二方面将接收到的X轴第一返回信号光xg111进行聚焦耦合输出X轴第二返回信号光xg101给第一波片101。
第二准直器112第一方面将接收到的Y轴圆偏振光YG
102进行扩束准直为Y轴探测光YG
112,该Y轴探测光YG
112照射在目标上;照射到目标上的Y轴探测光YG
112经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg
112;第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg
112进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg
102给第二
波片102。
第三准直器113第一方面将接收到的Z轴圆偏振光ZG103进行扩束准直为Z轴探测光ZG113,该Z轴探测光ZG113照射在目标上;照射到目标上的Z轴探测光ZG113经反射、背向散射成为Z轴第一返回信号光zg113;第二方面将接收到的Z轴第一返回信号光zg113进行聚焦耦合输出Z轴第二返回信号光zg103给第三波片103。
第三光纤耦合器82将接收到的第二本振光G
7按照功率进行分光,分为X轴本振光XG
82,Y轴本振光YG
82和Z轴本振光ZG
82;所述X轴本振光XG
82占有第二本振光G
7的功率的
所述Y轴本振光YG
82占有第二本振光G
7的功率的
所述Z轴本振光ZG
82占有第二本振光G
7的功率的
第四光纤耦合器121将接收到的X轴本振光XG82和X轴第四返回信号光XI91进行耦合,形成光学拍,输出X轴拍频信号光XG121给第一光电探测器131。
第五光纤耦合器122将接收到的Y轴本振光YG82和Y轴第四返回信号光XI92进行耦合,形成光学拍,输出Y轴拍频信号光YG122给第二光电探测器132。
第六光纤耦合器123将接收到的Z轴本振光ZG82和Z轴第四返回信号光XI93进行耦合,形成光学拍,输出Z轴拍频信号光ZG123给第三光电探测器133。
第一光电探测器131将接收到的X轴拍频信号光XG121转化为X轴电压信号VX输出给信号处理及控制部分14。
第二光电探测器132将接收到的Y轴拍频信号光YG122转化为Y轴电压信号VY输出给信号处理及控制部分14。
第三光电探测器133将接收到的Z轴拍频信号光ZG123转化为Z轴电压信号VZ输出给信号处理及控制部分14。
(四)准直器指向方向的速度和距离的解调模型
在本发明中,信号处理及控制部分14中内嵌有三个准直器所指方向的速度和距离的解调模型。所述的三个准直器所指方向的速度和距离解调模型第一方面用于接收三个探测器(第一光电探测器131、第二光电探测器132、第三光电探测器133)分别输出的X轴电压信号VX、Y轴电压信号VY和Z轴电压信号VZ;第二方面对接收到的X轴电压信号VX、Y轴电压信号VY和Z轴电压信号VZ采用径向运动速度关系和距离与频率调制周期关系进行解调,得到准直器的指向方向速度和距离。
参见图2所示的三个准直器的布局安装示意图,图中,三个准直器的发射光束的反向交点记为O,以O为原点制作准直器坐标系O-XYZ,以O为原点制作空间直角坐标系O-MNL;以O为原点制作AA-AB-AC-AD平面,在OL轴线上取上点记为O′,以O′为原点制作BA-BB-BC-BD平面,通过AA-AB-AC-AD平面与BA-BB-BC-BD平面能够构成一个六面体。第一准直器与第二准直器关于NOLA平面对称,第二准直器与第三准直器关于MOLB对称,这种对称结构设计形成Janus(译文:双面神)配置,这种三个准直器的结构配置使得由摇摆带来的动态误差降低2~3个数量级。在准直器坐标系O-XYZ下第一准直器111、第二准直器112和第三准直器113分别沿X轴、Y轴和Z轴布局进行固定安装。三个准直器的安装角关系为:第一准直器111的天顶角αX为45°,方位角βX为150°;第二准直器112的天顶角αY为45°,方位角βY为30°;第三准直器113的天顶角αZ为45°,方位角βZ为-30°。更利于准确测量M轴方向速度和距离。
天顶角αX是指OX轴线与OL轴线的夹角。
方位角βX是指O′BD连线与O′B连线的夹角。
天顶角αX是指OY轴线与OL轴线的夹角。
方位角βY是指O′BC连线与O′B连线的夹角。
天顶角αZ是指OZ轴线与OL轴线的夹角。
方位角βZ是指O′BB连线与O′B连线的夹角。
第一准直器111沿X轴方向传输的X轴探测光XG111的X轴径向运动速度记为vX;
第二准直器112沿Y轴方向传输的Y轴探测光XG112的Y轴径向运动速度记为vY;
第三准直器113沿Z轴方向传输的Z轴探测光XG113的Z轴径向运动速度记为vZ。
参照图3中的(A)、(B)、(C)、(D)所示,当目标相对X轴径向运动速度v
X为零时,信号处理及控制部分14接收到的X轴电压信号V
X的频率如附图3(B)所示,附图3(A)中所示窄线宽激光器频率调制特性和接收返回信号光频率特性,窄线宽激光器频率调制周期为T,调制频率范围为B
f;当目标相对X轴径向存在运动速度时,信号处理及控制部分14接收到的X轴电压信号V
X的频率如附图3(D)所示,附图3(C)中所示窄线宽激光器频率调制特性和接收返回信号光频率特性,窄线宽激光器频率调制时间周期为T,调制频率范围为B
f。当目标相对X轴径向运动速度为零时(v
X=0),距离与频率调制周期T之间的关系为
f为频率,c为光速。
在本发明中,依据距离与频率调制周期T之间的关系
则X轴方向距离为
式中f
X+为窄线宽激光器上扫频段V
X对应频率,f
X-为窄线宽激光器下扫频段V
X对应频率;目标相对X轴径向运动速度为
式中λ为窄线宽激光器的平均波长。
当目标相对Y轴径向运动速度为零时(v
Y=0),信号处理及控制部分14接收到V
Y的频率如附图3(B)所示,附图3(A)中所示窄线宽激光器频率调制特性和接收返回信号光频率特性,窄线宽激光器频率调制周期为T,调制频率范围为B
f;当目标相对Y轴径向存在运动速度时,信号处理模块接收到V
Y的频率如附图3(D)所示,附图3(C)中所示窄线宽激光器频率调制特性和接收返回信号光频率特性,窄线宽激光器频率调制周期为T,调制频率范围为B
f。Y轴方向距离为
进行解调,式中f
Y+为窄线宽激光器上扫频段V
Y对应频率,f
Y-为窄线宽激光器下扫频段V
Y对应频率;目标相对Y轴径向运动速度为
进行解调,式中λ为窄线宽激光器的平均波长。
当目标相对Z轴径向运动速度为零时(v
Z=0),信号处理及控制部分14接收到V
Z的频率如附图3(B)所示,附图3(A)中所示窄线宽激光器频率调制特性和接收返回信号光频率特性,窄线宽激光器频率调制周期为T,调制频率范围为B
f;当目标相对Z轴径向存在运动速度时,信号处理模块接收到V
Z的频率如附图3(D)所示,附图3(C)中所示窄线宽激光器频率调制特性和接收返回信号光频率特性,窄线宽激光器频率调制周期为T,调制频率范围为B
f。Z轴方向距离可以通过
进行解调,式中f
Z+为窄线宽激光器上扫频段V
Z对应频率,f
Z-为窄线宽激光器下扫频段V
Z对应频率;目标相对Z轴径向运动速度可以通过
进行解调,式中λ为窄线宽激光器的平均波长。
本发明设计的一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达,该雷达利用三角波连续调频窄线宽激光器做光源,经第一光纤耦合器后分为两路,一路做本振光,与光纤耦合器之后分为三路分别连接光电探测器;另三路能量均分地经准直器出射和接收,经环形器后与本振光在光纤耦合器处干涉。干涉信号进入光电探测器,后经信号处理及控制部分的进行三个准直器的指向方向的速度和距离调制。本发明可在不因激光器存在差异而引入频率误差的情况下,同时测量三维速度和距离,得出探测器姿态,且降低动态误差2~3个数量级。