CN103048662B - 一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达，该激光雷达的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；利用三波束对目标进行照射，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。该激光雷达经光源出射的光束被第一耦合器分成两种光束传输，后经第二耦合器与环形器分成X轴、Y轴和Z轴的光束传输，致使照射到目标后的光束具有空间坐标系下的三轴光束特性。本发明设计的激光雷达为相干探测方式，其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。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。

Description

一种三波束全光纤相干调频连续波激光雷达

技术领域

本发明涉及一种激光雷达，更特别地说，是指一种具有三波束相干调频连续波的光纤激光雷达。

背景技术

激光雷达主要工作在红外和可见光波段，当辐射照射目标时，激光雷达利用目标的反射、折射、散射和透射等所产生的回波，对目标进行探测。与传统的微波雷达相比，激光雷达的波长短得多，所以具有探测灵敏度高和测量分辨率高、全天候工作、体积小、质量轻、与网络融合能力强、可在分子量级上对目标进行探测等优点。

激光雷达的基本组成包括发射、接收和后置信号处理三部分，以及使三部分协调工作的机构。参考电子工业出版社于2010年11月第1次印刷，戴永江编著的《激光雷达技术》第5章第173页、第174页和第175页中公开的内容。书中“信号处理及控制部分”包括有信号预处理、信号处理器、伺服系统和通信系统。光电探测器将回来的激光信号直接转变为电信号；信号处理器将各种信号参量处理为含有距离、速度、角度和目标图像特征的信息，再经过模/数转换器，转变为数字信号，送入计算机或微处理器等主处理器，变为可分析和显示及传输的数据和图像信息。

在发射、接收技术中，接收技术有非相干接收和相干接收两大类。非相干技术接收是接收激光能量的直接接收方式，技术简单和成熟。相干接收技术有外差接收、自差接收和零差接收方式。相干接收技术测量的是回波信号和发射的激光信号之间的差频信号，而非相干接收技术测量的是接收信号和发射的激光能量信号的相对能量变化。与非相干接收技术相比，相干激光雷达可实现速度、距离的精确测量，并能探测目标的振动谱、反射特性和偏振特性，比非相干接收精度高，可探测隐身目标，具有区别真伪目标的能力。相干接收具有转化增益高和滤波性能优良的特点，有利于微弱信号的探测，可获得目标的全部信息。连续波激光相干雷达可连续提供目标信息，而且灵敏度很高，因此可对高速运动目标和散射截面很小的目标进行探测。

目前激光雷达测距主要分为三类：激光脉冲飞行时间测距、连续波调幅测距和调频连续波测距。相比其它两种测距方式，调频连续波激光雷达的特点为：

（1）具有很小的距离分辨率，能够探测到的最小距离与激光波长相比拟；

（2）能够对目标的速度和距离同时进行测量；

（3）能够进行非接触的微小振动测量；

（4）探测到的差频信号在频域上进行处理，简化了处理电路；

（5）相比大峰值功率的脉冲激光雷达，平均功率小得多，使用安全；

（6）结构紧凑，质量轻，功耗小。

由于目前的调频连续波测距激光雷达不能对目标进行三维速度和距离的测量。

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)。

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Y_G81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XG₈₁占有第三发射信号光G₆的功率的所述Y轴发射信号光YG₈₁占有第三发射信号光G₆的功率的所述Z轴发射信号光ZG₈₁占有第三发射信号光G₆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XG₈₁进行X轴方向的定向，成为X轴定向光束XG₉₁，该X轴定向光束XG₉₁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XI₉₁，该X轴第四返回信号光XI₉₁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YG₉₂转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg₉₂。

第三波片（103）第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG₉₃转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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zg₁₀₃转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg₉₃。

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YG₁₀₂进行扩束准直为Y轴探测光YG₁₁₂，该Y轴探测光YG₁₁₂照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG₁₁₂经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg₁₁₂；第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg₁₁₂进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg₁₀₂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）。

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）L

波片（7）将接收到的第一本振光IB₂进行π相位的变换，输出第二本振光G₇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XG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Y轴本振光YG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Z轴本振光ZG₈₂占有第二本振光G₇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XG₈₁进行X轴方向的定向，成为X轴定向光束XG₉₁，该X轴定向光束XG₉₁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xg₉₁进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI₉₁，该X轴第四返回信号光XI₉₁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YG₉₂转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg₉₂。

第三波片（103）第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG₉₃转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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zg₁₀₃转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg₉₃。

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YG₁₀₂进行扩束准直为Y轴探测光YG₁₁₂，该Y轴探测光YG₁₁₂照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG₁₁₂经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg₁₁₂；第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg₁₁₂进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg₁₀₂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V_X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V_Y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V_Z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α_X为45°，方位角β_X为150°；第二准直器天顶角α_Y为45°，方位角β_Y为30°；第三准直器天顶角α_Z为45°，方位角β_Z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。

附图说明

图1是本发明三光束全光纤相干调频连续波激光雷达的结构框图。

图2是本发明中三个准直器的布局示意图。

图3是本发明调频探测示意图；其中，（A）为相对目标静止状态下的发射信号和接收信号的频率调制示意图；（B）为相对目标静止状态下的探测器接收到的频度示意图；（C）为相对目标运动状态下的发射信号和接收信号的频率调制示意图；（D）为相对目标运动状态下的探测器接收到的频度示意图。

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XG₈₁占有第三发射信号光G₆的功率的所述Y轴发射信号光YG₈₁占有第三发射信号光G₆的功率的所述Z轴发射信号光ZG₈₁占有第三发射信号光G₆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XG₈₁进行X轴方向的定向，成为X轴定向光束XG₉₁，该X轴定向光束XG₉₁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xg₉₁进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI₉₁，该X轴第四返回信号光XI₉₁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YG₉₂转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg₉₂。

第三波片103第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG₉₃转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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zg₁₀₃转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg₉₃。

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YG₁₀₂进行扩束准直为Y轴探测光YG₁₁₂，该Y轴探测光YG₁₁₂照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG₁₁₂经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg₁₁₂；第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg₁₁₂进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg₁₀₂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。

（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I₁按照功率进行分光，分为第一光束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。

波片7将接收到的第一本振光IB₂进行π相位的变换，输出第二本振光G₇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XG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Y轴本振光YG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Z轴本振光ZG₈₂占有第二本振光G₇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XG₈₁进行X轴方向的定向，成为X轴定向光束XG₉₁，该X轴定向光束XG₉₁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xg₉₁进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI₉₁，该X轴第四返回信号光XI₉₁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YG₉₂转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg₉₂。

第三波片103第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG₉₃转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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zg₁₀₃转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg₉₃。

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YG₁₀₂进行扩束准直为Y轴探测光YG₁₁₂，该Y轴探测光YG₁₁₂照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG₁₁₂经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg₁₁₂；第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg₁₁₂进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg₁₀₂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V_X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V_Y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V_Z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；所述X轴发射信号光XG₈₁占有第三发射信号光G₆的功率的所述Y轴发射信号光YG₈₁占有第三发射信号光G₆的功率的所述Z轴发射信号光ZG₈₁占有第三发射信号光G₆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XG₈₁进行X轴方向的定向，成为X轴定向光束XG₉₁，该X轴定向光束XG₉₁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xg₉₁进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI₉₁，该X轴第四返回信号光XI₉₁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YG₉₂转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg₉₂。

第三波片103第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG₉₃转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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zg₁₀₃转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg₉₃。

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YG₁₀₂进行扩束准直为Y轴探测光YG₁₁₂，该Y轴探测光YG₁₁₂照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG₁₁₂经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg₁₁₂；第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg₁₁₂进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg₁₀₂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；所述X轴本振光XG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Y轴本振光YG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Z轴本振光ZG₈₂占有第二本振光G₇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V_X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V_Y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V_Z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V_X、Y轴电压信号V_Y和Z轴电压信号V_Z；第二方面对接收到的X轴电压信号V_X、Y轴电压信号V_Y和Z轴电压信号V_Z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α_X为45°，方位角β_X为150°；第二准直器112的天顶角α_Y为45°，方位角β_Y为30°；第三准直器113的天顶角α_Z为45°，方位角β_Z为-30°。更利于准确测量M轴方向速度和距离。

天顶角α_X是指OX轴线与OL轴线的夹角。

方位角β_X是指O′BD连线与O′B连线的夹角。

天顶角α_X是指OY轴线与OL轴线的夹角。

方位角β_Y是指O′BC连线与O′B连线的夹角。

天顶角α_Z是指OZ轴线与OL轴线的夹角。

方位角β_Z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v_X；

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v_Y；

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v_Z。

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。

Claims (1)

1.一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)；所述三波束全光纤相干调频连续波激光雷达为相干探测方式：

所述发射部分包括有窄线宽激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、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)、第一准直器(111)、第二准直器(112)和第三准直器(113)；

所述接收部分包括有窄线宽激光器(1)、第一光纤耦合器(2)、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)；

其特征在于：在目标与第一环形器(91)之间安装有第一波片(101)，在目标与第二环形器(92)之间安装有第二波片(102)，在目标与第三环形器(93)之间安装有第三波片(103)；

所述发射部分中还包括有隔离器(3)、泵浦源(4)、波分复用器(5)、掺铒光纤(6)、第一波片(101)、第二波片(102)、第三波片(103)；

所述接收部分还包括有波片(7)、第一波片(101)、第二波片(102)、第三波片(103)；

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；第一准直器(111)的天顶角α_X为45°，方位角β_X为150°；第二准直器(112)的天顶角α_Y为45°，方位角β_Y为30°；第三准直器(113)的天顶角α_Z为45°，方位角β_Z为-30°；

所述发射部分的光信息传输为：

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)；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)；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％；

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XG₈₁占有第三发射信号光G₆的功率的所述Y轴发射信号光YG₈₁占有第三发射信号光G₆的功率的所述Z轴发射信号光ZG₈₁占有第三发射信号光G₆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XG₈₁进行X轴方向的定向，成为X轴定向光束XG₉₁，该X轴定向光束XG₉₁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xg₉₁进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI₉₁，该X轴第四返回信号光XI₉₁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YG₉₂转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg₉₂；

第三波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG₉₃转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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zg₁₀₃转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg₉₃；

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YG₁₀₂进行扩束准直为Y轴探测光YG₁₁₂，该Y轴探测光YG₁₁₂照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG₁₁₂经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg₁₁₂；第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg₁₁₂进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg₁₀₂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)；

所述接收部分的光信息传输为：

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)；

波片(7)将接收到的第一本振光IB₂进行π相位的变换，输出第二本振光G₇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XG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Y轴本振光YG₈₂占有第二本振光G₇的功率的所述Z轴本振光ZG₈₂占有第二本振光G₇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XG₈₁进行X轴方向的定向，成为X轴定向光束XG₉₁，该X轴定向光束XG₉₁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xg₉₁进行X轴方向的定向，成为X轴第四返回信号光XI₉₁，该X轴第四返回信号光XI₉₁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YG₉₂转换为圆偏振光，得到Y轴圆偏振光YG₁₀₂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yg₁₀₂转换为线偏振光，得到Y轴第三返回信号光yg₉₂；

第三波片(103)第一方面将接收到的Z轴定向光束ZG₉₃转换为圆偏振光，得到Z轴圆偏振光ZG₁₀₃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zg₁₀₃转换为线偏振光，得到Z轴第三返回信号光zg₉₃；

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YG₁₀₂进行扩束准直为Y轴探测光YG₁₁₂，该Y轴探测光YG₁₁₂照射在目标上；照射到目标上的Y轴探测光YG₁₁₂经反射、背向散射成为Y轴第一返回信号光yg₁₁₂；第二方面将接收到的Y轴第一返回信号光yg₁₁₂进行聚焦耦合输出Y轴第二返回信号光yg₁₀₂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V_X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V_Y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V_Z输出给信号处理及控制部分(14)；

所述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第一光电探测器(131)输出的X轴电压信号V_X、第二光电探测器(132)输出的Y轴电压信号V_Y、第三光电探测器(133)输出的Z轴电压信号V_Z；第二方面对接收到的X轴电压信号V_X、Y轴电压信号V_Y和Z轴电压信号V_Z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；其中：

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；c为光速；T为窄线宽激光器频率调制时间周期；B_f为调制频率范围；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；

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；

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。