CN103163514A - 一种消除激光雷达测速零点的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消除激光雷达测速零点的装置，包括：保偏激光器、第一法兰盘、2×2保偏耦合器、椭芯保偏光纤、单模环行器、第二法兰盘、保偏准直器、2×2单模耦合器、光电探测器、PXI采集卡和计算机；本发明通过使椭芯保偏光纤与2×2保偏耦合器按照所述要求熔接，得到了λ/4光纤波片的效果，使通过椭芯保偏光纤的本振光由线偏光变成了圆偏光，从而避免了由与本振光与回波光的偏振态失配而引起的测速过程中速度突然变为零的情况，并且提高了拍频效率。

Description

一种消除激光雷达测速零点的装置

技术领域

本发明属于多普勒激光雷达测速领域，具体涉及一种消除激光雷达测速零点的装置。

背景技术

激光多普勒测速技术近年来发展迅速，广泛用于军事、航天和工业生产等多个领域。激光多普勒测速技术的探测形式可分为直接探测和相干探测两种。相干探测技术由于其探测精度高、集成化容易等，已成为目前主流的探测方案。随着光纤技术的迅速发展，光纤激光器技术逐渐成熟，全光纤结构的激光多普勒相干测速系统具有相干效率高、光路调节简单、系统稳定性和集成化程度高等优点。

现有技术中第一种全光纤结构的激光多普勒测速雷达，其光路采用全单模结构，即光路中所使用的2×2耦合器、环行器、准直器、光电探测器均为单模光学器件。

现有技术中的第一种全光纤结构激光多普勒测速雷达，其光路结构中的缺点为：该光路结构没有对光路中的激光进行偏振态的控制。由于光在单模光纤中传输时光的偏振态具有随机性，从而导致了本振光与回波光之间的严重的偏振态失配。这不但对拍频效率产生了严重影响，而且会导致在测速过程会出现速度突然变成零的情况，即出现大量的速度零点。

现有技术中的第二种全光纤结构的激光多普勒测速雷达，其光路结构采用全保偏结构，即光路中所使用的2×2耦合器、环行器、准直器均为保偏光学器件。

现有技术中的第二种全光纤结构的激光多普勒测速雷达，其光路结构的缺点为：虽然该光路结构对本振光和信号光进行了严格的偏振控制，但在天气恶劣、目标特性复杂等对信号光的偏振态改变较大的情况下，回波光与本振光在拍频是则会有严重的空间角失配。这将在很大程度上降低拍频效率，从而使提取拍频信号变的困难。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种消除激光雷达测速零点和提高探测效率的装置，从而解决由于本振光与回波光空间角失配和偏振态失配而导致的测速过程中速度突然变为零的情况，并提高拍频效率。

本发明技术解决方案：一种消除激光雷达测速零点的装置，包括保偏激光器、2×2保偏耦合器、椭芯保偏光纤、单模环行器、第二法兰盘、保偏准直器、2×2单模耦合器、光电探测器、PXI采集卡和计算机；所述的保偏激光器用于产生高线性度的线偏光，保偏激光器尾纤为保偏光纤，用于保证线偏光的偏振度并传输线偏光；

保偏激光器通过第一法兰盘与2×2保偏耦合器的入射端相连接；2×2保偏耦合器出射端分为两路，第一出射光路作为信号光路，第二出射光路作为本振光路；第一出射光路中的尾纤与单模环行器的入射端尾纤熔接，该熔接点为第一熔接点，熔接后能够使偏振度较高的线偏光进入单模环行器；第二出射光路的尾纤与椭芯保偏光纤熔接，且第二出射光路的尾纤与椭芯保偏光纤熔接时应保证第二出射光路尾纤的快轴与椭芯保偏光纤的快轴成45°，该熔接点为第二熔接点；椭芯保偏光纤的长度应取其1/4拍长的奇数倍，即使该段椭芯保偏光纤起到λ/4波片的效果，从而使经过椭芯保偏光纤的线偏光转变为圆偏振光；单模环行器出射端通过第二法兰盘与保偏准直器连接；光束通过保偏准直器出射，遇运动着的物体后发生反射或散射，回波光由保偏准直器接收，经单模环行器后进入到接收端；2×2单模耦合器有两个接收光路，分别为第一接收光路和第二接收光路；第一接收光路的尾纤与单模环行器的接收端的尾纤熔接，即为第三熔接点；第二接收光路的尾纤与椭芯光纤的出射端熔接，即为第四熔接点；光电探测器的尾纤与2×2单模耦合器出射端的尾纤熔接，即为第五熔接点；本振光与回波光在2×2单模耦合器处拍频，此时本振光认为是圆偏振光或近似圆偏振光，回波光认为是线偏光；两束光即本振光与回波光在2×2单模耦合器处拍频，拍频信号的差频部分被光电探测器探测到并由光信号转换为电信号；电信号经PXI采集卡采集并经计算机运算后显示速度信息。

所述保偏激光器的尾纤带第一FC/APC接头；所述2×2保偏耦合器入射端的尾纤为保偏光纤，尾纤带第二FC/APC接头；第一FC/APC接头与第二FC/APC接头结构相同，均为慢轴工作或快轴工作，通过第一法兰盘将第一FC/APC接头与第二FC/APC接头连接，同时使第一FC/APC接头的快轴和慢轴分别对准第二FC/APC接头的快轴与慢轴，以此保证进入保偏耦合器的光为高线性度的线偏光。

所述2×2保偏耦合器为分光器件，分光比为5:95，其中分光比占95%的光路为信号光路即第一出射光路，分光比占5%的光路为本振光路即第二出射光路。

所述第一出射光路与第二出射光路的尾纤均为保偏光纤即保线偏保偏光纤。

所述椭芯保偏光纤双轴工作，即快轴和慢轴能够同时工作，快轴与慢轴的折射率差为Δn＝n_x-n_y，Δn的大小以实际所取的椭芯光纤为准。

所述单模环行器的出射端尾纤带第三FC/APC接头，保偏准直器的入射端带第四FC/APC接头，通过第二法兰盘将单模环行器的出射端与保偏准直器的入射端连接；线偏光经准直器出射，出射光遇运动的物体后发生反射或散射，回波光被保偏准直器接收，之后进入到单模环行器的接收端。

所述2×2单模耦合器的第一接收光路与第二接收光路的分光比为90:10，即第一接收光路的分光比占90%，第二接收光路的分光比占10%。

本发明的原理：椭芯保偏光纤与2×2保偏耦合器的第二出射光路的尾纤熔接，熔接过程中保证椭芯保偏光纤的快轴与第二出射光路尾纤的快轴成45°，并且椭芯保偏光纤的长度应取其拍长的1/4的奇数倍，即该段椭芯保偏光纤起到了λ/4波片的效果，称为λ/4光纤波片。本振光经过椭芯保偏光纤后由线偏光变成了圆偏光。椭芯保偏光纤的出射端与2×2单模耦合器的第二接收光路的尾纤熔接，因为第二接收光路的尾纤较短，可近似认为本振光在第二接收光路中是以圆偏振态或近似圆偏振态传播的。此时，回波光与本振光在进行拍频，拍频信号被光电探测器探测到，由光信号转换为电信号。电信号被PXI采集卡采集到，并由计算机显示。采集到的信号在计算机中做FFT求得信号的功率谱，根据所述的功率谱得到拍频后差频相的频率值，并由此计算出目标的速度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明通过使椭芯保偏光纤与2×2保偏耦合器按照所述要求熔接，得到了λ/4光纤波片的效果，使通过椭芯保偏光纤的本振光由线偏光变成了圆偏光，从而避免了由与本振光与回波光的空间角失配与偏振态失配而引起的测速过程中速度突然变为零的情况，并且提高了拍频效率。

（2）本发明中的2×2保偏耦合器将激光器发出的光按照5:95的比例分为本振光和信号光，并保证本振光与信号光都沿2×2保偏耦合器的快轴传播。

附图说明

图1为本发明所述的一种消除激光雷达测速零点和提高探测效率的装置的结构示意图；

图2为椭芯保偏光纤与第二出射光路尾纤熔接示意图；

图3为圆偏光与线偏光的拍频示意图。

图中：

101—保偏激光器         102—第一FC/APC接头    103—第一法兰盘

104—第二FC/APC接头     105—2×2保偏耦合器    106—第一出射光路

107—第二出射光路       108—第一熔接点        109—单模环行器入射端

110—单模环行器         111—单模环行器出射端  112—单模环行器接收端

113—第三FC/APC接头     114—第二法兰盘        115—第FC/APC接头

116—保偏准直器         117—第二熔接点         118—椭芯保偏光纤

119—第四熔接点         120—第二接收光路       121—第一接收光路

122—2×2单模耦合器     123—第三熔接点         124—单模耦合器出射端

125—第五熔接点         126—光电探测器         127—PXI采集卡

128—计算机             201—椭芯保偏光纤纤芯   202—第一出射光路慢轴

203—第一出射光路快轴   204—椭芯保偏光纤快轴

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：保偏激光器101、第一法兰盘103、2×2保偏耦合器105、单模环行器110、第二法兰盘114、椭芯光纤118、2×2单模耦合器122、光电探测器126、PXI采集卡127和计算机128。

保偏激光器101用于产生功率为10mW、波长为1.55μm的线偏光，保偏激光器101的尾纤为熊猫型保偏光纤，线偏光沿该熊猫型保偏光纤的快轴传播；保偏激光器101尾纤所带的第一FC/APC接头102为保偏型FC/APC接头，线偏光沿第一FC/APC（FC:Ferrule Connector环型连接器，APC:Asperity Polishing Connector微凸抛光连接器）接头的快轴出射。

第一法兰盘103用于将第一FC/APC接头103和第二FC/APC接头104按照快轴对快轴、慢轴对慢轴的方式连接。

保偏耦合器105用于将从保偏激光器101出射的激光按照5:95的比例分光，其中分光比占95%的部分作为信号光进入第一出射光路106，分光比占5%的部分作为本振光进入第二出射光路107；同时，由于2×2保偏耦合器为保偏器件，故在第一出射光路106和第二出射光路107传播的均为沿快轴方向的线偏光。

单模环行器110用于使入射光按照由入射端109进入到出射端111出射，回波光在经出射端111返回到单模环行器110并进入到接收端112；第一出射光路106的尾纤与单模环行器110的入射端106的尾纤熔接，熔接点即为第一熔接点108，熔接过程中应尽量保证第一出射光路106尾纤的快轴与单模环行器110的入射端106尾纤的

方向相重合，从而最大限度的保证了进入单模环行器110的信号光为线偏光；同时，由于单模环行器110的尾纤很短，可近似认为在单模环行器110中可保持线偏光的传播；在实际应用中，本发明对信号光并没有严格的偏振态的要求，即信号光可是任意的偏振态。

第二法兰盘114用于将第三FC/APC接头113和第四FC/APC接头115按照

方向与第四FC/APC接头快轴重合的方式连接。

保偏准直器116是收发合置的无源光学器件，除可对入射光进行校准使其变为平行度很高的激光光束外，还用于发射和接收信号光；信号光经保偏准直器116准直后，变为平行度很高的激光出射，出射光遇到运动的物体后发生光学多普勒效应，产生多普勒频移，并被反射/散射，被反射/散射的回波光被保偏准直器116接收，并经单模环行器110进入单模环行器110的接收端112；在大气环境良好、作用距离较短、且目标并不复杂的情况下，回波光也为偏振度较高的线偏光；即进入到单模环行器110的接收端112的回波光为偏振度较高的线偏光；在实际应用中，本发明对回波光的偏振态并没有严格的要求，即回波光可是任意偏振态的光。

如图1、图2所示，椭芯保偏光纤118用于使经过本段保偏光纤的线偏光变为圆偏光，起到λ/4波片的效果；椭芯保偏光纤为双轴工作的保偏光纤即其快轴、慢轴均工作，但其快轴和慢轴的传播常数不同即折射率不同；使椭芯保偏光纤118与第二出射光路107的尾纤熔接，熔接点即为第二熔接点117，当将椭芯保偏光纤118与第二出射光路107的尾纤熔接时，应保证椭芯保偏光纤的快轴与第二出射光路107的尾纤的快轴成45°角，从而保证了输入能量平均地分在了椭芯保偏光纤118的快轴与慢轴上，即光分为

模式与

模式传播；

与此同时，根据L＝λ/B，L为拍长，即沿

模式与

模式传播的光的相位差为2π时光传播的长度，B＝(β_x-β_y)λ/2π，β为偏振模的传播常数，定义为折射率n与波矢量沿光轴方向分量的乘积，λ为真空中光的波长；截取该椭芯保偏光纤1/4拍长奇数倍的长度，则可使通过椭芯保偏光纤118的线偏光变为圆偏光；在实际应用中，本发明对本振光的偏振态有严格的要求，即要求本振光经过该段椭芯保偏光纤118后由偏振度很高的线偏光变为偏振度很低的圆偏光。

2×2单模耦合器122用于使回波光与本振光发生拍频；2×2单模耦合器122的第一接收光路121的尾纤与单模环行器110的接收端112的尾纤熔接，熔接点为第三熔接点123；2×2单模耦合器122的第二接收光路120的尾纤与椭芯保偏光纤118的出射端熔接，熔点为第四熔接点119；2×2单模耦合器122的第一接收光路121与第二接收光路120的尾纤都很短，可以认为光在这段光纤中传播时，其偏振态不发生变化或只发生微小的改变；两路光，即本振光与回波光在2×2单模耦合器122处发生拍频。

如图3所示，根据上述过程，两路光，即本振光为圆偏光与回波光为线偏光在2×2单模耦合器122处发生拍频是圆偏光与线偏光拍频；因为光电探测器126的响应频率远小于光频，故其只能探测到拍频后的差频分量和直流分量，拍频后能被光电探测器126探测到的光强为：

其中，I_x为x轴方向的光强，I_y为y轴方向的光强，A_ox为圆偏光在x轴方向的振幅，A_oy为圆偏光在y轴方向的振幅，A_lx为线偏光沿x轴方向的振幅，A_ly为线偏光沿y轴方向的振幅，ω_o为圆偏光的角频率，ω_l为线偏光的角频率，

为圆偏光的初相位，

为线偏光的初相位，δ为圆偏光在x轴与y轴分量的相位差，此处为π/2。

令a₁＝A_oxA_lx，a₂＝A_oyA_ly，

ω_d＝ω_o-ω_l，则上式可化为：

$I=\frac{1}{2}(A_{\mathrm{ox}}^2+A_{\mathrm{oy}}^2+A_{\mathrm{lx}}^2+A_{\mathrm{ly}}^2)+a_1\cos ({\mathrm{\ω}}_{d}t+{\mathrm{\α}}_1)+a_2\cos ({\mathrm{\ω}}_{d}t+{\mathrm{\α}}_2)---\left(2\right)$ $=\frac{1}{2}(A_{\mathrm{ox}}^2+A_{\mathrm{oy}}^2+A_{\mathrm{lx}}^2+A_{\mathrm{ly}}^2)+A\cos ({\mathrm{\ω}}_{d}t+\mathrm{\α})$

其中，

$A^2=a_1^2+a_2^2+2a_1{a}_2\cos ({\mathrm{\α}}_2-{\mathrm{\α}}_1)$

$=a_1^2+a_2^2+2a_1{a}_2\cos \mathrm{\δ}---\left(3\right)$

$=a_1^2+a_2^2$

$\tan \mathrm{\α}=\frac{a_1\sin {\mathrm{\α}}_1+{\mathrm{\α}}_2\sin {\mathrm{\α}}_2}{a_1\cos {\mathrm{\α}}_1+a_2\cos {\mathrm{\α}}_2}$

由上述过程可知，圆偏光与线偏光拍频并不存在偏振态失配的问题，采取该拍频过程即可避免激光雷达在测速过程中所出现的速度突然变为零的情况，同时可以提高拍频效率。

光电探测器126用于捕获拍频信号中的差频分量与直流分量，将光信号转换为电信号；光点探测器126的尾纤与2×2单模耦合器122的出射端124的尾纤熔接，熔点为第五熔接点125。

PXI采集卡127用于采集由光电探测器126输入的电信号，并对电信号做A/D转换，使模拟信号变为数字信号，其采样率可根据物体的速度设定，本发明实施例设定为1MHz，采样点数为1024。

计算机128用于读取由PXI采集卡采集到电信号的数字信号并显示时域信号，之后对时域信号做2倍采样点的FFT(Fast Fourier Transform)，求取FFT后的拍频信号的功率谱，搜索该功率谱的最大谱峰所对应的离散谱线，根据该离散谱线、采样率和采样点数计算出所述拍频信号的频率值；根据：

$V=\frac{\mathrm{\λ}{f}_d}{2\cos \mathrm{\α}}---\left(5\right)$

计算出物体的速度；其中，λ为光波的波长，f_d为多普勒频移即拍频信号的差频分量，α为出射光束与水平面的夹角。

综上所述，本发明通过在本振光路中加入λ/4光纤波片，使本振光由线偏光变为圆偏光，从而避免了由于本振光与回波光由于空间角失配或偏振态失配而引起的测速过程中大量出现测速突然为零的情况，并提高了拍频效率。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为主。

Claims (7)

1.一种消除激光雷达测速零点的装置，其特征在于包括：保偏激光器、第一法兰盘、2×2保偏耦合器、椭芯保偏光纤、单模环行器、第二法兰盘、保偏准直器、2×2单模耦合器、光电探测器、PXI采集卡和计算机；

保偏激光器通过第一法兰盘与2×2保偏耦合器的入射端相连接；2×2保偏耦合器出射端分为两路，分别为第一出射光路和第二出射光路，第一出射光路作为信号光路，第二出射光路作为本振光路；第一出射光路中的尾纤与单模环行器的入射端尾纤熔接，该熔接点为第一熔接点，熔接后能够使偏振度较高的线偏光进入单模环行器；第二出射光路的尾纤与椭芯保偏光纤熔接，且第二出射光路的尾纤与椭芯保偏光纤熔接时应保证第二出射光路尾纤的快轴与椭芯保偏光纤的快轴成45°，该熔接点为第二熔接点；椭芯保偏光纤的长度应取其1/4拍长的奇数倍，使该段椭芯保偏光纤起到λ/4波片的效果，从而使经过椭芯保偏光纤的线偏光转变为圆偏振光；单模环行器出射端通过第二法兰盘与保偏准直器连接；光束通过保偏准直器出射，遇运动着的物体后发生反射或散射，回波光由保偏准直器接收，经单模环行器后进入到接收端；2×2单模耦合器有两个接收光路，分别为第一接收光路和第二接收光路；第一接收光路的尾纤与单模环行器的接收端的尾纤熔接，即为第三熔接点；第二接收光路的尾纤与椭芯光纤的出射端熔接，即为第四熔接点；光电探测器的尾纤与2×2单模耦合器出射端的尾纤熔接，即为第五熔接点；本振光与回波光在2×2单模耦合器处拍频，此时本振光认为是圆偏振光或近似圆偏振光，回波光认为是线偏光；两束光即本振光与回波光在2×2单模耦合器处拍频，拍频信号的差频部分被光电探测器探测到并由光信号转换为电信号；电信号经PXI采集卡采集并经计算机运算后显示速度信息。

2.根据权利要求1所述的一种消除激光雷达测速零点的装置，其特征在于：所述保偏激光器的尾纤带第一FC/APC接头；所述2×2保偏耦合器入射端的尾纤为保偏光纤，尾纤带第二FC/APC接头；第一FC/APC接头与第二FC/APC接头结构相同，均为慢轴工作或快轴工作，通过第一法兰盘将第一FC/APC接头与第二FC/APC接头连接，同时使第一FC/APC接头的快轴和慢轴分别对准第二FC/APC接头的快轴与慢轴，以此保证进入保偏耦合器的光为高线性度的线偏光。

3.根据权利要求1所述的一种消除激光雷达测速零点的装置，其特征在于：所述2×2保偏耦合器为分光器件，分光比为5:95，其中分光比占95%的光路为信号光路即第一出射光路，分光比占5%的光路为本振光路即第二出射光路。

4.根据权利要求1所述的一种消除激光雷达测速零点的装置，其特征在于：所述第一出射光路与第二出射光路的尾纤均为保偏光纤即保线偏保偏光纤。

5.根据权利要求1所述的一种消除激光雷达测速零点的装置，其特征在于：所述椭芯保偏光纤双轴工作，即快轴和慢轴能够同时工作，快轴与慢轴的折射率差为Δn＝n_x-n_y，Δn的大小以实际所取的椭芯光纤为准。

6.根据权利要求1所述的一种消除激光雷达测速零点的装置，其特征在于：所述单模环行器的出射端尾纤带第三FC/APC接头，保偏准直器的入射端带第四FC/APC接头，通过第二法兰盘将单模环行器的出射端与保偏准直器的入射端连接；线偏光经准直器出射，出射光遇运动的物体后发生反射或散射，回波光被保偏准直器接收，之后进入到单模环行器的接收端。

7.根据权利要求1所述的一种消除激光雷达测速零点的装置，其特征在于：所述2×2单模耦合器的第一接收光路与第二接收光路的分光比为90:10，即第一接收光路的分光比占90%，第二接收光路的分光比占10%。

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