CN105676207B - 一种sal视场信号的收入光纤装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种SAL视场信号的收入光纤装置，包括：接收主镜、光纤收入装置和目标光纤，激光视场信号经所述接收主镜透射后入射至所述光纤收入装置，所述光纤收入装置将所述激光视场信号全部收入所述目标光纤。本发明通过微透镜阵列与准直器阵列，或者微透镜阵列与光纤阵列和合束器阵列的组合，可使接收系统在大口径条件下实现宽视场激光信号全部收入光纤，其无需大量的探测器，降低了系统的复杂性；在实现宽视场激光信号收入光纤的同时，还可灵活实现视场信号分割。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种SAL(Synthetic Aperture Lidar，合成孔径激光雷达)视场信号的收入光纤装置。
背景技术
激光雷达的接收视场，主要由接收望远镜口径，探测器/探测器组光敏面尺寸、接收口径D与焦距f比决定。口径焦距比越大，光学系统的设计难度越大，按照目前光学接收系统的设计能力，要实现D/f＝1的光学系统，即口径为焦距的1倍，设计难度较小；要实现D/f＝2的光学系统，即口径为焦距的2倍，设计难度较大。
在此基础上，激光雷达的接收视场，就转化为由接收望远镜口径和探测器/探测器组光敏面尺寸决定，接收视场与探测器光敏面尺寸成正比，与接收口径成反比。
为保证激光雷达具有较远的作用距离，一般需将接收望远镜的尺寸设计得较大，以获得较多的回波信号能量，此时激光雷达的视场主要决定于探测器光敏面的尺寸。由于目前常用的探测器光敏面尺寸一般较小，激光雷达的接收视场也较小，目前基于一个探测器的激光雷达的接收视场通常约为1mrad。
为解决激光信号宽视场接收问题，现阶段激光雷达多采用面阵或线阵探测器的接收方式扩大接收视场，这种接收方式具备高的空间角分辨率，但由于需使用光电探测器阵列和多个通道信号处理，数据量较大，技术实现复杂，成本较高。
以侧视工作模式为主的合成孔径激光雷达，其获得观测的图像在斜距离和运动速度方向，为形成较大的幅宽，需要雷达能实现宽视场接收，但不要求具有高的空间角分辨率，具备采用一个光电探测器或少量探测器实现激光雷达宽视场接收的使用条件。
若接收激光信号能收入光纤，则合成孔径激光雷达相干探测所需的混频及后续信号处理在结构实现上就较为简单。由于光纤的数值孔径较小，在宽视场条件下将激光收入光纤比较困难。对合成孔径激光雷达，其相干探测所需的混频需利用单模保偏光纤实现，单模保偏光纤的数值孔径更小，其在宽视场条件下将激光收入光纤难度更大。
由此可见，本领域亟需研究一种在大接收口径条件下合成孔径激光雷达宽视场信号收入光纤的装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种SAL视场信号的收入光纤装置。
(二)技术方案
本发明提供了一种SAL视场信号的收入光纤装置，其特征在于，包括：接收主镜、光纤收入装置和目标光纤；其中，激光视场信号经所述接收主镜透射后入射至所述光纤收入装置，所述光纤收入装置将所述激光视场信号全部收入所述目标光纤。
优选地，所述光纤收入装置包括微透镜阵列21和N×M个光纤准直器组成的N行M列准直器阵列，所述微透镜阵列21位于所述接收主镜的像面处，所述N行M列准直器阵列中的每一个光纤准直器均对应一根目标光纤，光纤准直器与其对应的目标光纤位置匹配，其中，N、M为自然数。
优选地，所述激光视场信号经所述接收主镜11透射后入射至所述微透镜阵列表面，经所述微透镜阵列21后变为近似平行光并入射至所述N行M列准直器阵列，所述N行M列准直器阵列中的每一个光纤准直器将入射至其中的光线汇聚至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入。
优选地，在所述微透镜阵列21和N行M列准直器阵列之间设置一光阑。
优选地，所述光纤准直器的形状为矩形、椭圆或者1/4圆形。
优选地，所述微透镜阵列21与N行M列准直器阵列为一体化集成光学器件
优选地，所述光纤收入装置包括微透镜阵列21、光纤阵列26和N×M个合束器组成的N行M列合束器阵列，所述光纤阵列的光纤抽头连接合束器阵列，每个合束器耦合至其对应的目标光纤，其中，N、M为自然数。
优选地，所述激光视场信号经所述接收主镜11透射后入射至微透镜阵列表面，经微透镜阵列21后变为近似平行光并入射至光纤阵列26，光线经光纤阵列26后进入合束器，合束器将光线耦合至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入。
优选地，SAL接收系统采用像方远心光路，光纤收入装置包括：N×M个光纤准直器组成的N行M列准直器阵列；其中，所述准直器阵列中的每一个光纤准直器均对应一根目标光纤，光纤准直器与其对应的目标光纤位置匹配，激光视场信号经接收主镜透射后入射至准直器阵列，所述准直器阵列中的每一个光纤准直器将入射至其中的光线汇聚至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入。
优选地，SAL接收系统采用像方远心光路，光纤收入装置包括：光纤阵列和N×M个合束器组成的N行M列合束器阵列；其中，所述光纤阵列的光纤抽头连接合束器阵列，每个合束器耦合至其对应的目标光纤，激光视场信号经接收主镜透射后入射至光纤阵列，光线经光纤阵列后进入合束器，合束器将光线耦合至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明的SAL视场信号的收入光纤装置具有以下有益效果：
(1)通过微透镜阵列与准直器阵列，或者微透镜阵列与光纤阵列和合束器阵列的组合，可使接收系统在大口径条件下实现宽视场激光信号全部收入光纤，其无需大量的探测器，降低了系统的复杂性；
(2)在实现宽视场激光信号收入光纤的同时，还实现了激光视场信号的分割，通过设置准直器阵列的结构、或者光纤阵列的合束抽头和合束器阵列的结构可灵活实现视场信号分割。
附图说明
图1为本发明第一实施例的SAL视场信号的收入光纤装置的结构示意图；
图2为微透镜阵列的结构示意图；
图3为本发明第一实施例的SAL视场信号的收入光纤装置的另一结构示意图；
图4为本发明第二实施例的SAL视场信号的收入光纤装置的结构示意图；
图5为本发明第二实施例的SAL视场信号的收入光纤装置的另一结构示意图；
图6为本发明第三实施例的SAL视场信号的收入光纤装置的结构示意图；
图7为本发明第三实施例的SAL视场信号的收入光纤装置的另一结构示意图。
【符号说明】
11-接收主镜；12-像方远心光路接收主镜；21-微透镜阵列；22-微透镜；23-光纤准直器；24-第一光纤准直器；25-第二光纤准直器；26-光纤阵列；27-合束器；28-第一合束器；29-第二合束器；31-目标光纤；32-第一目标光纤；33-第二目标光纤；D2-微透镜阵列尺寸。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1至图3，本发明第一实施例的一种SAL视场信号的收入光纤装置，其包括：接收主镜11、光纤收入装置和目标光纤，其中，该光纤收入装置包括微透镜阵列21和N×M个光纤准直器组成的N行M列准直器阵列，该微透镜阵列21位于接收主镜的像面处，该准直器阵列中的每一个光纤准直器均对应一根目标光纤，光纤准直器与其对应的目标光纤位置匹配，其中，N、M为自然数，在图1中，所述N、M取1，该准直器阵列仅包含一个光纤准直器23，在图3中，所述N取2，M取1，其包含第一光纤准直器24和第二光纤准直器25这两个光纤准直器，组成2行1列的准直器阵列。
激光视场信号经接收主镜11透射后入射至微透镜阵列表面，经微透镜阵列21后变为近似平行光并入射至准直器阵列，该准直器阵列中的每一个光纤准直器将入射至其中的光线汇聚至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入，在图1中，光纤准直器23将激光视场信号全部收入其对应的目标光纤31，在图3中，第一光纤准直器24将入射至其中的激光视场信号收入第一目标光纤32，第二光纤准直器25将入射至其中的激光视场信号收入第二目标光纤33。
优选地，准直器阵列的尺寸等于微透镜阵列的尺寸，以覆盖整个激光视场信号，当所述N、M取1时，该光纤准直器的尺寸等于微透镜阵列的尺寸。
优选地，在图1中，设接收主镜要求接收的视场大小为β，目标光纤的数值孔径为NA，目标光纤纤芯半径为rc，其他的部件参数如表1所示：
表1
对于接收主镜11，选用f1/D1为F#的透镜，则：
光纤准直器尺寸与微透镜阵列尺寸相等，即D3＝D2，要实现光纤准直器出射光能够耦合进目标光纤31，需满足：
f3tanθ2＜rc
当收入光纤装置的各部件参数满足上述关系时，激光视场信号即可被全部收入目标光纤31。
例如，收入光纤装置的各部件参数可以为但不限于：接收主镜11选用F#＝3的透镜，其尺寸D1为200mm，则焦距f1为600mm，微透镜阵列入射光孔径角θ1为0.165rad；接收主镜要求接收的视场大小为β为1°，微透镜阵列的尺寸D2为10.5mm，光纤准直器尺寸D3也为10.5mm；目标光纤31为单模光纤，其数值孔径为0.14，其纤芯半径rc为5μm，则光纤准直器的焦距f3最小为37mm，经过微透镜阵列21后出射光孔径角θ2最大为0.135mrad。
上述是针对光线准直器收入单根目标光纤，当使用准直器阵列收入多根目标光纤时，各部件参数要求与上述类似，不再进行赘述。
如图2所示，微透镜阵列21由多个微透镜22组成，其功能是单个微透镜功能的合成。当以入射光以不同孔径角入射至微透镜阵列21，转换为孔径角较小(例如孔径角为1°)的近似平行光射出。
优选地，为保证光学系统有效视场的覆盖，组成准直器阵列的光纤准直器可以为矩形、椭圆或者1/4圆形。
优选地，在微透镜阵列21和准直器阵列之间设置一光阑，通过光阑遮挡的方法形成线型接收视场，以减小噪声的影响。
优选地，为简化光学系统，可以将微透镜阵列21与准直器阵列集成为一体化光学器件，该一体化光学器件设置于接收主镜的像面处，实现激光视场信号收入光纤。
本发明第一实施例的SAL视场信号的收入光纤装置，通过微透镜阵列21与准直器阵列的组合，对于宽视场激光信号，也可以全部收入光纤，可实现大口径条件下宽视场激光信号的收入光纤，其无需大量的探测器，降低了系统的复杂性；在实现宽视场激光信号收入光纤的同时，还实现了视场激光信号的分割，通过设置准直器阵列的结构可灵活实现视场信号分割。
本发明第二实施例的SAL视场信号的收入光纤装置，为了达到简要说明的目的，上述第一实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
参见图4和图5，该光纤收入装置包括微透镜阵列21、光纤阵列26和N×M个合束器组成的N行M列合束器阵列，该光纤阵列的光纤抽头连接合束器阵列，每个合束器耦合至其对应的目标光纤，其中，N、M为自然数，在图4中，所述N和M取1，该光纤阵列的光纤抽头连接一个合束器27，在图5中，所述N取2，M取1，其包含第一合束器28和第二合束器29这两个合束器，组成2行1列的合束器阵列。
激光视场信号经接收主镜11透射后入射至微透镜阵列表面，经微透镜阵列21后变为近似平行光并入射至光纤阵列26，光线经光纤阵列26后进入合束器，合束器将光线耦合至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入，在图4中，合束器27将激光视场信号全部耦合进其对应的目标光纤31，在图5中，第一合束器28将光纤阵列部分光纤中的激光视场信号收入第一目标光纤32，第二合束器29将光纤阵列另一部分光纤中的激光视场信号收入第二目标光纤33。
优选地，光纤阵列的尺寸等于微透镜阵列的尺寸，以覆盖整个激光视场信号。
优选地，在本发明第二实施例中，设接收主镜要求接收的视场大小为β，光纤阵列尺寸为D5，目标光纤的数值孔径为NA，目标光纤纤芯半径为rc，光纤阵列中每根光纤的数值孔径与目标光纤相同，其他的部件参数如表2所示：
表2
接收主镜11选用f1/D1为F#的透镜，与第一实施例类似：
光纤阵列尺寸与微透镜阵列尺寸相等，即D5＝D2，且光纤阵列中单根光纤的数值孔径与目标光纤相同，要实现微透镜阵列的出射光能够耦合进目标光纤，需满足：
θ2＜arcsin NA
当微透镜阵列出射光的孔径角满足上述关系时，激光视场信号即可被全部收入目标光纤。
例如，收入光纤装置的各部件参数可以为但不限于：接收主镜11选用F#＝2的透镜，其尺寸D1为150mm，焦距f1为300mm，微透镜阵列入射光的孔径角θ1为0.245rad；接收主镜要求接收的视场大小β为1°，则微透镜阵列的尺寸D2为5.2mm，光纤阵列尺寸D5也为5.2mm；目标光纤按单模光纤考虑，数值孔径为0.14，为满足其数值孔径要求，经过微透镜阵列后出射角的孔径角θ2最大为0.14rad。
本发明第二实施例的SAL视场信号的收入光纤装置，通过微透镜阵列21、光纤阵列26和合束器阵列的组合，对于宽视场激光信号，也可以全部收入光纤，可实现大口径条件下宽视场激光信号的收入光纤，其无需大量的探测器，降低了系统的复杂性；在实现宽视场激光信号收入光纤的同时，还实现了视场信号的分割，通过设置光纤阵列的合束抽头可灵活实现视场信号分割；当光纤阵列的光纤纤芯半径较小时，可通过微透镜阵列的聚焦功能，减小每个微透镜出射光的光束直径，提高光纤阵列的光能利用率和收光效率。
以上两个实例均采用微透镜阵列将像面上不同方向的入射光转换成近似平行于光轴的光束，当接收系统采用像方远心光路时，激光视场信号经接收主镜后变为近似平行光，可以省略微透镜阵列，在接收主镜像面处直接设置光纤准直器阵列或者光纤阵列和合束器阵列，也可实现宽视场激光信号收入光纤。
本发明第三实施例的SAL视场信号的收入光纤装置，为了达到简要说明的目的，上述任意实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
参见图6，该光纤收入装置包括像方远心光路接收主镜12和N×M个光纤准直器组成的N行M列准直器阵列，该准直器阵列中的每一个光纤准直器均对应一根目标光纤，光纤准直器与其对应的目标光纤位置匹配，将入射至其中的光线汇聚至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入。其中，N、M为自然数，在图6中，所述N取2，M取1，其包含第一光纤准直器24和第二光纤准直器25这两个光纤准直器，组成2行1列的准直器阵列。第一光纤准直器24将入射至其中的激光视场信号收入第一目标光纤32，第二光纤准直器25将入射至其中的激光视场信号收入第二目标光纤33。
由于SAL接收系统采用像方远心光路，激光视场信号经像方远心光路接收主镜12后变为近似平行光并入射至准直器阵列，该准直器阵列中的每一个光纤准直器将入射至其中的光线汇聚至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入，对于宽视场激光信号，也可以全部收入光纤，可实现大口径条件下宽视场激光信号的收入光纤，其无需大量的探测器，降低了系统的复杂性；在实现宽视场激光信号收入光纤的同时，还实现了视场信号的分割，通过设置准直器阵列的结构可灵活实现视场信号分割。
参见图7，该光纤收入装置包括像方远心光路接收主镜12、光纤阵列26和N×M个合束器组成的N行M列合束器阵列，该光纤阵列的光纤抽头连接合束器阵列，每个合束器将光线耦合至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入。其中，N、M为自然数，在图7中，所述N取2，M取1，其包含第一合束器28和第二合束器29这两个合束器，组成2行1列的合束器阵列。第一合束器28将光纤阵列部分光纤中的激光视场信号收入第一目标光纤32，第二合束器29将光纤阵列另一部分光纤中的激光视场信号收入第二目标光纤33。
由于SAL接收系统采用像方远心光路，激光视场信号经像方远心光路接收主镜12后变为近似平行光，通过光纤阵列26和合束器阵列的组合，对于宽视场激光信号，也可以全部收入光纤，可实现大口径条件下宽视场激光信号的收入光纤，其无需大量的探测器，降低了系统的复杂性；在实现宽视场激光信号收入光纤的同时，还实现了视场信号的分割，通过设置光纤阵列的合束抽头可灵活实现视场信号分割。
至此，已对本发明的一种SAL视场信号的收入光纤装置进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、步骤和形状，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)光纤收入装置还可采用其他类型的元件，只要能实现相同的功能即可；
(2)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；
(3)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
(4)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
综上所述，本发明的SAL视场信号的收入光纤装置，通过微透镜阵列、准直器阵列、光纤阵列和合束器阵列等部件，可在大口径条件下实现宽视场激光信号全部收入光纤，其无需大量的探测器，降低了系统复杂度；在实现宽视场激光信号收入光纤的同时，还实现了视场信号的分割，通过设置准直其阵列和合束器阵列的结构可灵活实现视场信号分割。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种SAL视场信号的收入光纤装置，其特征在于，包括：接收主镜、光纤收入装置和目标光纤；其中，激光视场信号经所述接收主镜透射后入射至所述光纤收入装置，所述光纤收入装置将所述激光视场信号全部收入所述目标光纤；
所述光纤收入装置包括微透镜阵列(21)，所述激光视场信号经所述接收主镜(11)透射后入射至微透镜阵列表面，经微透镜阵列(21)后变为近似平行光。
2.如权利要求1所述的收入光纤装置，其特征在于，所述光纤收入装置还包括N×M个光纤准直器组成的N行M列准直器阵列，所述微透镜阵列(21)位于所述接收主镜的像面处，所述N行M列准直器阵列中的每一个光纤准直器均对应一根目标光纤，光纤准直器与其对应的目标光纤位置匹配，其中，N、M为自然数。
3.如权利要求2所述的收入光纤装置，其特征在于，所述近似平行光入射至所述N行M列准直器阵列，所述N行M列准直器阵列中的每一个光纤准直器将入射至其中的光线汇聚至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入。
4.如权利要求2所述的收入光纤装置，其特征在于，在所述微透镜阵列(21)和N行M列准直器阵列之间设置一光阑。
5.如权利要求2所述的收入光纤装置，其特征在于，所述光纤准直器的形状为矩形、椭圆或者1/4圆形。
6.如权利要求2所述的收入光纤装置，其特征在于，所述微透镜阵列(21)与N行M列准直器阵列为一体化集成光学器件。
7.如权利要求1所述的收入光纤装置，其特征在于，所述光纤收入装置还包括光纤阵列(26)和N×M个合束器组成的N行M列合束器阵列，所述光纤阵列的光纤抽头连接合束器阵列，每个合束器耦合至其对应的目标光纤，其中，N、M为自然数。
8.如权利要求7所述的收入光纤装置，其特征在于，所述近似平行光入射至光纤阵列(26)，光线经光纤阵列(26)后进入合束器，合束器将光线耦合至其对应的目标光纤，实现激光视场信号的光纤收入。
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