CN107064946B - 用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统及测距方法 - Google Patents

用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统及测距方法 Download PDF

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Abstract

用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统及测距方法，涉及一种脉冲压缩激光雷达系统及测距方法。本发明雷达系统，飞秒激光器输出脉冲激光，在脉冲激光的传递方向上，光学发射装置的前端设置飞秒激光器、级联线性啁啾光纤布拉格光栅、第一光环形器、单模光纤和平坦增益滤波器；脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，光学接收装置接收目标反射光信号；在信号的传递方向上，光学接收装置后端设置第二光环形器和负色散光纤布拉格光栅；本发明利用级联线性啁啾光纤布拉格光栅产生大时间带宽积的调制信号，并采用负色散光纤布拉格光栅进行脉冲压缩处理，可使测距精度达到毫米量级。本发明用于雷达系统的设计搭建。

Description

用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统 及测距方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲压缩激光雷达系统及测距方法。
背景技术
激光雷达是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。激光雷具有极高的角分辨率、具有极高的距离分辨率、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等优点。
在激光探测实际应用当中，由于连续散射介质的后向散射背景信号中不存在高频信号，因而可以利用高频调制信号进行探测，通过滤波处理将高频回波信号与低频背景区分开。
由于脉冲压缩激光雷达能够通过对调制信号进行脉冲压缩处理得到高探测信噪比，因此可以被广泛应用到测量水雾，烟幕，云层等连续散射介质当中。然而当前的脉冲压缩激光雷达系统会受到电子调制带宽和调制速度的限制，也会受到调制信号的时间带宽积限制，使得脉冲压缩激光雷达系统的作用距离和探测信噪比等性能受到严重影响。
发明内容
本发明为了解决目前的脉冲压缩激光雷达系统的调制时间带宽积有限导致雷达系统作用距离受限的问题。
用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，包括发射端子系统和接收端子系统；
所述发射端子系统包括光学发射装置、飞秒激光器、级联线性啁啾光纤布拉格光栅、第一光环形器、单模光纤和平坦增益滤波器；
飞秒激光器输出脉冲激光，在脉冲激光的传递方向上，光学发射装置的前端设置飞秒激光器、级联线性啁啾光纤布拉格光栅、第一光环形器、单模光纤和平坦增益滤波器；所述的飞秒激光器通过单模光纤连接第一光环形器的端口1，第一光环形器的端口2通过单模光纤连接级联线性啁啾光纤布拉格光栅，第一光环形器的端口3连接单模光纤的一端，单模光纤的另一端连接平坦增益滤波器的输入端；
所述接收端子系统包括光学接收装置、负色散光纤布拉格光栅和第二光环形器；
脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，所述光学接收装置接收目标反射光信号；在信号的传递方向上，光学接收装置后端设置第二光环形器和负色散光纤布拉格光栅；第二光环形器的端口2通过单模光纤连接负色散光纤布拉格光栅。
用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，包括的发射端子系统和接收端子系统具体结构和连接关系如下；
所述发射端子系统包括飞秒激光器、级联线性啁啾光纤布拉格光栅、第一光环形器、单模光纤、平坦增益滤波器、第一自聚焦准直器和光学发射装置；
所述的飞秒激光器通过单模光纤连接第一光环形器的端口1，第一光环形器的端口2通过单模光纤连接级联线性啁啾光纤布拉格光栅，第一光环形器的端口3连接单模光纤的一端，单模光纤的另一端连接平坦增益滤波器的输入端，平坦增益滤波器的输出端通过单模光纤连接第一自聚焦准直器的输入端，第一自聚焦准直器的输出端通过单模光纤连接光学发射装置；光学发射装置对脉冲激光进行整形照射到目标区域；
所述接收端子系统包括光学接收装置、第二自聚焦准直器、负色散光纤布拉格光栅、第二光环形器、光纤光电探测器、模数转换器、数字信号处理器；
脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，所述光学接收装置接收目标反射光信号；光学接收装置通过单模光纤连接第二自聚焦准直器的输入端，第二自聚焦准直器的输出端通过单模光纤连接第二光环形器的端口1，第二光环形器的端口2通过单模光纤连接负色散光纤布拉格光栅，第二光环形器的端口3通过单模光纤连接模数转换器的输入端，模数转换器的输出端通过单模光纤连接数字信号处理器，数字信号处理器对信号进行处理。
优选地，所述的单模光纤为G652单模光纤。
优选地，第一光环形器的端口3连接单模光纤中所述的单模光纤为单模色散光纤。
优选地，飞秒激光器输出光谱范围为1550±20nm。
优选地，第一光环形器的端口3连接单模光纤中所述的单模光纤长度为30km至40km。
利用所述的用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统的测距方法，包括以下步骤：
通过飞秒激光器输出脉冲激光；脉冲激光进入第一光环形器的端口1，然后在第一光环形器的端口2经过级联线性啁啾光纤布拉格光栅，再从第一光环形器的端口3进入单模光纤将脉冲激光进行展宽；再进入平坦增益滤波器降低干扰；然后经过第一自聚焦准直器耦合到自由空间；通过光学发射装置整形后照射到目标区域；
脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，光学接收装置汇聚接收目标反射光信号；目标反射光信号经过第二自聚焦准直器耦合到光纤中；然后进入第二光环形器端口1并传输到端口2进入负色散光纤布拉格光栅进行光学脉冲压缩；经过负色散光纤布拉格光栅脉冲压缩反射后经端口2进入，从端口3进入到光纤光电探测器对压缩后的目标反射光信号进行检测，在经过模数转换器，最后进入数字信号处理器进行处理，解算得到目标的距离信息。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用SLCFBG构成的信号调制模块和一根长单模光纤构成的时频映射模块来产生大时间带宽积的线性调频调制信号，并在接收端采用负色散光纤布拉格光栅，使得本发明能够有效提高频率调制信号的时间带宽积，进而提高系统的作用距离和探测信噪比；相比现有的脉冲压缩激光雷达系统的作用距离最远的情况，利用本发明进行探测的作用距离能够提高15％-20％。并且本发明能够提高测距精度，可使测距精度可以达到毫米量级。
同时本发明整个雷达系统从发射、调制到解调全部采用光纤光学元件，能够实现全光激光雷达，使得雷达系统处理速度快，稳定性好，集成度高。
附图说明
图1为具体实施方式一中雷达系统的发射端子系统示意图；
图2为具体实施方式一中时间维度上的线性调频脉冲信号；其中，横坐标time为时间，纵坐标Normalized signal intensity为归一化信号强度；
图3为具体实施方式一中雷达系统的接收端子系统中的脉冲压缩单元示意图；
图4为5nm脉宽设计的负色散布拉格光栅的色散补偿图；其中，横坐标wavelength为波长，纵坐标Dispersion delay为色散延迟；
图5为具体实施方式五中雷达系统的发射端子系统示意图；
图6为具体实施方式五中雷达系统的接收端子系统示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，
用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，包括发射端子系统和接收端子系统；
所述发射端子系统包括光学发射装置、飞秒激光器1、级联线性啁啾光纤布拉格光栅2、第一光环形器3、单模光纤4和平坦增益滤波器5；
飞秒激光器1输出脉冲激光，在脉冲激光的传递方向上，光学发射装置的前端设置飞秒激光器1、级联线性啁啾光纤布拉格光栅2、第一光环形器3、单模光纤4和平坦增益滤波器5；所述的飞秒激光器1通过单模光纤连接第一光环形器3的端口1，第一光环形器3的端口2通过单模光纤连接级联线性啁啾光纤布拉格光栅2，第一光环形器3的端口3连接单模光纤4的一端，单模光纤4的另一端连接平坦增益滤波器5的输入端；光学发射装置7对脉冲激光进行整形照射到目标区域；
所述接收端子系统包括光学接收装置、负色散光纤布拉格光栅10和第二光环形器11；
脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，所述光学接收装置接收目标反射光信号；在信号的传递方向上，光学接收装置后端设置第二光环形器11和负色散光纤布拉格光栅10；第二光环形器11的端口2通过单模光纤连接负色散光纤布拉格光栅10；负色散光纤布拉格光栅10将目标反射光信号进行光学脉冲压缩。
本实施方式采用两个级联线性啁啾光纤布拉格光栅(superimposed linearchirp fiber Bragg gratings，SLCFBG)构成的信号调制模块和一根长单模光纤构成的时频映射模块来产生大时间带宽积的线性调频调制信号，发射端示意图如图1所示，该模块的工作原理为：
飞秒激光器输出的宽光谱窄脉冲通过环形器输入到SLCFBG，此时SLCFBG等效于一系列针对不同波长的F-P滤波器，对于符合F-P腔匹配条件的频率分量进行反射，对不符合的频率分量进行透过，因此经过SLCFBG反射的脉冲信号的频谱就等效为类似线性调频信号的形式。由于SLCFBG本身存在色散特性，会对飞秒脉冲进行一定程度的展宽，经过SLCFBG反射的激光脉冲的脉冲宽度在百皮秒量级。但此时脉冲宽度依然很小，对应的脉冲峰值功率很高，在长距离途径传输的过程中极易发生电离等现象，对脉冲信号能量和波形产生严重影响，因此在SLCFBG后面引入了一根长单模光纤作为时频映射模块，利用单模光纤的色散特性，不同波长的激光分量在单模光纤中的色散延时不同，因而能够将激光脉冲信号进行时频映射，使调制脉冲映射成为如图2所示的时间维度上的线性调频脉冲信号，理论计算表明当调制信号脉冲宽度约为5ns时，需要一根长约37公里的G652单模光纤。这里将产生的信号再经过平坦增益滤波器的目的是为了滤除杂光干扰。
目标反射光信号经过光学接收装置汇聚接收后进入脉冲压缩单元。本实施方式接收端子系统中的脉冲压缩单元采用如图3所示的负色散光纤布拉格光栅来实现，通过设计合适的色散常数D和栅区长度L，就能得到脉冲压缩器件，图4给出了针对5nm脉宽设计的负色散布拉格光栅的色散补偿图线，该器件的工作光谱宽度8nm；色散常数D＝-625ps/nm；栅区长度L＝1.5cm。
具体实施方式二：
本实施方式第一光环形器3的端口3连接单模光纤4中所述的单模光纤4为单模色散光纤。
其他结构和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：
本实施方式第一光环形器3的端口3连接单模光纤4中所述的单模光纤4长度为30km至40km。
其他结构和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：
本实施方式飞秒激光器1输出光谱范围为1550±20nm。
其他结构和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：结合图5和图6说明本实施方式，
用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，包括发射端子系统和接收端子系统；
所述发射端子系统包括飞秒激光器1、级联线性啁啾光纤布拉格光栅2、第一光环形器3、单模光纤4、平坦增益滤波器5、第一自聚焦准直器6和光学发射装置7；
所述的飞秒激光器1通过单模光纤连接第一光环形器3的端口1，第一光环形器3的端口2通过单模光纤连接级联线性啁啾光纤布拉格光栅2，第一光环形器3的端口3连接单模光纤4的一端，单模光纤4的另一端连接平坦增益滤波器5的输入端，平坦增益滤波器5的输出端通过单模光纤连接第一自聚焦准直器6的输入端，第一自聚焦准直器6的输出端通过单模光纤连接光学发射装置7；光学发射装置7对脉冲激光进行整形照射到目标区域；
所述接收端子系统包括光学接收装置8、第二自聚焦准直器9、负色散光纤布拉格光栅10、第二光环形器11、光纤光电探测器12、模数转换器13、数字信号处理器14；
脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，所述光学接收装置8接收目标反射光信号；光学接收装置8通过单模光纤连接第二自聚焦准直器9的输入端，第二自聚焦准直器9的输出端通过单模光纤连接第二光环形器11的端口1，第二光环形器11的端口2通过单模光纤连接负色散光纤布拉格光栅10，第二光环形器11的端口3通过单模光纤连接模数转换器13的输入端，模数转换器13的输出端通过单模光纤连接数字信号处理器14，数字信号处理器14对信号进行处理。
飞秒激光器1的功能：
输出脉冲激光。
级联线性啁啾光纤布拉格光栅SLCFBG2的功能：
等效为一系列针对不同波长的F-P滤波器，对于符合F-P腔匹配条件的频率分量进行反射，对不符合的频率分量进行透过，因此经过SLCFBG反射的脉冲信号的频谱就等效为类似线性调频信号的形式。
第一光环形器3的功能：
使激光信号只能按照1到2，2到3的方向进行单向传导，防止激光信号之间发生串扰。
单模光纤4的功能：
利用单模光纤的色散作用将调制脉冲进行展宽。
平坦增益滤波器5的功能：
仅让选择光谱范围内的光信号透过，滤除其余频率成分的激光信号以降低干扰。
第一自聚焦准直器6的功能：
将光纤中的激光信号耦合到自由空间。
光学发射装置7的功能：
对脉冲激光进行整形照射到目标区域。
光学接收装置8的功能：
汇聚接收目标反射光信号。
第二自聚焦准直器9的功能：
将自由空间的目标反射光信号耦合到光纤中。
负色散FBG10的功能：
利用负色散特性，不同波长分量被FBG反射时的延时不同，从而将目标反射光信号进行光学脉冲压缩。
第二光环形器11的功能：
使激光信号只能按照1到2，2到3的方向进行单向传导，目标反射光信号从端口1传输到端口2进入负色散FBG，经过FBG脉冲压缩反射后经端口2进入端口3被光纤光电探测器检测。
光纤光电探测器12的功能：
对压缩后的目标反射光信号进行检测。
模数转换器13的功能：
对光纤光电探测器输出的电信号进行采集。
数字信号处理器14的功能：
对模数转换器输采集的电信号进行处理，解算得到目标的距离信息。
具体实施方式六：
本实施方式所述的单模光纤4为G652单模光纤。
其他结构和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：
本实施方式第一光环形器3的端口3连接单模光纤4中所述的单模光纤4为单模色散光纤。
其他结构和参数与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：
本实施方式飞秒激光器1输出光谱范围为1550±20nm。
其他结构和参数与具体实施方式五至七之一相同。
具体实施方式九：
本实施方式第一光环形器3的端口3连接单模光纤4中所述的单模光纤4长度为30km至40km。
其他结构和参数与具体实施方式五至八之一相同。
具体实施方式十：
利用具体实施方式五至具体实施方式九之一所述的用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统的测距方法，包括以下步骤：
通过飞秒激光器1输出脉冲激光；脉冲激光进入第一光环形器3的端口1，然后在第一光环形器3的端口2经过级联线性啁啾光纤布拉格光栅，再从第一光环形器3的端口3进入单模光纤4将脉冲激光进行展宽；再进入平坦增益滤波器5降低干扰；然后经过第一自聚焦准直器6耦合到自由空间；通过光学发射装置7整形后照射到目标区域；
脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，光学接收装置8汇聚接收目标反射光信号；目标反射光信号经过第二自聚焦准直器9耦合到光纤中；然后进入第二光环形器11端口1并传输到端口2进入负色散光纤布拉格光栅10进行光学脉冲压缩；经过负色散光纤布拉格光栅10脉冲压缩反射后经端口2进入，从端口3进入到光纤光电探测器12对压缩后的目标反射光信号进行检测，在经过模数转换器13，最后进入数字信号处理器14进行处理，解算得到目标的距离信息。

Claims (6)

1.用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，包括发射端子系统和接收端子系统，其特征在于，
所述发射端子系统包括飞秒激光器(1)、级联线性啁啾光纤布拉格光栅(2)、第一光环形器(3)、单模光纤(4)、平坦增益滤波器(5)、第一自聚焦准直器(6)和光学发射装置(7)；
所述的飞秒激光器(1)通过单模光纤连接第一光环形器(3)的端口1，第一光环形器(3)的端口2通过单模光纤连接级联线性啁啾光纤布拉格光栅(2)，第一光环形器(3)的端口3连接单模光纤(4)的一端，单模光纤(4)的另一端连接平坦增益滤波器(5)的输入端，平坦增益滤波器(5)的输出端通过单模光纤连接第一自聚焦准直器(6)的输入端，第一自聚焦准直器(6)的输出端通过单模光纤连接光学发射装置(7)；光学发射装置(7)对脉冲激光进行整形照射到目标区域；
所述接收端子系统包括光学接收装置、第二自聚焦准直器(9)、负色散光纤布拉格光栅(10)、第二光环形器(11)、光纤光电探测器(12)、模数转换器(13)、数字信号处理器(14)；
脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，所述光学接收装置接收目标反射光信号；光学接收装置通过单模光纤连接第二自聚焦准直器(9)的输入端，第二自聚焦准直器(9)的输出端通过单模光纤连接第二光环形器(11)的端口1，第二光环形器(11)的端口2通过单模光纤连接负色散光纤布拉格光栅(10)，第二光环形器(11)的端口3通过单模光纤连接模数转换器(13)的输入端，模数转换器(13)的输出端通过单模光纤连接数字信号处理器(14)，数字信号处理器(14)对信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，其特征在于，所述的单模光纤(4)为G652单模光纤。
3.根据权利要求1所述的用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，其特征在于，第一光环形器(3)的端口3连接单模光纤(4)中所述的单模光纤(4)为单模色散光纤。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，其特征在于，飞秒激光器(1)输出光谱范围为1550±20nm。
5.根据权利要求4所述的用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统，其特征在于，第一光环形器(3)的端口3连接单模光纤(4)中所述的单模光纤(4)长度为30km至40km。
6.利用权利要求1至5之一所述的用于连续散射介质中目标探测的全光脉冲压缩激光雷达系统的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过飞秒激光器(1)输出脉冲激光；脉冲激光进入第一光环形器(3)的端口1，然后在第一光环形器(3)的端口2经过级联线性啁啾光纤布拉格光栅，再从第一光环形器(3)的端口3进入单模光纤(4)将脉冲激光进行展宽；再进入平坦增益滤波器(5)降低干扰；然后经过第一自聚焦准直器(6)耦合到自由空间；通过光学发射装置(7)整形后照射到目标区域；
脉冲激光经反射后记为目标反射光信号，光学接收装置汇聚接收目标反射光信号；目标反射光信号经过第二自聚焦准直器(9)耦合到光纤中；然后进入第二光环形器(11)端口1并传输到端口2进入负色散光纤布拉格光栅(10)进行光学脉冲压缩；经过负色散光纤布拉格光栅(10)脉冲压缩反射后经端口2进入，从端口3进入到光纤光电探测器(12)对压缩后的目标反射光信号进行检测，在经过模数转换器(13)，最后进入数字信号处理器(14)进行处理，解算得到目标的距离信息。
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