CN107505606A - 一种基于光纤环行器的激光雷达光路系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤环行器的激光雷达光路系统，该系统采用单模激光环行器作为发射和接收端口，通过消色差变焦系统，使激光在目标处汇聚，同时收集目标返回的带有轴向速度信息的回波信号。该系统可以把激光聚焦在5米至200米处的某一固定位置，获取该处目标的轴向速度信息，尤其适合道路汽车速度测量应用和河流或管道的液体测量，以及对特定距离上的气体流速测量应用。

Description

一种基于光纤环行器的激光雷达光路系统

技术领域

本发明涉及激光雷达光路系统，尤其涉及一种基于光纤环行器的激光雷达光路系统。

背景技术

当物质波或电磁波到达物体表面被反射时，如果物体相对于波源在波的传播方向移动，物体接收到的频率和反射波的频率会与出现差异，这就是多普勒效应。利用多普勒效应，通过检查波源与反射波的频率差值，结合波的传播速度、频率等信息，可以计算得到目标物体相对于波源的移动速度。随着激光技术和光纤技术的迅猛发展，多普勒激光雷达得以在测速领域大显身手。

光纤环行器是一种广泛应用于光通讯领域的基础元器件，具有稳定可靠体积小的特点，具有一定的耐候性，可以适应较大的温度变化、湿度变化等，同时经过防护的光纤环行器具有很长的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是克服上述问题，提供一种基于光纤环行器的激光雷达光路系统，具有低成本特性、结构简单、光路系统装调简单易行等特点，可以满足道路汽车车速测量和大气风速的测量。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于光纤环行器的激光雷达光路系统，包括光纤激光器、光纤环行器、激光聚焦镜和探测器；

所述光纤环行器为单模光纤环行器，单模光纤环行器具有三个端口分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与光纤激光器相连接，第二端口与激光聚焦镜相连接，所述第三端口与探测器相连接；

所述光纤激光器发出激光信号从第一端口进入光纤环行器到达第二端口；第二端口接收从第一端口传输过来的激光信号和探测激光光束照射到目 标表面后漫反射进入雷达系统产生的信号；与第三端口连接的探测器接收从第二端口表面反射回来的探测激光的本征信号，并将探测激光光束照射到目标表面后漫反射进入雷达系统产生的信号也从光纤环行器的第二端口输入与本征信号一起从第三端口输出，被探测器接收用于频率分析，并将频率差值以电信号形式输出。

作为优选，所述光纤激光器为窄线宽稳频红外光纤激光器，光纤激光器所发出的探测激光为光通讯用的S波段或C波段或L波段的激光。

作为优选，光纤激光器所发出的稳频探测激光通过FC/APC端口耦合或者熔接的方式与光纤环行器的第一端口相连。

作为优选，所述光纤环行器的三个端口采用不同的接口形式；第一关口端口和第三端口采用可降低噪声水平的FC/APC接口，第二端口采用FC/PC接口进行连接。

作为优选，所有光纤的连接端口的端面均镀增透膜。

作为优选，在所述激光聚焦镜上与第二端口连接处的圆周面上设有导轨，所述光纤环行器第二端口通过移动法兰与激光聚焦镜相连接，移动法兰安装到导轨上，实现在光轴方向前后移动。

作为优选，所述移动法兰内安装有光纤连接器，光纤环行器第二端口通过移动法兰内光纤连接器与激光聚焦镜相连接。

作为优选，激光聚焦镜与光纤环行器相连接的另一端安装有消色差聚焦镜，消色差聚焦镜通过镜头压圈压接到激光聚焦镜的镜头上。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述的基于光纤环行器的激光雷达光路系统所采用的元器件主要为光通讯用元器件，具有低成本特性，本发明采用的双点消色差聚焦镜设计，充分考虑聚焦性能的前提下，只考虑对探测用激光波长和指示用激光波长作消色差优化，使两个波长的聚焦性能相当，具有结构简单的特点，同时使得 光路系统装调简单易行。

2、本发明设计基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其发射与接收利用同一组光学镜片，可以获得目标物相对于雷达系统轴向速度，适合对特定区域目标的速度测量，尤其适合道路汽车速度测量应用和河流或管道的液体测量，以及对特定距离上的气体流速测量应用。

3、本发明带有变焦功能，可以探测不同距离目标的速度信息。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明基于光纤环行器的激光雷达光路系统的光路原理图；

图2是本发明光纤环形器的具体接口配置图；

图3是本发明激光学瞄准变焦系统的结构示意图；

图中所示：1、光纤激光器，2、光纤环行器，2.1、第一端口，2.2、第二端口，2.3、第三端口，3、激光聚焦镜，4、导轨，5、移动法兰，6、光纤连接器，7、变焦固定压圈，8、变焦环，9、转接法兰，10、消色差聚焦镜，11、镜头压圈，12、探测器。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1至3所示，本发明实施例提供一种基于光纤环行器的激光雷达光路系统，具体包括光纤激光器1、光纤环行器2、激光聚焦镜3和探测器12，其中，光纤环行器2为单模光纤环行器，单模光纤环行器具有三个端口分别 为第一端口2.1、第二端口2.2和第三端口2.3；所述第一端口2.1与光纤激光器1相连接，第二端口2.2与激光聚焦镜3相连接，所述第三端口2.3与探测器13相连接；当光纤激光器1发出激光信号从第一端口2.1进入光纤环行器2到达第二端口2.2；第二端口2.2接收从第一端口2.1传输过来的激光信号和探测激光光束照射到目标表面后漫反射进入雷达系统产生的信号；与第三端口2.3连接的探测器13接收从第二端口2.2表面反射回来的探测激光的本征信号，并将探测激光光束照射到目标表面后漫反射进入雷达系统产生的信号也从第二端口2.2输入与本征信号一起从第三端口输出，被探测器13接收用于频率分析，并将频率差值以电信号形式输出。通过激光聚焦镜3将探测激光光束对准目标区域，当目标相对激光雷达(即当探测目标相对于激光聚焦镜3)产生的光束有轴向速度时，通过比较目标反射回光学系统的信号频率相对于相对于光纤发射器1发射的本征激光频率，可以获得激光雷达的轴向速度信息。

参见图1所示，所述光纤激光器1为窄线宽稳频红外光纤激光器，激光的发射激光直接耦合或者通过熔接的方式直接与第一端口2.1相连，以提高效率，光纤激光器1所发出的探测激光为光通讯用的S波段或C波段或L波段的激光可以降低激光雷达在意外照射到人眼时引起的损伤。

参见图2所示，光纤环行器2为单模光纤环行器，单模光纤环行器具有三个端口分别为第一端口2.1、第二端口2.2和第三端口2.3；所述第一端口2.1与光纤激光器1相连接，第二端口2.2与激光聚焦镜3相连接，所述第三端口2.3与探测器12相连接，从第一端口2.1进入的激光信号只能从第二端口2.2输出，从第二端口2.2输入的信号只能从第三端口2.3输出。作为本实施例的优选，第二端口2.2为FC/PC制式，可以方便的连接到固定激光聚焦镜3的预留位置，同时在光纤头端面镀有高质量的减反射膜，使得其剩余反射率不超过0.1％，可以有效保护位于第三端口2.3的高灵敏探头，第一端口 2.1和第三端口2.3均采用FC/APC制式，可以有效抑制端面反射产生的信号噪声。在本发明的实施案例中，探测激光从第一端口2.1进入光纤环行器2后，少量不高于0.2％的本征信号E1在第二端口2.2镀膜面被反射回第三端口2.3，其余不少于99.8％的能量从第二端口2.2发出后，经过激光聚焦镜3聚焦到目标处，当移动物体经过目标处时，形成的带有频率变化的多普勒激光信号E3，E3为漫反射型号，其中沿原出射光路返回到激光聚焦镜3的部分形成部分有效激光信号E4，经过聚焦镜的会聚作用，在激光聚焦镜3进入光纤纤芯形成有效信号E5，其余部分在进入第二端口2.2时被纤芯限制，超出光纤数值孔径的部分则被光纤包层吸收，E5信号可以高效进入光纤环行器的第二端口2.2，从第三端口2.3出射，被探测器13接收与E1信号一起，被探测器用于频率分析，并将E1与E5信号的差值Δν转化成电信号输出通过公式V0＝Δν*λ得到目标的速度在激光传播方向上的速度分量信息。当本发明对于速度方向固定的河流、管道中的目标物进行测量时，在激光雷达方向固定的条件下，目标物体速度V在激光传播方向上的分量V0，由流速方向与激光传播方向二者夹角θ确定，其中V0/V＝cosθ，可得知目标的移动速度V＝V0/cosθ。当θ＝10°时cosθ＝0.984,可以认为V与V0近似相等，其误差不超过2％。

参见图3所示，本发明的光学瞄准变焦系统包括激光聚焦镜3和消色差聚焦镜13，所述激光聚焦镜3一端与光纤环行器2的第二端口2.1相连接，另一端通过镜头压圈12与消色差聚焦镜13进行压接。作为优选，所有光纤的连接端口的端面均镀增透膜。在所述激光聚焦镜3上与第二端口2.2连接处的圆周面上设有导轨，光纤环行器2第二端口2.1通过移动法兰5与激光聚焦镜3相连接，移动法兰5安装到导轨4上，可以使光纤环行器2的第二端口2.2平稳地沿光轴方向前后移动。在激光聚焦镜3上还设有变焦环8，在变焦环8上刻有对应的聚焦长度标示。在移动法兰5内安装有光纤连接器6，光纤环行器2第二端口2.2通过移动法兰5内的光纤连接器6与激光聚焦镜3相连 接。作为本发明实施例的优选，所述消色差聚焦镜13对探测用的不可见红外激光和指示用的可见激光消色差处理，使光学瞄准变焦系统对两个波长的激光具有尽量一致的聚焦特性，同时尽量优化目标距离上的聚焦特性，使之在探测距离上尽量能对准较小的目标区域。

在本发明的实施案例中，光纤激光器1发射的探测用激光波长为1550nm，指示用激光波长为650nm,单模光纤环行器2的光纤数值孔径为0.12，激光聚焦镜3的口径为75mm，有效使用区域>90％，透镜焦距为230mm，设计时对650nm和1550nm波长进行优化，使其对两个波长聚焦特性相当。在实施变焦的过程中，光纤端面到消色差聚焦镜13的主平面距离在232-243mm调节，此时探测光束可以在远至200米，近至5米的范围内在某处汇聚到最小，探测光束从环行器的第二端口2.2射出到激光聚焦镜3的光斑口径不超过60mm，可以基本不受损失的被透镜汇聚到目标处。在光纤端面平移的过程中，不可避免会有方向上的微小变化，在跳动不超过1度的情况下，从光纤出射的光都不会被聚焦透镜遮挡。从目标反射回的光线在到达聚焦透镜时，汇聚的光束数值孔径约为0.141-0.147，略大于光纤的数值孔径，其中超出0.12的部分光线会在光纤中传播时损失。

本发明的激光雷达光路系统在光路生产组装、整机安装调试光路过程中，可以直接把激光聚焦镜3的镜头所选用的可见激光耦合到光纤环行器2的第二端口2.2，并以此作为指示，可以迅速找到最佳条件，降低设备的装调难度，把FC/PC接口光纤连接器6固定在沿光轴方向的一维导轨4上，利用变焦环8可以实施手动平移，或通过电机驱动实现自动平移，可以让激光雷达的最佳探测距离在5米至200米范围调节，通过激光聚焦镜3上的变焦环8上设置有距离标记，可以指示出当前的光斑聚焦点到雷达光学镜头之间的距离。

作为本实施例的优选，在本发明设计的激光雷达的聚焦镜后可以安装一维或两维的电动扫描振镜，可以实现雷达光束在一维或两维方向上进行扫描， 可以找出气流的具体方向信息并用以应到其他的仪器设备做出相应调整。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其特征在于：包括光纤激光器、光纤环行器、激光聚焦镜和探测器；

所述光纤环行器为单模光纤环行器，单模光纤环行器具有三个端口分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述第一端口与光纤激光器相连接，第二端口与激光聚焦镜相连接，所述第三端口与探测器相连接；

所述光纤激光器发出激光信号从第一端口进入光纤环行器到达第二端口；第二端口接收从第一端口传输过来的激光信号和探测激光光束照射到目标表面后漫反射进入雷达系统产生的信号；与第三端口连接的探测器接收从第二端口表面反射回来的探测激光的本征信号并将探测激光光束照射到目标表面后漫反射进入雷达系统产生的信号也从光纤环行器的第二端口输入与本征信号一起从第三端口输出，被探测器接收用于频率分析，并将频率差值以电信号形式输出。

2.根据权利要求1所述的基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其特征在于：所述光纤激光器为窄线宽稳频红外光纤激光器，光纤激光器所发出的探测激光为光通讯用的S波段或C波段或L波段的激光。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其特征在于：光纤激光器所发出的稳频探测激光通过FC/APC端口耦合或者熔接的方式与光纤环行器的第一端口相连。

4.根据权利要求1所述的基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其特征在于：所述光纤环行器的三个端口采用不同的接口形式；第一关口端口和第三端口采用可降低噪声水平的FC/APC接口，第二端口采用FC/PC接口进行连接。

5.根据权利要求1或4所述的基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其特征在于：所有光纤的连接端口的端面均镀增透膜。

6.根据权利要求1所述的基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其特征在于：在所述激光聚焦镜上与第二端口连接处的圆周面上设有导轨，所述光纤环行器第二端口通过移动法兰与激光聚焦镜相连接，移动法兰安装到导轨上，实现在光轴方向前后移动。

7.根据权利要求1所述的基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其特征在于：所述移动法兰内安装有光纤连接器，光纤环行器第二端口通过移动法兰内光纤连接器与激光聚焦镜相连接。

8.根据权利要求1所述的基于光纤环行器的激光雷达光路系统，其特征在于：激光聚焦镜与光纤环行器相连接的另一端安装有消色差聚焦镜，消色差聚焦镜通过镜头压圈压接到激光聚焦镜的镜头上。