CN107807363B - 一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置及增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，该装置用于接收发射激光的激光回波或后向散射光，包括沿激光回波的光路走向在一光轴上依次排布的望远镜、增益泵浦放大模块、声光偏转调制器、小孔光阑、准直镜和探测器。本发明采用声光偏转调制器，从而实现对激光回波与大气后向散射的分离，实现对大气后向散射光的规避；同时采用增益泵浦放大模块实现对激光回波的光放大，增强了激光回波强度，减弱了后向散射光的噪声，提高了信噪比。

Description

一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置及增强方法
技术领域
本发明属于激光测距领域，更具体地讲，涉及一种用于太空碎片测距系统的激光回波光放大及信噪比增强装置和增强方法。
背景技术
随着空间技术的进步，人类进入和平太空的活动也不断增强，但是也产生了越来越多的太空碎片，太空碎片是指除正常工作的航天器外所有在轨的人造物体，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间碰撞产生的碎片等，也称“空间垃圾”。目前太空中毫米级以上的太空碎片数以亿计，总数量达到几千吨，全球已经向空中发射了6500多枚航天器，废弃卫星达到5000多颗，这些卫星随时有可能坠入地球。厘米级以上的太空碎片可以导致航天器彻底损坏，而毫米级或微米级太空碎片的撞击累计效应将导致航天器性能下降或者功能失效。太空碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全，太空碎片的不断产生对有限的轨道资源也构成了严重的威胁。同时，太空碎片的陨落也将对地面人员与财产安全造成严重威胁。中国是空间大国，今后的空间活动将越来越多，特别是国内要发展载人航天和天基信息网，为了航天活动的安全和持续地开发利用空间资源，就必须不断发展对太空碎片跟踪监视的新技术，增强对太空碎片环境的分析预警能力。
太空碎片大概分布在离地面几百至几千公里的太空中，甚至更高的轨道。在激光测距系统，激光入射至太空碎片上，绝大情况为漫反射，即太空碎片对于地面发射激光的反射是各个方向的，导致太空碎片反射的激光反射到地面上的分布面积比较大，激光光子数密度极低，激光回波信号特别微弱。
单光子探测器能够实现对单个光子的响应，灵敏度高，很适合微弱光信号的接收，通常将其作为激光回波信号的接收器，实现远距离激光回波信号的探测。一方面由于太空碎片反射回来的激光回波信号特别微弱，很容易被背景噪声或激光大气散射光覆盖，信噪比比较低，增大了探测难度。另一方面，单光子探测器其工作时，当其探测到一个光子的时候，其就停止工作，后续光子将探测不到，而激光在大气传输过程中，受大气后向散射的影响，散射回来的光将经望远镜系统至单光子探测器，容易对太空碎片反射回来的激光回波造成干扰，导致后续的激光回波入射至探测器上时，探测器已经停止工作了，探测概率大大减弱，增大了太空碎片反射激光回波的探测难度；同时，当后向散射返回的光子数达到一定值时，容易造成单光子探测器的损坏，这样为了避免单光子探测器的损坏，发射激光的强度以及有效测量卫星的天气时间就受到了限制。也就使得太空碎片激光回波很难通过增强激光发射功率实现信号增强。
为充分的提高激光回波信号，一般采用电子电路的方法提高对激光回波的识别能力。赵子任，吕勇，牛春晖在2014年电子测量技术期刊第37卷第3期《基于锁定放大的激光回波探测系统》中将PIN光电二极管探测到的激光回波由前置放大电路和二级放大电路转换为电压信号并放大，再经带通滤波器滤除带外噪声，最后通过相敏检波电路，转换为与回波光强成正比的直流电压信号输出，抑制噪声，被测信号的信噪比得以改善。
同年安微奇瑞汽车股份有限公司公开了一种激光测距系统的回波信号放大电路(申请号201410298976.1)。该放大电路采用高带宽，高信噪比，高输入阻抗放大器，保证了光电转换后的回波信号不会淹没在噪声中。
以上两项技术均是从电子电路放大方面对激光回波信号进行处理增强信号的探测。电子电路对激光回波信号的放大，只是对激光回波光电转换的电信号进行放大的，受制于激光回波的强度，当激光回波的强度十分微弱的时候，达不到光电转换的转换临界要求时，很难探测到激光回波光信号，同时当背景光噪声比较强的时候，激光回波光信号被淹没在光噪声中，光电转换的电信号不是真实的激光回波信号，探测激光回波信号的失真度比较大。
在重庆邮电大学2010年公开的专利(申请号201010574638.8)中，公开了一种中继光放大的合作目标激光测距方法及装置，该装置采用在被测合作目标上采用光放大器对测距激光信号进行中继光放大，然后再向测距站返回放大了的光信号，克服了远距离激光测距中发射激光功率不足的弱点，特别是在远距离卫星激光测距或月球测距应用中。采用合作目标(卫星)中继光放大的方式，激光在合作目标(卫星)得到增强，提高了激光回波信号的强度，但由合作目标(卫星)携带光放大器以实现对激光信号的放大，占据了合作目标自身的体积、重量、功耗，增大了合作目标的成本，结构要求复杂，特别是卫星的成本，而且对于太空碎片这种不可控的非合作目标，一般不可能携带中继光放大系统。同时单采用中继光放大的方式对于地面接受的后向散射等噪声光得不到避免。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，以在实现信噪比增强的同时实现后向散射规避。
本发明采用技术方案如下：
本发明提供了一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，该装置用于接收发射激光的激光回波或后向散射光，包括沿激光回波的光路走向在一光轴依次排布的望远镜、增益泵浦放大模块、声光偏转调制器、小孔光阑和探测器。
由此，本发明提供的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置具有以下
有益效果：
为实现激光回波与后向散射光以及泵浦增益模块荧光的分离，本发明采用声光偏转调制器与小孔光阑，当激光回波通过时，声光偏转调制器不工作，激光回波透过小孔，进准直镜入射至探测器上，信号被探测，当后向散射光与荧光通过时，声光偏转调制器工作，后向散射光与荧光绝大部分发生偏移，只有十分弱的一部分进准直镜，探测器不会探测到该信号，从而声光偏转调制器实现对激光回波与大气后向散射的分离，实现对大气后向散射光的规避；同时采用增益泵浦放大模块实现对激光回波的光放大，增强了激光回波强度，减弱了后向散射光的噪声，提高了信噪比。
优选地，所述小孔光阑上设有由所述光轴贯穿的小孔，且所述小孔光阑位于望远镜的焦平面上。
优选地，所述小孔光阑的小孔孔径的调节范围为100um～2mm。
所述声光偏转调制器对光的偏转效率大于85％，且所述激光的激光回波的波长位于所述声光偏转调制器的工作波长的范围内。
小孔光阑和探测器之间的光轴上设有一准直镜，该准直镜设置为将光准直为平行光。
优选地，所述望远镜、增益泵浦放大模块、声光偏转调制器、准直镜、探测器的光学元件上均镀有与激光回波光波段相一致的高透膜。
优选地，所述探测器为光电探测器。
优选地，所述探测器为单光子探测器。
本发明还提供了一种采用权利要求1所述激光回波信号信噪比增强装置增强该信噪比的方法，包括：步骤S1：发射一激光脉冲至一待测物体，该待测物体反射激光回波或发生后向散射；步骤S2：在激光脉冲发射完毕后到预期的激光回波时刻前，开启声光偏转调制器，望远镜接收所述激光脉冲的后向散射光，所述后向散射光沿望远镜光路传播至所述光轴上，并沿光轴依次透过增益泵浦放大模块和声光偏转调制器，在透过声光偏转调制器后偏移该光轴至小孔光阑的屏障上；步骤S3：在预期的激光回波入射时刻附近，关闭所述声光偏转调制器，使得所述望远镜接收所述激光脉冲的激光回波，该激光回波沿光轴依次透过增益泵浦放大模块、声光偏转调制器和小孔光阑上的小孔入射至所述探测器。
优选地，所述探测器为单电子探测器，且所述步骤S3还包括：在所述探测器测得所述激光回波后，开启声光偏转调制器，使得返回的入射光重复步骤S2所述的光路传播。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的一个优选实施例的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置的结构示意图，其中声光偏转调制器不工作；
图2是如图1所示的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置的结构示意图，其中声光偏转调制器工作；
图3是如图1所示的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置的声光偏转调制器的工作原理图；
图4是如图1所示的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置的声光偏转调制器开关状态的时序图；
图5是如图1所示的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置的增益泵浦模块的工作原理图；
附图标记：
10-激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，1-望远镜，2-增益泵浦模块，3-声光偏转调制器；4-小孔光阑；5-准直镜；6-探测器。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本发明的功能、特点。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置10，该装置位于地表，包括沿光路的走向在一条水平光轴I依次排布的望远镜1、增益泵浦放大模块2、声光偏转调制器3、小孔光阑4、准直镜5和探测器6。激光从地表发射，在大气中传输发生后向散射，后向散射光由该装置接收，或发射至一太空碎片，经该太空碎片反射激光回波，并由该地表的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置10接收。后向散射光和激光回波均经由望远镜1接收并光沿同一个望远镜光路传播至该水平光轴I上。图1所示为在声光偏转调制器3不工作时，激光回波以水平光轴I为中心轴，依次透过增益泵浦放大模块2、声光偏转调制器3、小孔光阑4上的小孔和准直镜5入射至探测器6。
再请参阅图2，为如图1所示的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，其中声光偏转调制器3工作。后向散射光沿水平光轴I依次透过增益泵浦放大模块2、声光偏转调制器3，后向散射光透射穿过该声光偏转调制器3后偏移该水平光轴I至小孔光阑4的屏障上，从而无法入射至探测器6上。
在本实施例中，小孔光阑4为不透光的屏障，其上设有由水平光轴I贯穿的小孔，且所述小孔光阑4位于望远镜1的焦平面上，使得激光回波经由望远镜1以会聚的方式并透过所述增益泵浦放大模块2和声光偏转调制器3，聚焦在小孔光阑4上的小孔上，即小孔光阑4上的小孔位于光路的焦点上，从而激光回波能够穿透该小孔光阑4；且使得仅仅只有以该小孔为焦点的光能够通过该小孔光阑4的小孔，由此阻挡了增益泵浦模块2的自发辐射荧光激光波段的光。所述小孔光阑的小孔孔径能电动进行调节，调节范围可从100um～2mm。准直镜5与望远镜1相匹配，将沿光路传播的光准直为平行光，以实现对望远镜会聚光束经小孔光阑4的小孔后的发散光进行准直平行输出。所述探测器为单光子探测器或其他光电探测器，能够实现对单个光子的探测或微弱光信号的探测，具有很高的灵敏性。优选地，所述望远镜1、增益泵浦放大模块2，声光偏转调制器3、准直镜4、探测器6的光学元件的平面上均镀有与激光光波段相一致的高透膜。
再请参见图3，为声光偏转调制器3的工作原理。声光偏转调制器3采用具有声光效应的材料制成，设置为在工作时，即声波在该材料中通过时，使得穿过材料的光发生衍射，分成多路光束，大部分光强偏移原光路至小孔光阑4的屏障上，从而无法入射至探测器6上。而。声光偏转调制器3在不工作时，光路不发生偏移，入射到其表面的光直接沿直线透过小孔光阑4上的小孔。优选地，所述声光偏转调制器3对光路的偏转效率大于85％，对激光回波无偏振要求，且所述激光回波的波长位于所述声光偏转调制器3的工作波长的范围内。偏移效率的定义为1-n，其中，n为在声光偏移调制器工作时偏移光路剩下的光强与被偏移光路未经声光偏移调制时原始光强之比。
再请参阅图4，为声光偏转调制器3的开关状态的时序图。在从地表发射一激光脉冲后，后向散射光将比卫星反射激光脉冲回波先返回地表，经由激光测距的激光回波信号信噪比增强装置10的望远镜1接收，声光偏转调制器3设置为仅仅在预期的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置10接收卫星反射激光回波时刻附近的时间范围内工作。由此，望远镜1在接收激光回波信号时，声光偏转调制器不工作，激光回波完全透过小孔光阑；后向散射光到来时，声光偏转调制器工作，绝大部分后向散射光偏移原来光路，不能透过小孔光阑。
由此，本发明提供的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置将激光回波进行放大，声光偏转调制器实现对激光回波与大气后向散射规避的控制，实现对激光回波的增强及大气后向散射光的规避，增强了激光回波强度，减弱了后向散射光的噪声，提高了信噪比。
再请参阅图5，为增益泵浦模块2的工作原理图。增益泵浦模块在工作时，激光回波的波长与增益泵浦模块2的受激辐射激光介质的吸收峰在光谱上相匹配，即在光谱上重合，从而发生粒子数反转，存贮能量。其中，激光回波光子的能量为E0，且E0＝hν，h为普朗克常数，ν为激光的频率。E1为受激辐射激光介质内受激电子所处的低能级，E2为受激辐射激光介质内受激电子所处高能级，E0、E1、E2有E0＝E2-E1即从电子在入射光子的受激下从高能级跃迁至低能级，辐射出一个能量为E0＝hν的光子，此光子的能量与入射光子的频率，相位等完全一致。由此，当激光回波信号通过时，反转粒子数将在激光回波的信号光子下受激辐射释放出与激光回波信号的信号光子相位、频率等完全一致的光子，激光回波信号的信号光子数放大增多，激光回波信号增强。泵浦增益模块为一种激光光放大器，所采用的泵浦增益模块为激光放大技术中较常见的器件设备，能保证放大后的光与放大前的光完全的一致，即激光回波经泵浦增益模块放大后，激光回波信号只是信号的增强，不改变信号的波形，信号的频率等其他内容。优选地，所述增益泵浦放大模块2具有很强的增益系数，其对光子的放大倍率＞2，甚至实现数量级的放大，使得激光回波信号通过增益泵浦模块2时，能通过受激辐射实现激光回波的放大。此外，根据本发明所提供的激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，本发明还提供了一种采用权利要求1所述激光回波信号信噪比增强装置10增强该信噪比的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：从地表发射一激光脉冲至一待测物体，该待测物体反射激光回波或发生后向散射；
步骤S2：在预期的激光回波时刻前，开启声光偏转调制器3，望远镜1接收所述激光脉冲的后向散射光，所述后向散射光沿望远镜光路传播至所述水平光轴I上，并沿水平光轴I依次透过增益泵浦放大模块2和声光偏转调制器3，在透过声光偏转调制器3后偏移该水平光轴I至小孔光阑4的屏障上；
步骤S3：在预期的激光回波入射时刻附近，关闭所述声光偏转调制器3，使得所述望远镜1接收所述激光脉冲的激光回波，该激光回波沿水平光轴I依次透过增益泵浦放大模块2、声光偏转调制器3和小孔光阑4上的小孔入射至所述探测器6。其中，探测器6为单电子探测器，且在探测器6测得所述激光回波后，需要开启声光偏转调制器3，使得返回的入射光重复步骤S2所述的光路传播。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种激光回波信号信噪比增强方法，其特征在于，包括：
步骤S1：发射一激光脉冲至一待测物体，该待测物体反射激光回波或发生后向散射；
步骤S2：在预期的激光回波时刻前，开启声光偏转调制器(3)，望远镜(1)接收激光脉冲的后向散射光，后向散射光沿望远镜光路传播至光轴(I)上，并沿光轴(I)依次透过增益泵浦放大模块(2)和声光偏转调制器(3)，在透过声光偏转调制器(3)后偏移该光轴(I)至小孔光阑(4)的屏障上；
步骤S3：在预期的激光回波入射时刻附近，关闭声光偏转调制器(3)，使得望远镜(1)接收激光脉冲的激光回波，该激光回波沿光轴(I)依次透过增益泵浦放大模块(2)、声光偏转调制器(3)和小孔光阑(4)上的小孔入射至探测器(6)。
2.根据权利要求1所述的激光回波信号信噪比增强方法，其特征在于，步骤S3还包括：在探测器(6)测得激光回波后，开启声光偏转调制器(3)，使得返回的入射光重复步骤S2的光路传播。
3.一种用于实施权利要求1或2所述的激光回波信号信噪比增强方法的增强装置，其特征在于，该装置(10)用于接收发射激光的激光回波或后向散射光，包括沿激光回波的光路走向在一光轴(I)上依次排布的望远镜(1)、增益泵浦放大模块(2)、声光偏转调制器(3)、小孔光阑(4)和探测器(6)。
4.根据权利要求3所述的增强装置，其特征在于，所述小孔光阑(4)上设有由所述光轴(I)贯穿的小孔，且所述小孔光阑(4)位于望远镜(1)的焦平面上。
5.根据权利要求4所述的增强装置，其特征在于，所述小孔光阑(4)的小孔孔径的调节范围为100um～2mm。
6.根据权利要求3所述的增强装置，所述声光偏转调制器(3)对光的偏转效率大于85％。
7.根据权利要求3所述的增强装置，其特征在于，小孔光阑(4)和探测器(6)之间的光轴(I)上设有一准直镜(5)，该准直镜(5)设置为将光准直为平行光。
8.根据权利要求7所述的增强装置，其特征在于，所述望远镜(1)、增益泵浦放大模块(2)、声光偏转调制器(3)、准直镜(5)、探测器(6)的光学元件上均镀有与激光回波光波段相一致的高透膜。
9.根据权利要求3所述的增强装置，其特征在于，所述探测器(6)为光电探测器。
10.根据权利要求9所述的增强装置，其特征在于，所述探测器(6)为单光子探测器。
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