CN108333572B - 一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，至少包括激光扫描单元和光电接收处理单元，其特征是:激光扫描单元向雷达目标扫描发送激光编码脉宽，光电接收处理单元依据接收的激光编码脉宽回波信号确定成像位置进行成像处理。本发明可以输出多种不同宽度脉冲的高重复频率、窄脉冲宽度的固体激光器技术。以实现大幅度提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率。

Description

一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法

技术领域

本发明涉及激光搜索雷达和激光扫描雷达技术，特别是一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法。

背景技术

高重频调Q激光器是激光成像雷达或激光搜索雷达的核心部件。激光雷达已经在很多重要领域得到了广泛应用。尤其激光扫描成像雷达和激光对空搜素雷达，已经成为民用或军用的重要装备。目前激光扫描成像雷达主要用于对目标的三维测量或地形测绘，国内外已用于机载、弹载、星载等测量测绘系统中。而对空搜索激光雷达则在低空警戒和近距离(几十公里内)防卫方面具有不可替代的重要作用，获得国内外的普遍重视，已经取得了初步的应用效果。

扫描成像激光雷达或对空搜索激光雷达均采用高重频调Q脉冲激光进行空间扫描，以实现对目标的三维成像或发现空间目标。脉冲激光器的参数决定雷达的主要性能。激光的脉冲宽度决定测距的精度，脉宽越窄，测距精度越高；脉冲的重复频率决定激光雷达的扫描速率，扫描速率指单位时间雷达在空点所扫描的点数，提高激光器重频，有助于提高扫描速率，也即有助于提高雷达帧频和空间分辨率；脉冲能量决定雷达信噪比和作用距离，提高脉冲能量，有助于提高信噪比和作用距离。由于器件的限制，目前激光雷达通常采用脉冲宽度固定的调Q激光器。

采用单一脉宽激光器，激光雷达扫描速率的提高受到作用距离的严重制约。对一定作用距离的激光雷达，扫描速率的提升存在一个上限。以作用距离15公里的激光扫描雷达为例，其扫描速率的上限是10kHz。这时两个相邻激光脉冲的间隔为100us，恰好等于激光脉冲在空间往返所需要的时间。若扫描速率大于10kHz，则雷达发出的前一个激光脉冲可能还未回到探测器中，后一个激光脉冲已经发出。这时，当探测器接收到回波信号时，系统将无法判断它对应于哪一个发射脉冲，即系统无法建立激光回波信号与发射脉冲之间的一一对应关系。这会导致激光雷达不能正常工作。

雷达的作用距离越远，所允许的最大扫描速率则越小。对于作用距离为L的激光雷达，最大扫描速率f_M满足：

发明内容

本发明的目的是提供一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法。本发明可以输出多种不同宽度脉冲的高重复频率、窄脉冲宽度的固体激光器技术。以实现大幅度提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率。

本发明的目的是这样实现的，一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，至少包括激光扫描单元和光电接收处理单元，其特征是:激光扫描单元向雷达目标扫描发送激光编码脉宽，光电接收处理单元依据接收的激光编码脉宽回波信号确定成像位置进行成像处理。

所述激光编码脉宽依次间的比例在1.5-20之间。

所述激光编码脉宽个数在1-5之间。

所述的激光扫描单元向雷达目标扫描发送激光编码脉宽包括一个确认雷达目标距离的步骤。

所述的确认雷达目标距离的步骤是:

1)向雷达目标扫描发送激光脉冲；

2)依据回波确定雷达目标距离；

3)雷达目标距离是否是近距离，是，选取固定脉宽激光脉冲输出，不是，选取激光编码脉宽输出；

4)返回步骤1)。

所述的激光扫描单元包括一个可调节脉冲宽度的调Q激光器，调Q激光器中，第一全反射镜和第二全反射镜构成谐振腔，谐振腔内包括激光介质和调Q开关，所述的谐振腔内进一步包括一个声光布拉格衍射单元，一个声光衍射输出机构，第三全反射镜，声光衍射输出机构由第三全反射镜和声光布拉格衍射单元构成，由左向右传播的激光束经过布拉格衍射单元衍射形成第一部分输出光，由右向左传播的激光束经过布拉格衍射形成第二部分激光输出，该部分输出激光经过第三全反射镜反射后和第一部分输出光相汇合，构成总的输出激光，声光布拉格衍射单元构成谐振腔的激光输出率调节装置，通过调节声光衍射效率可调节输出损耗率。

所述声光布拉格衍射单元至少包括高频电源、电声换能器、声光介质、吸声材料,在高频电源作用下，声光介质内传播一定波长的超声波，此时，当入射光和超声波波前的夹角θ满足布拉格条件时，会产生布拉格衍射光，布拉格衍射光和原入射光的夹角为2θ。

所述布拉格衍射条件为：

其中，λ为光波长，λs为超声波长,布拉格衍射的效率为：

其中P_e超声功率，H,L分别为换能器的宽度和长度，λ为入射光的波长，M₂为介质的声光优值参数。

本发明的优点是：采用脉宽编码可调谐激光器，可以有效突破作用距离对雷达扫描速率的限制。通过激光脉冲宽度变化进行编码，对回波信号进行编码识别。对于激光有n个不同的脉冲宽度依次循环，则对特定的作用距离，雷达所允许的最大扫描速率将变为原来的n倍。有：

有鉴于此，本发明可以输出多种不同宽度脉冲的高重复频率、窄脉冲宽度的固体激光器技术。以实现大幅度提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明:

图1是实现本发明一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法的实施例1结构图；

图2是实现本发明一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法的实施例2结构图；

图3是激光扫描单元实施例结构示意图；

图4是声光布拉格衍射单元结构示意图；

图5某特定参数激光器脉冲宽度和谐振腔损耗率的关系曲线。

图中1、第一全反射镜；2、第二全反射镜；3、第三全反射镜；4、激光介质；5、调Q开关；6、调Q激光器；7、声光布拉格衍射单元；8、声光衍射输出机构；9、谐振腔。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，至少包括激光扫描单元和光电接收处理单元，激光扫描单元向雷达目标扫描发送激光编码脉宽TR1、TR2、TR3、TR4；TR2激光编码脉宽是TR1激光编码脉宽的1倍，TR3激光编码脉宽是TR1激光编码脉宽的2倍，TR4激光编码脉宽是TR1激光编码脉宽的3倍，光电接收处理单元依据接收的激光编码脉宽回波信号是RE1、RE2、RE3、RE4，RE4回波信号脉宽最大,其它依次是RE3、RE2、RE1,从回波的脉宽宽度能判断出发送的时间,如果发送是按上述时序发送,RE4回波信号已经与发送激光编码脉宽TR1重合,但从编码角度分析,RE1对应的是TR1,RE4对应的是TR4,不会产生信号识别错误。

实施例2

如图2所示，一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，至少包括激光扫描单元和光电接收处理单元，激光扫描单元向雷达目标扫描发送激光编码脉宽TR1、TR2、TR3；TR2激光编码脉宽是TR1激光编码脉宽的1.5倍，TR3激光编码脉宽是TR1激光编码脉宽的3倍，光电接收处理单元依据接收的激光编码脉宽回波信号是RE1、RE2、RE3，RE3回波信号脉宽最大,其它依次是RE2、RE1,从回波的脉宽宽度能判断出发送的时间,如果发送是按上述时序发送,RE3回波信号已经与发送激光编码脉宽TR1重合,但从编码角度分析,RE1对应的是TR1,RE3对应的是TR3,不会产生信号识别错误。

在实际使用时,激光扫描单元向雷达目标扫描发送激光编码脉宽包括一个确认雷达目标距离的步骤。

其步骤过程通过如下步骤给出:

2)向雷达目标扫描发送激光脉冲；

2)依据回波确定雷达目标距离；

3)雷达目标距离是否是近距离，是，选取固定脉宽激光脉冲输出，不是，选取激光编码脉宽输出；

4)返回步骤1)。

这样的方法能在近距离时，采用高频率扫描,在远距离时，采用激光编码脉宽扫描。

实施例1和实施例2说明实际上编码脉宽采用多宽或几个编码脉宽主要是依据系统设计的要求或技术确定，或激光扫描单元的技术参数确定。使用中，激光编码脉宽依次间的比例在1.5-20之间。激光编码脉宽个数在1-5之间。

如图3所示，给出实施例1和实施例2所述的激光扫描单元结构示意。

激光扫描单元包括一个可调节脉冲宽度的调Q激光器6。调Q激光器6中，第一全反射镜1和第二全反射镜2构成谐振腔9，谐振腔9内包括激光介质4和调Q开关5，所述的谐振腔内进一步包括一个声光布拉格衍射单元7，一个声光衍射输出机构8，第三全反射镜3，声光衍射输出机构8由第三全反射镜3和声光布拉格衍射单元7构成，由左向右传播的激光束经过布拉格衍射单元衍射形成第一部分输出光，由右向左传播的激光束经过布拉格衍射形成第二部分激光输出，该部分输出激光经过第三全反射镜3反射后和第一部分输出光相汇合，构成总的输出激光。声光布拉格衍射单元7构成谐振腔的激光输出率调节装置，通过调节声光衍射效率可调节输出损耗率。

如图4所示，本发明利用声光布拉格衍射装置构建激光器的输出系统，通过调节声光衍射效率改变谐振腔的输出损耗率，由此实现对调Q激光器脉冲宽度的调节。

声光布拉格衍射单元至少包括高频电源701、电声换能器702、声光介质703、吸声材料704,在高频电源701作用下，声光介质703内传播一定波长的超声波，此时，当入射光705和超声波波前的夹角θ满足布拉格条件时，会产生布拉格衍射光706，布拉格衍射光706和原入射光的夹角为2θ。

布拉格衍射条件为：

其中，λ为光波长，λs为超声波长,布拉格衍射的效率为：

其中P_e超声功率，H,L分别为换能器的宽度和长度，λ为入射光的波长，M₂为介质的声光优值参数。

由计算式(2)可以看出，通过调整超声波的功率P_e即可以实现对衍射效率的调整。在本发明中，激光器振荡光的往返输出损耗率和声光衍射效率之间的关系为

T＝2η-η² (3)

由公式(2)和(3)可见，通过调整声光介质中超声波的功率即可以实现对声光衍射效率的调整，从而实现对激光器输出损耗率的调整。

如图5所示,调Q激光器中脉冲宽度随谐振腔损耗率的变化而变化，脉冲宽度随谐振腔损耗率变化的理论曲线。

Claims (6)

1.一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，至少包括激光扫描单元和光电接收处理单元，其特征是:激光扫描单元向雷达目标扫描发送激光编码脉宽，光电接收处理单元依据接收的激光编码脉宽回波信号确定成像位置进行成像处理；所述的激光扫描单元包括一个可调节脉冲宽度的调Q激光器，调Q激光器中，第一全反射镜和第二全反射镜构成谐振腔，谐振腔内包括激光介质和调Q开关，所述的谐振腔内进一步包括一个声光布拉格衍射单元，一个声光衍射输出机构，第三全反射镜，声光衍射输出机构由第三全反射镜和声光布拉格衍射单元构成，由左向右传播的激光束经过布拉格衍射单元衍射形成第一部分输出光，由右向左传播的激光束经过布拉格衍射形成第二部分激光输出，该部分输出激光经过第三全反射镜反射后和第一部分输出光相汇合，构成总的输出激光，声光布拉格衍射单元构成谐振腔的激光输出率调节装置，通过调节声光衍射效率可调节输出损耗率；所述声光布拉格衍射单元至少包括高频电源、电声换能器、声光介质、吸声材料,在高频电源作用下，声光介质内传播一定波长的超声波，此时，当入射光和超声波波前的夹角θ满足布拉格条件时，会产生布拉格衍射光，布拉格衍射光和原入射光的夹角为2θ。

2.根据权利要求1所述的一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，其特征是:所述激光编码脉宽依次间的比例在1.5-5之间。

3.根据权利要求1所述的一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，其特征是:所述激光编码脉宽个数在1-5之间。

4.根据权利要求1所述的一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，其特征是:所述的激光扫描单元向雷达目标扫描发送激光编码脉宽包括一个确认雷达目标距离的步骤。

5.根据权利要求4所述的一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，其特征是:所述的确认雷达目标距离的步骤是:

1)向雷达目标扫描发送激光脉冲；

2)依据回波确定雷达目标距离；

3)雷达目标距离是否是近距离，是，选取固定脉宽激光脉冲输出，不是，选取激光编码脉宽输出；

4)返回步骤1)。

6.根据权利要求1所述的一种可提升激光搜索雷达和激光扫描雷达扫描速率的方法，其特征是:所述布拉格衍射条件为：

(1)

其中，λ为光波长，λs为超声波长,布拉格衍射的效率为：

其中P_e超声功率，H,L分别为换能器的宽度和长度，λ为入射光的波长，M₂为介质的声光优值参数。

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