CN108594207A - 一种基于光纤模场适配器的激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤模场适配器的激光雷达。本发明提出将光纤模场适配器用于激光雷达的望远镜中，其中，光纤模场适配器的输入端为大模场光纤端，其与光学收发模块的输出端连接，用于接收大气回波信号，而光纤模场适配器的输出端为小模场光纤，其与光学接收机连接，小模场光纤利于进行光学滤波和光信号的提取，从而降低了激光雷达的成本。本发明利于光纤模场适配器巧妙地解决了现有激光雷达对于接收信号视场角和光学数据处理的矛盾，在保证回波信号耦合效率的同时，扩大视场角，提高激光雷达性能，并能够满足光学接收机和光电探测器对小模场的要求，减小后续数据处理难度，提高了激光雷达的整体性能和应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种基于光纤模场适配器的激光雷达。
背景技术
气象激光雷达的基本原理是：出射激光脉冲与大气相互作用，采用光学天线收集大气后向散射信号后输入光学接收机，经光电探测和数据处理后，得出一系列关键大气参数。诸如气溶胶浓度、PM2.5值、云高、温度、湿度、能见度、大气成分(如水汽、各种污染气体)等。
激光雷达要求接收望远镜的视场角大于发射激光的发散角。本发明的发明人发现，在激光雷达设计时，为了满足上述要求，一方面需减小发射激光的发散角，这可以通过增大发射望远镜的焦距，以提高扩束倍率来实现；另外一方面需增大接收望远镜的视场角，这可以通过减小望远镜的焦距或者增大耦合光纤的模场面积来实现。
本发明的发明人发现，增大发射望远镜的焦距会带来望远镜模块体积的增大，并且由于增大焦距，激光光束更容易受到震动和环境温湿压变化的影响，从而降低系统的稳定性。而在接收望远镜端，当耦合光纤的数值孔径NA一定时，减小望远镜的焦距，将造成接收望远镜的有效接收面积的减小，从而降低激光雷达的探测性能；如果采用大模场光纤耦合，则后续的光信号处理需采用大模场光纤，这大大提高了光信号探测和处理的难度，有些光学接收机无法使用大模场光纤工作，另外，多模光电探测器也存在代价高、性能差的问题。因此，大模场光纤限制了某些激光雷达，尤其是测风激光雷达、退偏振激光雷达和测温激光雷达的应用。这些缺陷，极大地限制了激光雷达的发展。
发明内容
本发明的发明人经过研究发现：通过采用光纤模场适配器，可实现从大模场光纤到小模场光纤的转换。
本发明的目的之一在于，提供一种基于光纤模场适配器的激光雷达，相比于目前使用的激光雷达的耦合装置，具有接收望远镜视场大，收发望远镜系统小巧，光信号探测和处理。
为实现以上目的，本发明提供以下技术方案：一种基于光纤模场适配器的激光雷达，包括：光源模块、光学收发模块、光纤模场适配器、光学接收机、信号采集模块和信号处理模块；其中：
所述光源模块包括激光器单元和激光放大器，所述激光器单元用于输出激光脉冲；所述激光放大器用于放大所述激光器单元输出的激光脉冲；
所述光学收发模块用于接收激光放大器输出的激光光束，并将接收的激光光束入射至探测目标，并接收所述探测目标后向散射的回波信号；
所述光纤模场适配器用于实现回波信号从大模场光纤端到小模场光纤端的转换，所述光纤模场适配器包括大模场光纤端和小模场光纤端，所述大模场光纤端的模场面积大于所述小模场光纤端的模场面积；所述的大模场光纤端与光学收发模块的输出端连接，所述小模场光纤端与光学接收机连接；
所述光学接收机用于接收和处理所述回波信号，以提取所述回波信号携带的光学信息；
所述信号采集模块用于采集光学接收机输出的光信号；
所述信号处理模块用于处理信号采集模块采集的电信号，并根据预设的算法获得目标参数信息。
进一步的，所述激光器单元包括连续光激光器和激光脉冲发生器；所述连续光激光器的输出端与激光脉冲发生器的输入端连接，激光脉冲发生器的输出端与激光放大器的输入端连接，激光放大器的输出端与光学收发模块的输入端连接，光学收发模块的输出端与光纤模场适配器的输入端连接。
进一步的，所述激光器单元包括脉冲激光器；所述脉冲激光器的输出端与激光放大器的输入端连接，激光放大器的输出端与光学收发模块的输入端连接，光学收发模块的输出端与光纤模场适配器的输入端连接。
进一步的，所述光学收发模块包括激光发射模块和信号接收模块，所述激光发射模块用于将接收的激光光束入射至探测目标，所述信号接收模块用于接收所述探测目标后向散射的回波信号；所述信号接收模块的输出端与光纤模场适配器的大模场光纤端连接；所述光纤模场适配器的大模场光纤端为输入端，小模场光纤端为输出端。
进一步的，所述光学收发模块包括环形器和收发望远镜，所述环形器的输入端与脉冲发生器的输出端连接，所述环形器的收发端与收发望远镜连接，所述环形器的输出端与光纤模场适配器的大模场光纤端连接；所述光纤模场适配器的大模场光纤端为输入端，小模场光纤端为输出端。
进一步的，所述光纤模场适配器的大模场光纤端为多模光纤，光纤模场适配器的小模场光纤端为单模光纤。
进一步的，所述光纤模场适配器为保偏型模场适配器或非保偏型模场适配器。
进一步的，所述光纤模场适配器的大模场光纤端的光纤芯径为62.5um，数值孔径NA为0.275；所述光纤模场适配器的小模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
进一步的，所述光纤模场适配器的大模场光纤端的光纤芯径为30um，数值孔径NA为0.07；所述光纤模场适配器的小模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
进一步的，所述光纤模场适配器的大模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125，所述光纤模场适配器的小模场光纤端的光纤芯径为5.3um，数值孔径NA为0.14。
进一步的，所述的目标包括硬目标、大气和海洋。
本发明提供的基于光纤模场适配器的激光雷达具有如下有益效果：
(1)本发明通过设置光纤模场适配器，利用光纤模场适配器的大模场光纤端接收大气回波信号，通过增大光纤模场显著提高了回波信号的耦合效率、扩大了接收视场角、并能降低激光雷达对望远镜的面型要求。采用大模场光纤端接收大气回波信号，不需要减小接收望远镜的焦距，从而有力地保证接收望远镜的有效接收面积，提高激光雷达的探测性能。另外，由于接收视场明显增大，还能够有效地降低对发射望远镜焦距的要求，减小发射望远镜的焦距，进而减小望远镜模块的体积，使激光光束不容易受到震动和环境温湿压变化的影响，从而从整体上提高激光雷达系统的稳定性。
(2)本发明利用光纤模场适配器的小模场光纤端连接到光学接收机，后续的光信号处理均可采用小模场光纤，小模场光纤的使用能够明显降低光信号探测和处理的难度。特别是，对于部分激光雷达的光学接收机，如测风激光雷达、退偏振激光雷达和测温激光雷达等对光纤模场的限制非常严格，只能采用特定的小模场光纤才能工作。本发明利于光纤模场适配器巧妙地解决了现有激光雷达对于接收信号视场角和光学数据处理的矛盾，在保证回波信号耦合效率的同时，扩大视场角，提高激光雷达性能，并能够满足光学接收机和光电探测器对小模场的要求，减小后续数据处理难度，提高了激光雷达的整体性能和应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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它附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于光纤模场适配器的激光雷达的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种基于光纤模场适配器的激光雷达的另一结构框图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
下面的描述中，为描述的清楚和简明，并没有对图中所示的所有多个部件进行描述。附图中示出了多个部件为本领域普通技术人员提供本发明的完全能够实现的公开内容。对于本领域技术人员来说，许多部件的操作都是熟悉而且明显的。
本文中，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”的方位术语是相对于附图中的激光雷达安装使用后的方位或者相对附图中所示的方位来定义的，并且，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据激光雷达所置放的方位的变化而相应地发生变化。
实施例1：
图1是本发明实施例提供的一种基于光纤模场适配器的激光雷达的结构框图，如图1所示：包括：光源模块1、光学收发模块2、光纤模场适配器3、光学接收机4、信号采集模块5和和信号处理模块6；其中：
所述光源模块1包括激光器单元11和激光放大器12，所述激光器单元11用于输出激光脉冲；所述激光放大器12用于放大所述激光器单元11输出的激光脉冲。
在一个实施例中，所述激光器单元11包括连续光激光器和激光脉冲发生器；所述连续光激光器的输出端与激光脉冲发生器的输入端连接，激光脉冲发生器的输出端与激光放大器12的输入端连接，激光放大器12的输出端与光学收发模块2的输入端连接，光学收发模块2的输出端与光纤模场适配器3的输入端连接。
作为可替换的方案，在本发明的另一实施例中，所述激光器单元11包括脉冲激光器；所述脉冲激光器的输出端与激光放大器12的输入端连接，激光放大器12的输出端与光学收发模块2的输入端连接，光学收发模块2的输出端与光纤模场适配器3的输入端连接。
所述光学收发模块2用于接收激光放大器输出的激光光束，并将接收的激光光束入射至探测目标，并接收所述探测目标后向散射的回波信号；
所述光纤模场适配器3用于实现回波信号从大模场光纤端31到小模场光纤端32的转换，所述光纤模场适配器3包括大模场光纤端31和小模场光纤端32，所述大模场光纤端31的模场面积大于所述小模场光纤端32的模场面积；所述的大模场光纤端31与光学收发模块2的输出端连接，所述小模场光纤端32与光学接收机4连接。
光纤模场适配器3的输入端为大模场光纤端31，输出端为小模场光纤端32。
所述光学接收机4用于接收和处理所述回波信号，以提取所述回波信号携带的光学信息。
所述信号采集模块5用于采集光学接收机4输出的光信号。信号采集模块5可以包括光电探测器。
所述信号处理模块6用于处理信号采集模块5采集的电信号，并根据预设的算法获得目标参数信息。信号处理模块6包括计算机或具有数据运算处理功能的软硬件。
光学接收器4可以包括滤光器和光学鉴频器，例如分子吸收线、Fabry-Perot干涉仪(FPI)、Michelson干涉仪、光栅、棱镜、Mach-Zehnder干涉仪(MZI)、Fizeau干涉仪或微纳腔、光纤布拉格光栅FBG。光学鉴频器对于光纤的模场有严格的要求，一般要求单模光纤。单模光电探测器相对于多模光电探测器，成本低、性能好。
光纤传输信号光时，模场直径(MFD)和数值孔径(NA)是重要的两个描述光纤容纳信号的能力。模场(ModeField)的直径，即模场直径(MFD，ModeFieldDiameter)，用来表征在单模光纤的纤芯区域基模光的分布状态。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱。一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/e2的各点中两点最大距离。模场直径的大小与所使用的波长有关系，随着波长的增加模场直径增大。1310nm典型值：9.2±0.5μm，1550nm典型值：10.5±1.0μm。在光纤中，光能量不完全集中在纤芯中传输，部分能量在包层中传输，纤芯的直径不能反映光纤中光能量的分布，其具有模场直径的概念。模场直径就是描述单模光纤中光能集中程度的参量，有效面积与模场直径的物理意义相同。通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。模场直径与有效面积主要对通过光纤的能量密度有关。模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成系统的光信噪比降低，大大影响系统性能。因此，对于传输光纤而言，模场直径(或有效面积)越大越好。但是，对于光信号处理而言，则需要非常小的模场直径。
光纤模场适配器，也称为模场适配器(MFA,Mode FieldAdaptor)，可以使两种具有不同模场直径和数值孔径的光纤熔接在一起，并使基模信号在熔接点处得到最大限度的透过率。
如图1所示，所述光学收发模块2包括激光发射模块21和信号接收模块22，所述激光发射模块21用于将接收的激光光束入射至探测目标，所述信号接收模块22用于接收所述探测目标后向散射的回波信号；所述信号接收模块22的输出端与光纤模场适配器的大模场光纤端31连接；所述光纤模场适配器的大模场光纤端31为输入端，小模场光纤端32为输出端。具体的，激光发射模块21可以是发射望远镜，所述信号接收模块为接收望远镜，光纤模场适配器的大模场光纤端31设置在信号接收模块22的焦点位置。
当光学收发模块2包括激光发射模块21和信号接收模块22时，及激光雷达为收发分轴式结构，采用光纤模场适配器，能更好地实现接收望远镜的视场角大于发射激光的发散角。
在另一个可选的实施例中，如图2所示，所述光学收发模块2包括环形器23和收发望远镜24，环形器23优选为光纤环形器23，光纤环形器23包括三个端口：输入端、收发端和输出端；所述环形器23的输入端与脉冲发生器的输出端连接，所述环形器23的收发端与收发望远镜24连接，所述环形器23的输出端与光纤模场适配器的大模场光纤端31连接；所述光纤模场适配器的大模场光纤端31为输入端，小模场光纤端32为输出端。具体的，所述环形器23的收发端设置在收发望远镜24的焦点处。
在一个可选的实施例中，所述光纤模场适配器3的大模场光纤端31为多模光纤，光纤模场适配器3的小模场光纤端32为单模光纤。当然，在其他的实施例中，光纤模场适配器3的大模场光纤端31和光纤模场适配器3的小模场光纤端32可以都是多模光纤，或者，光纤模场适配器3的大模场光纤端31和光纤模场适配器3的小模场光纤端32都是单模光纤；只要满足光纤模场适配器3的大模场光纤端31的模场面积大于光纤模场适配器3的小模场光纤端32的模场面积，均适用于本发明。
进一步的，所述光纤模场适配器3为保偏型模场适配器或非保偏型模场适配器。当光纤模场适配器3为保偏型模场适配器时，光学接收机接收到的是偏振光信号，当光学接收机包括干涉仪时，偏振光能够保证光学接收机正常工作。
所述激光发射模块21和信号接收模块22可以采用收发分轴结构，也可以为收分同轴结构，满足信号接收模块22的视场角大于激光发射模块21出射激光的视场角即可。
由于所述光纤模场适配器3增大了信号接收模块22的视场角，从而也降低了激光发射模块21需要的扩束倍率，或者缩短了激光发射模块21的焦距，提高了系统稳定性。
所述的光纤模场适配器3的输入端为大模场光纤，其与信号接收模块22连接，增大了信号接收模块22的视场角。
所述的光纤模场适配器3的输入端为小模场光纤，其与光学接收机4连接，从而完成光学滤波和光信号提取。
在本发明的一个实施例中，所述光纤模场适配器3的大模场光纤端31的光纤芯径为62.5um，数值孔径NA为0.275；所述光纤模场适配器3的小模场光纤端32的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
在本发明的一个实施例中，所述光纤模场适配器3的大模场光纤端31的光纤芯径为30um，数值孔径NA为0.07；所述光纤模场适配器3的小模场光纤端32的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
在本发明的一个实施例中，所述光纤模场适配器3的大模场光纤端31的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125，所述光纤模场适配器3的小模场光纤端32的光纤芯径为5.3um，数值孔径NA为0.14。
当然，本发明的光纤模场适配器3的大模场光纤端31的模场直径和数值孔径NA还可以是其他数值，只要满足光纤模场适配器3的大模场光纤端31的模场面积大于光纤模场适配器3的小模场光纤端32的模场面积，均适用于本发明。
进一步的，所述的目标包括硬目标、大气和海洋。
本发明提供的基于光纤模场适配器的激光雷达具有如下有益效果：
(1)本发明通过设置光纤模场适配器，利用光纤模场适配器的大模场光纤端接收大气回波信号，通过增大光纤模场显著提高了回波信号的耦合效率、扩大了接收视场角、并能降低激光雷达对望远镜的面型要求。采用大模场光纤端接收大气回波信号，不需要减小接收望远镜的焦距，从而有力地保证接收望远镜的有效接收面积，提高激光雷达的探测性能。另外，由于接收视场明显增大，还能够有效地降低对发射望远镜焦距的要求，减小发射望远镜的焦距，进而减小望远镜模块的体积，使激光光束不容易受到震动和环境温湿压变化的影响，从而从整体上提高激光雷达系统的稳定性。
(2)本发明利用光纤模场适配器的小模场光纤端连接到光学接收机，后续的光信号处理均可采用小模场光纤，小模场光纤的使用能够明显降低光信号探测和处理的难度。特别是，对于部分激光雷达的光学接收机，如测风激光雷达、退偏振激光雷达和测温激光雷达等对光纤模场的限制非常严格，只能采用特定的小模场光纤才能工作。本发明利于光纤模场适配器巧妙地解决了现有激光雷达对于接收信号视场角和光学数据处理的矛盾，在保证回波信号耦合效率的同时，扩大视场角，提高激光雷达性能，并能够满足光学接收机和光电探测器对小模场的要求，减小后续数据处理难度，提高了激光雷达的整体性能和应用范围。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，包括：光源模块、光学收发模块、光纤模场适配器、光学接收机、信号采集模块和信号处理模块；其中：
所述光源模块包括激光器单元和激光放大器，所述激光器单元用于输出激光脉冲；所述激光放大器用于放大所述激光器单元输出的激光脉冲；
所述光学收发模块用于接收激光放大器输出的激光光束，并将接收的激光光束入射至探测目标，并接收所述探测目标后向散射的回波信号；
所述光纤模场适配器用于实现回波信号从大模场光纤端到小模场光纤端的转换，所述光纤模场适配器包括大模场光纤端和小模场光纤端，所述大模场光纤端的模场面积大于所述小模场光纤端的模场面积；所述的大模场光纤端与光学收发模块的输出端连接，所述小模场光纤端与光学接收机连接；
所述光学接收机用于接收和处理所述回波信号，以提取所述回波信号携带的光学信息；
所述信号采集模块用于采集光学接收机输出的光信号；
所述信号处理模块用于处理信号采集模块采集的电信号，并根据预设的算法获得目标参数信息。
2.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述激光器单元包括连续光激光器和激光脉冲发生器；所述连续光激光器的输出端与激光脉冲发生器的输入端连接，激光脉冲发生器的输出端与激光放大器的输入端连接，激光放大器的输出端与光学收发模块的输入端连接，光学收发模块的输出端与光纤模场适配器的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述激光器单元包括脉冲激光器；所述脉冲激光器的输出端与激光放大器的输入端连接，激光放大器的输出端与光学收发模块的输入端连接，光学收发模块的输出端与光纤模场适配器的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括激光发射模块和信号接收模块，所述激光发射模块用于将接收的激光光束入射至探测目标，所述信号接收模块用于接收所述探测目标后向散射的回波信号；所述信号接收模块的输出端与光纤模场适配器的大模场光纤端连接；所述光纤模场适配器的大模场光纤端为输入端，小模场光纤端为输出端。
5.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述光学收发模块包括环形器和收发望远镜，所述环形器的输入端与脉冲发生器的输出端连接，所述环形器的收发端与收发望远镜连接，所述环形器的输出端与光纤模场适配器的大模场光纤端连接；所述光纤模场适配器的大模场光纤端为输入端，小模场光纤端为输出端。
6.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述光纤模场适配器的大模场光纤端为多模光纤，光纤模场适配器的小模场光纤端为单模光纤。
7.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述光纤模场适配器为保偏型模场适配器或非保偏型模场适配器。
8.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述光纤模场适配器的大模场光纤端的光纤芯径为62.5um，数值孔径NA为0.275；所述光纤模场适配器的小模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
9.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述光纤模场适配器的大模场光纤端的光纤芯径为30um，数值孔径NA为0.07；所述光纤模场适配器的小模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125。
10.根据权利要求1所述的基于光纤模场适配器的激光雷达，其特征在于，所述光纤模场适配器的大模场光纤端的模场直径为10.1um，数值孔径NA为0.125，所述光纤模场适配器的小模场光纤端的光纤芯径为5.3um，数值孔径NA为0.14。
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