CN108646230B - 一种混合式多普勒激光雷达及其使用方法 - Google Patents

一种混合式多普勒激光雷达及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混合式多普勒激光雷达及其使用方法，包括：激光光源，光学分束器，光学调制器，光学放大器，环形器，光学收发单元，平衡探测器，信号采集装置和计算机，其中光学收发单元包括脉冲光路和连续光路两部分，交替发射脉冲光和连续光进行探测。本发明的多普勒激光雷达探测盲区小，而且操作简单，不用调焦，探测速度快且秒级有效数据多。

Description

一种混合式多普勒激光雷达及其使用方法
技术领域
本发明涉及多普勒激光雷达技术领域，特别涉及多普勒激光雷达中多模式探测的设备和方法。
背景技术
多普勒激光雷达具有安装简单、精度高和功耗低等优点，其在风电、民航等领域已取得了广泛的应用。多普勒激光雷达主要工作流程为：首先，由激光器产生单色、相干的信号光，并通过望远镜发射到大气中；然后，由望远镜接收气溶胶后向散射信号，在平衡探测器中与本振光混频至中频信号；最后，采用信号处理装置处理得到气溶胶的多普勒信息，并进一步由数据处理模块得到气象情况的反演结果。
常见的多普勒激光雷达有两种工作模式，分别为DBS(Doppler Beam Swinging)模式和VAD(Velocity Azimuth Display)模式。DBS模式多采用脉冲信号的形式，由激光发射单元发射连续激光，声光调制器斩波、移频至脉冲激光，进入放大器后放大。通过环形器进入光收发单元，光收发单元将光束发射以不同方向角发射到探测空间中，不同高度的回波信号反向沿着相同的光路经环形器进入探测器。VAD模式多采用连续光的形式：由激光发射单元发射连续激光，经放大器放大，再由环形器进入光收发单元，光收发单元中包括聚焦透镜，调节发射光的聚焦位置，焦点处的回波信号沿着相同的光路返回经环形器进入探测器。
然而，两种测量模式均存在一定的测量盲区，采用DBS脉冲体制，探测距离为几十米(通常为50米)-几千米，即存在近距离盲区，但一次测量可以获得一系列不同范围处的多普勒测量结果，测量效率高。而采用VAD模式连续波体制的多普勒激光雷达，探测距离通常为100m以内，范围分辨率在1m以内，但每个高度需要重新调焦，数据采集速率慢，秒级有效数据少。
发明内容
有鉴于此，针对现有存在的上述技术问题，希望获得一种既不受探测盲区限制，又操作简单、不用调焦，且可以完整采集各空间范围数据的多普勒激光雷达。
本发明的技术方案即为一种混合式多普勒激光雷达，包括：激光光源1，光学分束器2，光学调制器3，光学放大器4，环形器5，光学收发单元6，探测器7，信号采集装置8和计算机9；激光光源1发出激光，经光学分束器2分为两束，其中一部分光作为信号光依次经过光学调制器3，光学放大器4，环形器5，光学收发单元6后发射出去；另一部分光作为本振光进入探测器7用于相干探测。回波信号通过光学收发单元6接收，再次通过环形器6进入探测器7，进行探测，探测结果经信号采集装置8采集并处理后进入计算机9；其中光学收发单元6包括光学切换元件61、光学收发镜头62和聚焦透镜64；所述光学切换元件61用于将入射的信号光交替切换至脉冲光路或连续光路，在所述脉冲光路中，信号光以不同方位角经光学收发镜头62出射至探测空间；在所述连续光路中，信号光经聚焦透镜64后出射至探测空间的某一高度处。
其中，所述光学调制器3和信号采集装置8受计算机9控制，均交替执行脉冲光或连续光的工作模式。所述光学调制器3，在脉冲光模式下，通过斩波将信号光调制为脉冲光；在连续光模式下，所述光学调制器3不斩波。所述信号采集装置8在脉冲光或连续光的工作模式下具备不同的积分时间和信号处理方式。
其中，光学收发单元6中，脉冲光模式光路中还包括光分配元件，光束以时分复用的形式分成若干束，经光收发镜头62发射到探测空间。
所述若干束需满足在探测空间同一高度上光束圆对称。
所述若干束为3束或4束。
所述光分配元件63为光开关或扫描镜。当所述光分配元件63为光开关时，所述光分配元件63与所述光学切换元件61为同一器件，受计算机9控制而时序上完成切换和分配。
其中，光学收发单元6中，连续光模式光路中还包括光偏折元件65，以及驱动电机66，所述驱动电机66带动光偏折元件65旋转，使得经聚焦透镜64的光束，透过光偏折元件65发射到探测空间，聚焦光束在探测空间的焦平面形成连续圆环。
所述光偏折元件65为楔形镜，或反射镜，或棱镜，或mems镜。
所述光学收发镜头62和所述聚焦透镜64在结构上由同一框架固定，或为同一器件。
其中，所述信号采集装置8内还包括信号发生器81。
一种混合式多普勒激光雷达使用方法，将激光光源1发出的连续激光经光学分束器2分为两束，其中一束作为信号光，另一束作为本振光，其中信号光经过光学调制器3、光学放大器4，环形器5，光学收发单元6后发射到探测空间，同时收集探测后的回波信号并沿原光路返回进入环形器，将回波信号与本振光信号进行差频信号探测；其中，光学收发单元6内由光学切换单元61将信号光以一定周期频率交替切换至脉冲光路或连续光路，在脉冲光路中，信号光经光分配元件63，以时分复用的形式均匀分配至探测空间；在连续光路中，信号光经聚焦透镜64、光偏折元件65后连续发射至探测空间。
其中，还包括信号采集装置8和计算机9，所述计算机9用于对探测结果进行处理、存储，还用于对光学调制器3、光学切换单元61、信号采集装置8进行控制。
进一步地，信号采集装置8内部具有信号发生器81，所述计算机9控制所述信号采集装置8交替切换至脉冲模式或连续模式，所述信号采集装置8的信号发生器根据当前所处的模式，发出不同的信号，所述信号传输给光学调制器3的驱动源，以实现对光学调制器3的控制。
进一步的，脉冲模式和连续模式交替运行，但运行时间不同。
其中，所述计算机9控制所述信号采集装置的方式为，控制所述信号采集装置8的积分时间和信号处理方式。
混合式多普雷激光雷达的总体运行流程依次包括，开机，软件运行，验证通讯，产生脉冲模式命令，开始脉冲模式探测，判断脉冲模式是否结束，结束后直接切换为连续模式信号，判断连续模式是否运行结束，结束后自动循环进入脉冲模式，直至关机。
在本发明的混合式多普勒激光雷达中，脉冲光工作模式和连续光工作模式通过设计有机结合，通过对光路和控制的改进和处理，使得雷达探测盲区大大减小，而且操作简单、不用调焦，可以完整采集各空间范围数据，探测速度快的同时秒级有效数据也大大提高。
附图说明
图1是混合式多普勒激光雷达的结构图。
图2是混合式多普勒激光雷达中信号采集装置结构图。
图3是混合式多普勒激光雷达中光学收发单元结构图。
图4是光学收发单元的一个实施例的示意图。
图5是混合式多普勒激光雷达的整体运行流程图。
图6是混合式多普勒激光雷达的时序控制图。
图中附图标记如下：1-激光光源，2-光学分束器，3-光学调制器，4-光学放大器，5-环形器，6-光学收发单元，61-光学切换元件，62-光学收发镜头，63-光分配元件，64-聚焦镜头，65-光偏折元件，66-驱动电机，7-探测器，8-信号采集装置，81-信号发生器，9-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对混合式多普勒激光雷达及其使用方法进行详细说明。
如图1所示，激光光源1发出激光，经光学分束器2分为两束，其中一部分光作为信号光依次经过光学调制器3，光学放大器4，环形器5，光学收发单元6后发射出去；另一部分光作为本振光进入探测器7用于相干探测。回波信号通过光学收发单元6接收，再次通过环形器5进入探测器7进行探测，探测结果经信号采集装置8采集并处理后进入计算机9。其中光学调制器3、光学收发镜头6和信号采集装置8均直接或间接地受计算机9控制，以交替执行脉冲光工作模式和连续光工作模式。
具体为，光学调制器3在脉冲光工作模式下，通过斩波将信号光调制为脉冲光；在连续光模式下，所述光学调制器3不斩波。光学收发单元6受计算机9的控制也交替工作在脉冲光工作模式或连续光工作模式下。信号采集装置8在脉冲光或连续光工作模式下具备不同的积分时间和信号处理方式。
如图2所示，信号采集装置8内部具有信号发生器81，当信号采集器8收到计算机9不同的控制信号时，信号发生器81相应产生不同的信号，该信号可作为光学调制器3的触发信号。
如图3所示，光学收发单元6包括光学切换元件61、光学收发镜头62和聚焦透镜64；所述光学切换元件61用于将入射的信号光交替切换至脉冲光路或连续光路。在所述脉冲光路中，信号光以不同方位角经光学收发镜头62出射至探测空间；在所述连续光路中，信号光经聚焦透镜64后出射至探测空间的某一高度处。
光学收发单元6还包括光分配元件63，其作用为将光束按时序均匀分配到探测空间。光分配元件63可以为旋转棱镜或光开关。
在聚焦透镜64的下游侧还具备光偏折元件65，其受驱动电机66的驱动实现连续旋转。光偏折元件65可以为楔形镜，或反射镜，或棱镜，或mems镜。
当光分配元件63为光开关时，可以与光学切换元件61合为同一器件，通过时序控制实现光束出射方向的切换。在结构上，光学收发镜头62与聚焦透镜64也可以为同一器件，或固定在同一框架中器件，只要确保光束能有效射出并接收回波即可。
如图4所示，光分配元件63与光学切换元件61为同一光开关器件，采用时序控制的方式实现光束的在各镜头间的切换。同时光学收发镜头62与聚焦镜头64也固定在同一框架内，光开关器件与各镜头之间通过光纤连接，其中光学收发镜头62对应框架四周的四个具有一定方位角的镜头对，聚焦镜头64对应框架正中的镜头对。在聚焦镜头64的出光侧，还具有光偏折元件65及驱动光偏折元件65旋转的驱动电机66。
混合式多普勒激光测速仪的运行流程如图5所示，总体为开机，软件运行，验证通讯，若通讯正常，首先产生脉冲模式命令，开始脉冲模式探测，判断脉冲模式是否结束，结束后直接切换为连续模式信号，然后判断连续模式是否运行结束，结束后自动循环进入脉冲模式，直至关机。
在混合式多普勒激光雷达运行时，首先计算机9发出控制信号给信号采集装置8和光学收发单元6，信号采集装置8响应该信号对应设置积分时间等参数，同时其内部的信号发生器81产生TTL时序信号，光学调制器3根据该TTL时序信号后进行射频或高压转换，根据信号切换对应的工作模式，产生的光经过光学放大器4、环形器5进入到光学收发单元6，此时光学收发单元6已经收到控制信号并切换至对应光路。光束经光学收发单元6发出并原路接收回波，回波再经环形器5进入探测器7探测，探测器7将采集到的光学信号转化为模拟电信号传送给信号采集装置8，信号采集装置将模拟电信号经过模数转换变为数字电信号并进行对应模式的运算，最后将测量结果传送给计算机。当计算机收到检测结果时，计算机判断上一工作模式结束，立刻发出控制信号切换为另一工作模式，由此实现两种测量模式的切换。
计算机命令通过硬件接口传输给信号采集装置8和光学切换元件61，所述硬件接口包括RS232、485、TTL、USB等，例如以ASCII码设置光路信号。计算机对信号采集装置8中的采集卡设置脉冲工作频率及占空比信息，例如10kHz，200ns或高电平，信号采集装置8根据工作模式选择适合的积分时间，例如，脉冲模式1s，连续模式20ms。
混合式多普勒激光雷达时序控制图的一个实施例如图6所示，计算机9发出TTL控制信号，其中高电平对应脉冲模式，持续3个时间段，低电平对应连续模式，持续1个时间段，以4个时间段为一周期循环重复；信号采集装置8的信号发生器81对应发出相同的TTL控制信号，以控制光学调制器3的驱动源，在脉冲模式下，光学调制器3将光斩波形成脉冲激光，在连续模式下，光学调制器3被设置为常开，以输出连续光。光学切换元件61响应于计算机9发出的控制信号，在每一次电平切换时，切换光路到对应的模式。在脉冲模式下，光分配元件63按预定时间间隔输出4个高电平，对应将光分配至4个出光方向。若采用光开关来控制，则可将光开关的时序直接选择为实际出光的时序。由于脉冲的宽度影响盲区的长短和最远探测距离的远近，脉冲的宽度越长，最远探测距离越远，同时盲区越长，反之亦然。连续模式的近距离测量具有明显优势，但是不同高度的聚焦会影响秒级数据的获取数量。在本实施例中，1个时间段设置为1秒，脉冲模式持续3秒，共输出4个脉冲，脉宽选择为200ns，对应的盲区范围为40m；连续模式持续1秒，连续模式的焦平面设置为雷达上方10m处，在1秒内完成10m处的数据获取。在这种情况下，每4秒的周期内，共获得4个脉冲数据和1个连续数据，即脉冲数据达到1秒/个，连续数据达到0.25秒/个，这种混合式多普勒激光雷达较普通多普勒激光雷达而言，具备不用调焦，探测速度快且秒级有效数据多的优势。
上面所述的只是说明本发明一种混合式多普勒激光雷达及其使用方法的实施方式，由于对相同技术领域的普通技术人员来说很容易在此基础上进行若干修改和改动，因此本说明书并非是要将本发明一种混合式多普勒激光雷达及其使用方法局限在所示和所述的具体步骤或相关结构范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改及等同方法，均属于本发明所申请的专利范围。

Claims (14)

1.一种混合式多普勒激光雷达，其特征在于，包括：激光光源(1)，光学分束器(2)，光学调制器(3)，光学放大器(4)，环形器(5)，光学收发单元(6)，探测器(7)，信号采集装置(8)和计算机(9)；激光光源(1)发出连续激光，经光学分束器(2)分为两束，其中一束光作为信号光依次经过光学调制器(3)、光学放大器(4)、环形器(5)、光学收发单元(6)后发射至探测空间，其回波信号通过光学收发单元(6)接收，再次通过环形器(5)后进入探测器(7)；另一束光作为本振光进入探测器(7)，与回波信号一起进行相干探测；探测结果经信号采集装置(8)采集并处理；
其中所述光学收发单元(6)包括光学切换元件(61)、光学收发镜头(62)和聚焦透镜(64)；所述光学切换元件(61)用于将入射的信号光交替切换至脉冲光路或连续光路，在所述脉冲光路中，信号光以不同方位角经光学收发镜头(62)出射至探测空间；在所述连续光路中，信号光经聚焦透镜(64)后出射至探测空间的某一高度处；所述光学调制器(3)在脉冲光工作模式下，通过斩波将信号光调制为脉冲光；在连续光工作模式下，所述光学调制器不斩波；所述信号采集装置(8)在脉冲光或连续光的工作模式下具备不同的积分时间和信号处理方式；
所述光学调制器(3)和信号采集装置(8)受计算机(9)控制，均交替执行脉冲光或连续光的工作模式。
2.如权利要求1所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，所述光学收发单元(6)中的脉冲光路中还包括光分配元件(63)，光束以时分复用的形式被所述光分配元件(63)分配为若干束，再经光学收发镜头(62)发射到探测空间；所述光分配元件(63)分配后的光束在探测空间同一高度上圆对称。
3.如权利要求2所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，所述光分配元件(63)将光束分配为2束，或3束，或4束，或6束。
4.如权利要求2或3所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，所述光分配元件(63)为光开关或扫描镜。
5.如权利要求4所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，当所述光分配元件(63)为光开关时，所述光分配元件(63)与所述光学切换元件(61)为同一器件，受计算机(9)控制而在时序上完成切换和分配。
6.如权利要求1所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，所述光学收发镜头(62)和所述聚焦透镜(64)在结构上由同一框架固定，或为同一器件。
7.如权利要求1所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，光学收发单元(6)的连续光路中还包括光偏折元件(65)，以及驱动电机(66)，所述驱动电机(66)带动所述光偏折元件(65)旋转，经过所述聚焦透镜(64)的光束透过光偏折元件(65)后出射到探测空间，聚焦光束在探测空间的焦平面形成连续圆环。
8.如权利要求7所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，所述光偏折元件(65)为楔形镜。
9.如权利要求7所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，所述光偏折元件(65)为棱镜。
10.如权利要求7所述的混合式多普勒激光雷达，其特征在于，所述光偏折元件(65)为反射镜，或mems镜。
11.一种混合式多普勒激光雷达使用方法，包括脉冲光和连续光两种工作模式，其特征在于，将激光光源(1)发出的连续激光经光学分束器分为两束，其中一束作为信号光，另一束作为本振光，其中信号光经过光学调制器(3)、光学放大器(4)、环形器(5)、光学收发单元(6)后发射到探测空间，同时收集探测后的回波信号并沿原光路返回进入环形器，将回波信号与本振光信号进行差频信号探测，探测结果经信号采集装置(8)采集并处理；其中，所述光学收发单元(6)内将信号光按周期频率交替切换至脉冲光路或连续光路，在脉冲光路中，脉冲形式的信号光以不同方位角，采用时分复用的形式均匀分配至探测空间；在连续光路中，连续形式的信号光经聚焦透镜(64)、光偏折元件(65)后连续发射至探测空间；所述光学调制器(3)在脉冲光工作模式下，通过斩波将信号光调制为脉冲光；在连续光工作模式下，所述光学调制器不斩波；
所述光学调制器(3)和所述信号采集装置(8)受计算机(9)控制，均交替执行脉冲光或连续光的工作模式；所述计算机(9)通过控制所述信号采集装置(8)的积分时间和信号处理方式使所述信号采集装置(8)在不同的工作模式下工作。
12.如权利要求11所述的混合式多普勒激光雷达使用方法，其特征在于，信号采集装置(8)内部具有信号发生器(81)，所述计算机(9)控制所述信号采集装置(8)交替切换至脉冲光工作模式或连续光工作模式，所述信号采集装置(8)的信号发生器(81)根据当前所处的工作模式，发出不同的信号，并将信号传输给光学调制器(3)的驱动源，以实现对光学调制器(3)的控制。
13.如权利要求11或12所述的混合式多普勒激光雷达使用方法，其特征在于，所述脉冲光工作模式和连续光工作模式交替执行，且执行的时间不同。
14.如权利要求11或12所述的混合式多普勒激光雷达使用方法，其特征在于，当计算机接收到信号采集装置(8)提供的当前模式的测量结果后，自动切换至另一工作模式。
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