CN109254304A - 一种激光成像雷达及一种滤除收发合置光学系统杂散光的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种激光成像雷达及一种滤除收发合置光学系统杂散光的方法，利用偏振隔离原理，可以有效地隔离对系统影响严重地杂散光，提高回波光束质量，属于光学探测领域。具体地提出一种激光成像雷达，包括光源、二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第一雪崩光电二极管、DSP系统、第二偏振分光棱镜、第二雪崩光电二极管、第二反射镜、检流计偏振镜、四分之一波片。所述激光成像雷达系统将大口径液晶零级1/4波片后置，滤除了大量因为透射器件前后表面反射带来的杂散光。成像实验结果表明，该激光成像雷达系统及对应的方法能有效解决杂散光问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光成像雷达及一种滤除收发合置光学系统杂散光的方法，属于光学、电子、通讯与信息工程领域。
背景技术
收发合置光学天线作为一种常见的光学天线体制，因其可以使用光敏面小、响应速度高的探测器，背景光引入低等特点，广泛应用于各种光学探测方案之中。尤其是光学成像系统，更需要收发合置光学天线来为其提供高信噪比低噪声的回波信号。
然而，由于发射光路和接收光路大部分重合的原因，收发合置光学系统不可避免地引入各式各样的杂散光，严重地影响了系统回波光束质量。其中，基于偏振隔离的收发合置光学天线由于需要波片、透射式望远镜等透射光学器件较多，受到杂散光的影响尤为严重。
传统的此类杂散光处理方法主要集中在调整入射角度，将望远镜或其它透射器件前后表面反射杂散光调整到不会影响回波接收的方向上，这种处理方法会造成整个系统的光路离轴，装调难度大、精度低；还有一种处理方法，是在接收端进行滤波或门控，屏蔽掉杂散光带来的强噪声，但这样处理会造成回波信号的失真，也会增加整个系统的复杂程度，所以也不是高效的处理方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：
为了进一步滤除杂散光，提高系统回波光束质量，本发明提出一种激光成像雷达及一种滤除收发合置光学系统杂散光的方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提出一种激光成像雷达，其特征在于，包括光源、二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第一雪崩光电二极管、DSP系统、第二偏振分光棱镜、第二雪崩光电二极管、第二反射镜、检流计偏振镜、四分之一波片；
所述光源发出激光经过二分之一波片，垂直入射第一偏振分光棱镜；所述第一偏振分光棱镜的透射光以45°角入射第一反射镜；所述第一偏振分光棱镜的反射光入射所述第一雪崩光电二极管；所述第一雪崩光电二极管电连接所述DSP系统，传送触发信号；
所述第一偏振分光棱镜的反射光垂直入射第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的反射光入射第二雪崩光电二极管，所述第二雪崩光电二极管电连接所述DSP系统；所述第二偏振分光棱镜的透射光以45°角入射第二反射镜；所述第二反射镜的反射光入射所述检流计偏振镜，所述检流计偏振镜的出射光经四分之一波片最终出射至观测对象；
回波信号通过四分之一波片入射检流计偏振镜，所述检流计偏振镜的出射光以45°角入射所述第二反射镜，所述第二反射镜的出射光垂直入射所述第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的反射光入射第二雪崩光电二极管，所述第二偏振分光棱镜的透射光垂直入射所述第一偏振分光棱镜；所述第一偏振分光棱镜的透射光以45°角入射所述第一反射镜，所述第一反射镜的反射光入射所述第一雪崩光电二极管。
如前所述的一种激光成像雷达，进一步地，所述四分之一波片满足：在±20°的扫描角度范围内，通过1/4波片的光偏振态正常变化。
如前所述的一种激光成像雷达，进一步地，所述四分之一波片为WPQ10E-1550型零级1/4波片。
如前所述的一种激光成像雷达，进一步地，所述光线入射所述第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管均为垂直于光敏面入射。
本发明还提出一种滤除收发合置光学系统杂散光的方法，所述收发合置光学系统具有四分之一波片和望远镜模块；将四分之一波片换成大口径四分之一波片，并置于望远镜模块之后，用于增强杂散光滤除效果。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所述的激光成像雷达利用偏振隔离原理，将四分之一波片后置，相比调整光路中光线的入射角度的方式，减少了装调难度。
通过1/4波片光束会因为角度不同而产生不同的延迟量，影响偏振态变化，进而影响偏振隔离效果，而液晶波片的性能能够保证在大角度条件下入射角延迟量很小，就能够降低入射角度对偏振态变化的影响。通过1/4波片的光偏振态正常变化，这也是本方法的另一个优势所在。
附图说明
图1为一种传统利用前置大口径液晶1/4波片的收发合置光学系统示意图。
图2为1/4波片后置的收发合置光学系统示意图。
图3为本发明所述激光雷达示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
接下来结合附图说明本发明所述系统的工作原理。
图1为一种传统利用前置液晶1/4波片的收发合置光学系统。首先分析一下这种情况下，系统光路的偏振态变化。可以看出，由于器件前后表面的反射光和信号回波的偏振态变化完全相同，因此这一部分杂散光将和信号回波一样被接收系统接收，如果能够改变杂散光的偏振态使其无法被PBS反射至接收系统，就可以有效地滤除这一部分杂散光。对于图1中所展示的光学系统，1/4波片的位置位于望远镜之前、偏振分束棱镜之后，这样，就造成了望远镜前后表面的反射光和信号回波的偏振态变化完全相同。
这种位置的好处是未经过扩束的小光斑平行光束直接通过1/4波片，对1/4波片口径要求低，光路没有发生扫描偏转，对1/4波片的接收角度没有要求。但杂散光的偏振态和回波信号完全相同，不能被滤除。
进行调整后，将望远镜模块放置在1/4波片之前，其杂散光偏振态则会发生变化，如图2所示。这样就可以完美隔离系统产生的大部分杂散光，而回波光不受影响。
然而，由于1/4波片位于经过望远镜扩束系统之后被扩束的光路之上，光束直径扩大，因此1/4波片需要的通光孔径，即波片面积则需要相应扩大。同时，对于本文的原理样机系统，由于1/4波片前被扩束的光束还要进行X-Y检流计式振镜扫描，对于波片的最大入射角度也有要求，必须满足在扫描系统±20°的扫描角度范围内，通过1/4波片的光偏振态正常变化，这也是本方法的另一个优势所在。
图3所示为基于上述方法，本发明提出的一种激光成像雷达。
本雷达中的四分之一波片选用Thorlab公司生产的WPQ10E-1550型零级1/4波片零级，该波片是一种用液晶聚合物(LCP)制作而成的大口径偏振器件，口径达51.4mm(2英寸)。液晶材料封装在两片的N-BK7玻璃窗口之间，玻璃板在玻璃与空气的界面上镀有1.05μm-1.70μm波段增透膜，LCP波片设计属于零级波片，可以在某一波长范围上以及大入射角范围上提供稳定的偏振性能。当聚合物波片用于最大20°的角度倾斜光束时，入射角引起的延迟量只增加了5％，同样的延迟量应用于标准石英波片，只能支持小于2°的入射角倾斜。WPQ10E-1550型零级1/4波片的主要系统指标如表1。
表1
本发明中，使用Thorlab公司的偏振态分析仪作为DSP系统，对WPQ10E-1550在光路中的偏振特性进行测量。整个偏振态分析仪由探头PAN5710IR3和分析仪主体PAX5710IR3-T组成，拥有70dB的高动态范围和±0.2°的邦加球测量精度，可以对自由空间输入的偏振光进行偏振态测定，观测偏振态变化情况。
通过实验验证得知，由于前端杂散光已经被大部分滤除，目标的距离项得到了很好的还原，同时目标的完整性得到了保存，这说明1/4波片前置并未影响扫描角度，本实施例所述的激光成像雷达获得了较为理想的成像结果。
综上所述，本发明提出了一种激光成像雷达，并利用偏振隔离原理提出了一种增强杂散光滤除效果的方法，在搭建了一套激光成像雷达原理样机后，获得了理想的图像。充分说明，本系统有效地隔离了对系统影响严重的杂散光，提高了回波光束质量，充分发挥了收发合置光学系统的优势，能够获取更好的探测效果。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种激光成像雷达，其特征在于，包括光源、二分之一波片、第一偏振分光棱镜、第一反射镜、第一雪崩光电二极管、DSP系统、第二偏振分光棱镜、第二雪崩光电二极管、第二反射镜、检流计偏振镜、四分之一波片；
所述光源发出激光经过二分之一波片，垂直入射第一偏振分光棱镜；所述第一偏振分光棱镜的透射光以45°角入射第一反射镜；所述第一偏振分光棱镜的反射光入射所述第一雪崩光电二极管；所述第一雪崩光电二极管电连接所述DSP系统，传送触发信号；
所述第一偏振分光棱镜的反射光垂直入射第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的反射光入射第二雪崩光电二极管，所述第二雪崩光电二极管电连接所述DSP系统；所述第二偏振分光棱镜的透射光以45°角入射第二反射镜；所述第二反射镜的反射光入射所述检流计偏振镜，所述检流计偏振镜的出射光经四分之一波片最终出射至观测对象；
回波信号通过四分之一波片入射检流计偏振镜，所述检流计偏振镜的出射光以45°角入射所述第二反射镜，所述第二反射镜的出射光垂直入射所述第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜的反射光入射第二雪崩光电二极管，所述第二偏振分光棱镜的透射光垂直入射所述第一偏振分光棱镜；所述第一偏振分光棱镜的透射光以45°角入射所述第一反射镜，所述第一反射镜的反射光入射所述第一雪崩光电二极管。
2.如权利要求1所述的一种激光成像雷达，其特征在于，所述四分之一波片满足：在±20°的扫描角度范围内，通过1/4波片的光偏振态正常变化。
3.如权利要求1所述的一种激光成像雷达，其特征在于，所述四分之一波片为WPQ10E-1550型零级1/4波片。
4.如权利要求1所述的一种激光成像雷达，其特征在于，所述光线入射所述第一雪崩光电二极管和第二雪崩光电二极管均为垂直于光敏面入射。
5.一种滤除收发合置光学系统杂散光的方法，所述收发合置光学系统具有四分之一波片和望远镜模块；其特征在于：将四分之一波片置于望远镜模块之后，用于增强杂散光滤除效果。
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Address after: 210032 No. 219 Ning six road, Jiangbei new district, Nanjing, Jiangsu Applicant after: Nanjing University of Information Science and Technology Address before: The Olympic Avenue in Jianye District of Nanjing city of Jiangsu Province, No. 69 210019 Applicant before: Nanjing University of Information Science and Technology |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190122 |