CN112305550A - 相干探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相干探测装置及方法，其中，该相干探测装置包括：包括：光源，用于产生光束；第一偏光模块，用于将光源产生的光束转换成圆偏振光，圆偏振光包括左旋圆偏振光和/或右旋圆偏振光；第一分光模块，用于将第一偏光模块转化成的圆偏振光分为本振光和发射光，本振光和发射光具有与圆偏振光相同的偏振状态；接收模块，用于接收本振光和信号光形成相干,并将相干光转化为第一信号，以便基于第一信号获得探测目标的信息，其中信号光为发射光经探测目标反射后产生的信号。通过本发明提升了相干探测装置的抗干扰能力，且简化了光路系统结构，便于装配，减小了体积。

Description

相干探测装置及方法

技术领域

本发明涉及相干探测领域，尤其涉及一种相干探测装置及方法。

背景技术

相干探测是通过将信号光和本振光进行混频，输出二者的差频分量，由探测器接收面吸收产生光电流，该差频分量保留了信号光振幅、频率和相位信息，实现了对信号光的全息探测。相比直接探测，具有探测能力强、转换增益高、信噪比高和抗干扰能力强等优点，广泛应用于相干光通信、遥感、激光雷达测速和测距等领域。

在相关探测装置中，往往是将激光器的产生的线偏振光分光后一路作为发射光经探测目标后产生信号光，另一路作为本振光与信号光相干，相关光经探测器接收面转化为电信号，用于速度、距离等参数的分析测量。但是由于激光器所产生的光均为线性偏振光，线性偏振光在大气中传播过程中，会由于光子与大气中湍流、雾、沙等的碰撞和散射，导致激光偏振状态的改变，使信号光偏振角发生无规则变化。然而，若使信号光在与本振光发生干涉则必须保证二者具有一致的单一偏振态，因此信号光偏振角的无规则变化给相干带来困难。通过信号光的多次光路转化调整偏振状态的方式导致相干探测装置的光路系统结构复杂，光学元件的装配调试过程难度极高。

综上，亟待设计一种抗干扰能力强且光路系统结构简单、装配容易的相干探测装置及方法以解决上述问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种相干探测装置及方法，用以提高激光在大气传播过程中的抗干扰能力，并可同时降低相干探测装置光路系统的复杂程度和装配难度。

本发明实施方式的第一方面中，提供了一种相干探测装置，包括：

光源，用于产生光束；第一偏光模块，用于将光源产生的光束转换成圆偏振光，圆偏振光包括左旋圆偏振光和/或右旋圆偏振光；第一分光模块，用于将第一偏光模块转化成的圆偏振光分为本振光和发射光，本振光和发射光具有与圆偏振光相同的偏振状态；接收模块，用于接收本振光和信号光形成相干,并将相干光转化为第一信号，以基于第一信号获得探测目标的信息，其中信号光为发射光经探测目标反射后产生的信号。

在本发明的一个实施例中，第一分光模块的后端设有扩束元件，用于将第一分光模块输出的发射光进行扩束后发射。

在本发明的一个实施例中，相干探测装置还包括光学反射元件，设于接收模块的前端，用于改变信号光的传输方向，使信号光入射至接收模块。

在本发明的一个实施例中，相干探测装置还包括以下至少一项：

第一聚光元件，用于将信号光聚光后入射至光学反射元件；第二聚光元件，设于接收模块的前端，用于在本振光和信号光形成相干前，将本振光和经光学反射元件反射后的信号光聚光后入射至接收模块。

在本发明的一个实施例中，接收模块连接有退相干处理模块；其中接收模块包括光学接收单元和至少一个光电转化单元，光电转化单元包括至少一个像元，光学接收单元用于接收本振光和信号光形成相干，至少一个光电转化单元用于将相干光转化为第一信号；退相干处理模块包括至少一个退相干处理单元和一个叠加单元，每个退相干单元的输入端与一个光电转化单元相连，输出端与叠加单元相连，用于对光电转化单元输出的第一信号进行相位统一后叠加输出。

本发明实施方式的第二方面中，提供了一种基于圆偏振光的相干探测方法，应用于如第一方面任一装置中，该方法包括：

产生光束；将光束转换成圆偏振光，圆偏振光包括左旋圆偏振光和/或右旋圆偏振光；通过第一偏振将圆偏振光分为本振光和发射光，本振光和发射光具有与圆偏振光相同的偏振状态；接收本振光和信号光形成相干,并将相干光转化为第一信号，以基于第一信号获得探测目标的信息，其中信号光为发射光经探测目标反射后产生的信号。

在本发明的一个实施例中，将圆偏振光分为本振光和发射光后，还包括对发射光进行扩束后发射。

在本发明的一个实施例中，还包括通过光学反射元件改变信号光的传输方向，使信号光入射至接收模块。

在本发明的一个实施例中，在通过光学反射元件改变信号光的传输方向之前，还包括将信号光聚光后入射至光学反射元件；和/或在本振光和信号光形成相干前，还包括将本振光和经光学反射元件反射后的信号光聚光后入射至接收模块。

在本发明的一个实施例中，接收模块将相干光转化为第一信号后，还包括对第一信号进行相位统一的处理后叠加输出。

本发明通过将光源产生的光束转换为圆偏振光后再分束，一方面使得具有圆偏振状态的发射光和信号光在传输过程中具有较强的抗干扰能力，使接受模块处更容易发生相干；另一方面，也使得信号光无需进行偏振状态的再次转换获得相同的S线偏或P线偏，也不需要进行偏振角的调节便可直接在接受模块处进行相干，因此整个装置的光路结构简单，装配容易，且有效减小了产品的体积。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种相干探测装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种可选的相干探测装置结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可选的相干探测装置结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种退相干处理单元电路结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种相干探测方法示意图。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应当理解的是，当单元/模块间被描述为“相连”时，其可以直接连接到另一单元/模块，或者可以存在中间单元/模块。与此相对，当单元/模块间被称为“直接相连”时，则不存在中间单元/模块。本发明所说的“前端”和“后端”均是以信号的流向为前端，反之为后端，该信号包括光信号和/或电信号。

本发明实施例提供了一种相干探测装置及方法，其中，相干探测装置和探测方法是基于同一发明构思的，由于解决问题的原理相似，因此相干探测装置和探测方法的实施可以相互参见，重复之处不再赘述。

由于激光器所产生的光均为线性偏振光，线性偏振光在大气中传播过程中，会由于光子与大气中湍流、雾、沙等的碰撞和散射，导致激光偏振状态的改变，使信号光偏振角发生无规则变化，影响与本振光的相干。发明人发现圆偏振光在大气传输过程中变化很小，具有较强的抗干扰能力，因此设计了一种相干探测装置和相干探测方法。

图1所示为本发明实施例提供的一种相干探测装置，包括：

光源，用于产生光束；第一偏光模块，用于将光源产生的光束转换成圆偏振光，圆偏振光包括左旋圆偏振光和/或右旋圆偏振光；第一分光模块，用于将圆偏振光分为本振光和发射光，本振光和发射光具有与圆偏振光相同的偏振状态；接收模块，用于接收本振光和信号光形成相干，并将相干光转化为第一信号，以基于第一信号获得探测目标的信息，其中信号光为发射光经探测目标反射后产生的信号。

本实施例中光源所产生的光束，可以为自然光、线偏振光、部分偏振光中的任意一种。

本实施例中在光源的后端设有第一偏光模块，可以将有光源产生的光束转化为圆偏振光，尤其是针对激光光源可将其产生的线偏振光转换为圆偏振光。这里的第一偏光模块可以为四分之一波片。

本实施例中的第一分光模块为非偏振分束，分束后不改变偏振状态，因此经第一分光模块分束后产生的本振光和发射光均保持了与输入的圆偏振光相同的偏振状态。发射光以圆偏振状态在大气中传输，经探测目标反射后产生的信号光依然为圆偏振光，只是旋转方向相反，即由左旋圆偏振光转换为右旋圆偏振光，或者由右旋圆偏振光转换为左旋圆偏振光，因此无论是发射光还是信号光在大气中传输时都保持了较强的抗干扰能力，从而使得信号光更容易与本振光发射干涉。由于本振光同样保持了圆偏振状态，因此返回的具有圆偏振状态的信号光无需像现有技术中那样进行线偏振转化，以及复杂的S线偏或P线偏的一致性调节和偏振角的调整，便可以直接与本振光发生相干，因此整个装置的光路结构简单，装配容易，且有效减小了产品的体积。

为了使本振光和信号光在入射至接收模块时具有相同的传播方向，以便更好的发生干涉，本振光的传播光路可通过设置参考光路进行调节，也可直接利用光纤分光器作为第一分光模块。

图2所示为本发明实施例提供的另一种相干探测装置，在上述实施例的基础上，第一分光模块的后端设有扩束元件，用于将第一分光模块输出的发射光进行扩束后发射，以便扩大探测范围。

本实施例中为了使信号光与本振光可以更好的相干，可在上述实施例的基础上进一步增设光学反射元件来改变信号光的传输方向，使二者沿相同方向传播至接收模块。光学反射元件为一个或者多个反射镜的组合，包括平面反射镜和/或反射棱镜。

为了增加射入接收模块的信号光的强度，获得较强的探测信号，同时也可进一步调整信号光的传播方向，在上述光学反射元件的前端设有第一聚光元件，用于将信号光聚光后入射至光学反射元件。在接收模块的前端可设置第二聚光元件，用于在本振光和信号光形成相干前，将本振光和经光学反射元件反射后的信号光聚光后入射至接收模块。

在本发明提供的另一实施例中，接收模块包括光学接收单元和至少一个光电转化单元，每个光电转化单元包括至少一个像元，光学接收单元用于接收本振光和信号光形成相干，至少一个光电转化单元用于将相干光转化为第一信号。

需要说明的而是，这里的第一信号包括电压信号、电流信号或者基于电流信号或电压信号转化而获得的数字信号中的至少一种。该第一信号可为像元在不同状态下产生的信号的差值。例如像元所接收到的回波+背景光与所接收到的背景光的差值，由此可以消除背景光的干扰，提高信噪比。第一信号的波形此处并不做限定，比如可以包括正弦波、方波、三角波和锯齿波中的任意一种。

相干探测过程中，由于探测器接收到的信号来自目标不同部位，导致信号光相位不同，进而导致每个像元所产生的第一信号的相位随机分布，正负相消后使得输出的信号严重减小，出现退相干现象，影响探测效率。本发明提供了一种相干探测装置，在上述实施例的基础上，收模块连接有退相干处理模块，该退相干处理模块包括至少一个退相干处理单元和一个叠加单元，每个退相干单元的输入端与一个光电转化单元相连，输出端与叠加单元相连，用于对光电转化单元输出的第一信号进行相位统一后叠加输出。

在一具体的实施例中，如图3所示，每个退相干处理单元包括相位检测单元、相位补偿单元，相位检测单元与光电转化单元相连，用于检测光电转化单元所输出的第一信号与参考信号之间的相位差；相位补偿单元与光电转化单元相连，用于基于相位差对所连接的光电转化单元输出的第一信号进行相应的相位补偿。由此将不同光电转化单元输出的第一信号补偿至相同相位后再进行叠加，由此增大信号的输出强度。

需要说明的是，这里的相同相位是指初始相位。参考信号可为以下任意一种：

(1)参考信号为相位在0°～360°范围内取值的任一固定信号。比如参考信号的相位取值为0°时，即将每个光电转化单元输出的第一信号的相位与0°比较获得相位差，根据该相位差进行补偿，将第一信号的相位补偿至0°。

(2)参考信号为多个光电转化单元中任一像元或光电转化单元输出的电信号。任意选取一像元或光电转化单元，将该被选取像元或光电转化单元的输出信号作为参考信号，获得光电转化单元与该被选取像元或光电转化单元输出信号的相位差，根据该相位差进行补偿，将每个光电转化单元的相位补偿至该被选取像元或光电转化单元的相位。

(3)参考信号为多个光电转化单元叠加后输出的第一信号的总和。将多个光电转化单元输出的多个第一信号进行叠加，以叠加后输出的总的第一信号为参考信号，获得每个光电转化单元与该参考信号的相位差，根据该相位差进行补偿，将每个光电转化单元的相位补偿至该被选取像元或光电转化单元的相位。

上述相位检测单元包括依次连接的鉴相单元、相差电压转化单元和模数转化单元。根据本发明的一示例性实施方式，如图4所示，其中鉴相单元包括第一触发器、第二触发器和与门；相差电压转化单元包括依次连接的第一电流源、第一开关、第二开关和第二电流源。

根据本发明的一示例性实施方式，相位补偿模块包括多个串联的补偿单元，每个补偿单元并联有对应的开关，每个开关依据相差检测模块输出的信号进行闭合或断开。其中，补偿单元可包括延迟器。

鉴相单元用于获得所输入的第一信号与参考信号的相位差，相差电压转化单元基于该相位差转化为相应的电压Vc输出，模数转化单元基于输入的电压Vc转化为用于指示所需补偿单元数量的信号输出至相位补偿模块。

本发明实施例还公开了一种基于上述任一相干探测装置进行相干探测的方法，如图5所示，包括：

S501、产生光束；

S502、将光束转换成圆偏振光，圆偏振光包括左旋圆偏振光和/或右旋圆偏振光；

S503、将圆偏振光分为本振光和发射光，本振光和发射光具有与圆偏振光相同的偏振状态；

S504、接收本振光和信号光形成相干，并将相干光转化为第一信号，基于第一信号获得探测目标的信息，其中信号光为发射光经探测目标反射后产生的信号。

本发明的一个实施例中，在上述实施例基础上，将圆偏振光分为本振光和发射光后，还包括对发射光进行扩束后发射。

本发明的一个实施例中，在上述实施例基础上，通过光学反射元件改变信号光的传输方向，使信号光入射至接收模块。

本发明的一个实施例中，在上述实施例基础上，在通过光学反射元件改变信号光的传输方向之前，还包括将信号光聚光后入射至光学反射元件；和/或在本振光和信号光形成相干前，还包括将本振光和经光学反射元件反射后的信号光聚光后入射至接收模块。

本发明的一个实施例中，在上述实施例基础上，接收模块将相干光转化为第一信号后，还包括对第一信号进行相位统一的处理后叠加输出。

本发明的一个实施例中，在上述实施例基础上，相位统一处理包括：检测光电转化单元所输出的第一信号与参考信号之间的相位差；基于相位差对该光电转化单元输出的第一信号进行相应的相位补偿。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。

此外，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1.一种相干探测装置，其特征在于，包括：

光源，用于产生光束；

第一偏光模块，用于将所述光源产生的光束转换成圆偏振光，所述圆偏振光包括左旋圆偏振光和/或右旋圆偏振光；

第一分光模块，用于将所述第一偏光模块转化成的圆偏振光分为本振光和发射光，所述本振光和发射光具有与所述圆偏振光相同的偏振状态；

接收模块，用于接收所述本振光和信号光形成相干,并将相干光转化为第一信号，以基于所述第一信号获得探测目标的信息，其中

所述信号光为所述发射光经探测目标反射后产生的信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一分光模块的后端设有扩束元件，用于将所述第一分光模块输出的发射光进行扩束后发射。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括光学反射元件，设于所述接收模块的前端，用于改变信号光的传输方向，使所述信号光入射至接收模块。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，还包括以下至少一项：

第一聚光元件，用于将所述信号光聚光后入射至所述光学反射元件；

第二聚光元件，设于所述接收模块的前端，用于在所述本振光和信号光形成相干前，将本振光和经所述光学反射元件反射后的信号光聚光后入射至所述接收模块。

5.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，所述接收模块连接有退相干处理模块；其中

所述接收模块包括光学接收单元和至少一个光电转化单元，所述光电转化单元包括至少一个像元，所述光学接收单元用于接收所述本振光和信号光形成相干，所述至少一个光电转化单元用于将相干光转化为第一信号；

所述退相干处理模块包括至少一个退相干处理单元和一个叠加单元，每个退相干单元的输入端与一个所述光电转化单元相连，输出端与所述叠加单元相连，用于对所述光电转化单元输出的第一信号进行相位统一后叠加输出。

6.一种基于圆偏振光的相干探测方法，应用于如权利要求1至5任一所述的装置中，其特征在于，包括：

产生光束；

将所述光束转换成圆偏振光，所述圆偏振光包括左旋圆偏振光和/或右旋圆偏振光；

将所述圆偏振光分为本振光和发射光，所述本振光和发射光具有与所述圆偏振光相同的偏振状态；

接收所述本振光和信号光并进行相干,将相干光转化为第一信号，以基于所述第一信号获得探测目标的信息，其中

所述信号光为所述发射光经探测目标反射后产生的信号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述将所述圆偏振光分为本振光和发射光后，还包括对所述发射光进行扩束后发射。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过光学反射元件改变信号光的传输方向，使所述信号光入射至接收模块。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述通过光学反射元件改变信号光的传输方向之前，还包括将所述信号光聚光后入射至所述光学反射元件；和/或

在所述本振光和信号光形成相干前，还包括将本振光和经所述光学反射元件反射后的信号光聚光后入射至所述接收模块。

10.根据权利要求6至9任一所述的方法，其特征在于，所述接收模块将相干光转化为第一信号后，还包括对所述第一信号进行相位统一的处理后叠加输出。

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