CN112946667A - 基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统 - Google Patents

基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统 Download PDF

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Abstract

基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，涉及激光雷达技术领域。本发明是为了解决大气环境中，被大气散射的散射光会干扰对激光回波信号的探测且不能被窄带滤波片滤除的问题。本发明所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，发射系统发出携带轨道角动量的光束透过大气照射至被测目标，接收系统用于接收回波光信号，回波光信号包括被测目标反射形成的激光回波信号和大气散射形成的杂散光，接收系统还用于将其接收到的回波光信号发送至光场过滤探测系统，光场过滤探测系统用于滤除杂散光获得激光回波信号。

Description

基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域。
背景技术
激光雷达用于远距离探测时通常需要增大接收望远镜的孔径以及发射激光功率来提高到达探测器的回波信号强度。但是这同时也会增大到达探测器的杂散光强度，导致探测信噪比降低。为了提高探测信噪比，现有激光雷达系统一般通过窄带滤波片来抑制与探测信号波长不同的噪声。这种方法对于太阳杂散光是有效的，因为太阳光中大量与激光回波信号波长不同的成分都会被窄带滤波片滤除。然而在有大气存在的环境中杂散光还包括由探测信号被大气散射形成散射光，这部分杂散光同样会干扰对激光回波信号的探测且不能被窄带滤波片滤除。目前还没有较为有效的抑制大气后向散射噪声从而提高激光雷达系统探测信噪比的方法。
发明内容
本发明是为了解决大气环境中，被大气散射的散射光会干扰对激光回波信号的探测且不能被窄带滤波片滤除的问题，现提供基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统。
基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，包括：发射系统、接收系统和光场过滤探测系统，发射系统发出的光束透过大气照射至被测目标，所述光束携带轨道角动量，接收系统用于接收回波光信号，所述回波光信号包括被测目标反射形成的激光回波信号和大气散射形成的杂散光，接收系统还用于将其接收到的回波光信号发送至光场过滤探测系统，光场过滤探测系统用于滤除杂散光获得激光回波信号。
进一步的，上述发射系统包括：激光器和轨道角动量调制系统，所述轨道角动量调制系统包括：第一透镜、螺旋相位板和第二透镜，第一透镜的后焦面与第二透镜的前焦面共面，构成4f系统，螺旋相位板位于第一透镜和第二透镜的共焦面上，激光器发射的激光依次透过第一透镜、螺旋相位板和第二透镜形成携带轨道角动量的光束。
进一步的，上述螺旋相位板为圆形透明介质薄板，螺旋相位板的圆心位于第一透镜和第二透镜的共焦点。
进一步的，上述螺旋相位板的厚度随着方位角的增大而线性增大，最厚部分的厚度比最薄部分的厚度厚整数倍激光波长。
进一步的，上述发射系统还包括：第五透镜和偏转镜，携带轨道角动量的光束透过第五透镜入射至偏转镜，偏转镜将携带轨道角动量的光束反射至被测目标。
进一步的，上述接收系统包括：第三透镜、反射镜和第四透镜，激光回波信号和杂散光经第三透镜透射至反射镜，反射镜将激光回波信号和杂散光反射至第四透镜，激光回波信号和杂散光透过第四透镜入射至光场过滤探测系统，第三透镜、反射镜和第四透镜构成望远系统，使得激光回波信号在其像面形成环状光斑、杂散光在其像面形成类高斯分布的圆形光斑。
进一步的，上述光场过滤探测系统包括环状过滤装置，环状过滤装置位于接收系统的像面，环状过滤装置能够分离激光回波信号所在环形区域光场和环外光场，使得激光回波信号与杂散光分离。
进一步的，上述光场过滤探测系统还包括：第六透镜、探测器和处理器，探测器位于第六透镜的焦平面，第六透镜将环状过滤装置过滤后的光场聚焦到探测器的光敏面，探测器将采集到的光信号转换为电信号并发送至处理器，处理器对接收到的电信号进行处理，获得被测目标信息。
进一步的，上述杂散光包括：环境中的背景光和发射系统发出的光束被大气中的云雾散射形成的激光散射光。
进一步的，上述光束的光场在垂直于光束传播方向的横截面上呈圆环形。
本发明所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，利用发射系统对激光光源进行调制产生携带轨道角动量的光束照射被测目标。利用接收系统收集激光回波信号及杂散光，使得携带轨道角动量的激光回波信号在像面形成一个环状光斑而杂散光则在像面形成类高斯分布的圆形光斑。利用光场过滤探测系统对激光回波信号所在环状区域以及环外区域进行区分，使得环状区域光场可以到达探测器而环外区域光场无法到达探测器，从而在保留激光回波信号的同时抑制杂散光，提高探测信噪比。
附图说明
图1为具体实施方式二所述基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统的原理框图；
图2为激光回波信号与杂散光在接收系统像面的分布图；
图3为环状过滤装置示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，包括：发射系统1、接收系统13和光场过滤探测系统17。
发射系统1发出的光束6透过大气9照射至被测目标10，所述光束6携带轨道角动量，其光场在垂直于光束传播方向的横截面内呈圆环形。接收系统13用于接收回波光信号，所述回波光信号包括被测目标10反射形成的激光回波信号11和大气9散射形成的杂散光12。即：接收系统13将激光回波信号11和杂散光12收集聚焦到像面。激光回波信号11在接收系统13的像面形成环状光斑，杂散光12在接收系统13的像面形成类高斯分布的圆形光斑。接收系统13还用于将其接收到的光信号发送至光场过滤探测系统17。光场过滤探测系统17允许激光回波信号11所在环状区域的光场被接收，而阻止环外区域的光场，起到滤除杂散光12获得激光回波信号11的作用。
本实施方式所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，包含发射系统与接收系统两部分。其中发射系统产生携带轨道角动量光束照射被测目标。接收系统对被测目标表面光斑进行成像，被目标反射的激光回波信号以及杂散光同时到达像面。携带轨道角动量的激光回波信号在像面形成一个环状光斑而杂散光则在像面形成类高斯分布的圆形光斑。通过一个圆环状的过滤装置将激光回波信号所在环状区域的光场与圆环外的光场分离，在保留激光回波信号的前提下滤除大部分杂散光，实现高信噪比探测。
具体实施方式二：参照图1至3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统的进一步说明，本实施方式中，发射系统1包括：激光器2、第五透镜7、偏转镜8和轨道角动量调制系统，所述轨道角动量调制系统包括：第一透镜3、螺旋相位板4和第二透镜5。
接收系统13包括：第三透镜14、反射镜15和第四透镜16。
光场过滤探测系统17包括：环状过滤装置18、第六透镜19、探测器20和处理器21。
第一透镜3的后焦面与第二透镜5的前焦面共面，构成4f系统。螺旋相位板4位于第一透镜3和第二透镜5的共焦面上。螺旋相位板4为圆形透明介质薄板，螺旋相位板4的圆心位于第一透镜3和第二透镜5的共焦点。螺旋相位板4的厚度随着方位角的增大而线性增大，最厚部分的厚度比最薄部分的厚度厚整数倍激光波长。
基于上述结构，激光器2产生基模高斯光束，该基模高斯光束透过第一透镜3和第二透镜5构成的4f系统，并在第一透镜3和第二透镜5的同焦面通过螺旋相位板4获得螺旋形相位分布，最终形成携带轨道角动量的光束6。光束6的光场在垂直于光束传播方向的横截面内呈圆环形。之后，光束6透过第五透镜7入射至偏转镜8，偏转镜8将携带轨道角动量的光束6反射至被测目标10。其中第五透镜7和偏转镜8用于调制光束发散角以及指向，根据不同的激光雷达需求将不局限于图1所示设置。光束6经过大气9照射至被测目标10，经被测目标10反射后形成激光回波信号11，部分激光回波信号11形成杂散光12。杂散光12包括环境中的背景光如太阳光以及其他人造光源发出的光，同时还包括发射系统1发出的光束6被大气9中的云雾散射形成的激光散射光。
激光回波信号11和杂散光12一同经第三透镜14透射至反射镜15，反射镜15将激光回波信号11和杂散光12反射至第四透镜16，第三透镜14、反射镜15和第四透镜16构成望远系统，使得激光回波信号11在其像面形成环状光斑，如图2所示；杂散光12在其像面形成类高斯分布的圆形光斑。
由于杂散光的存在，直接对像面的光场进行探测则探测信噪比较差，所以利用环状过滤装置18进行过滤，具体如下：
环状过滤装置18位于接收系统13的像面，环状区域与激光回波信号11所在区域重叠，使得环状过滤装置18能够分离激光回波信号11所在环形区域光场和环外光场，使得激光回波信号11与杂散光12分离。光场过滤探测系统17允许激光回波信号11所在环状区域的光场到达探测器20而阻止环外区域到达探测器20，探测信噪比得到提升。
环状过滤装置18由透过率分布如图3所示的光学元件构成，其中白色区域为高透过率的透明介质，而黑色部分为低透过率的吸收介质。透明介质部分与激光回波信号所在环状区域重合，则只有该区域的光场可以透过环状过滤装置18到达探测器20。
探测器20位于第六透镜19的焦平面，第六透镜19将环状过滤装置18过滤后的光场聚焦到探测器20的光敏面，探测器20将采集到的光信号转换为电信号并发送至处理器21，处理器21对接收到的电信号进行处理，获得被测目标信息。

Claims (10)

1.基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，包括：发射系统(1)、接收系统(13)和光场过滤探测系统(17)，
发射系统(1)发出的光束(6)透过大气(9)照射至被测目标(10)，所述光束(6)携带轨道角动量，接收系统(13)用于接收回波光信号，所述回波光信号包括被测目标(10)反射形成的激光回波信号(11)和大气(9)散射形成的杂散光(12)，接收系统(13)还用于将其接收到的回波光信号发送至光场过滤探测系统(17)，光场过滤探测系统(17)用于滤除杂散光(12)获得激光回波信号(11)。
2.根据权利要求1所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，发射系统(1)包括：激光器(2)和轨道角动量调制系统，所述轨道角动量调制系统包括：第一透镜(3)、螺旋相位板(4)和第二透镜(5)，
第一透镜(3)的后焦面与第二透镜(5)的前焦面共面，构成4f系统，螺旋相位板(4)位于第一透镜(3)和第二透镜(5)的共焦面上，
激光器(2)发射的激光依次透过第一透镜(3)、螺旋相位板(4)和第二透镜(5)形成携带轨道角动量的光束(6)。
3.根据权利要求2所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，螺旋相位板(4)为圆形透明介质薄板，螺旋相位板(4)的圆心位于第一透镜(3)和第二透镜(5)的共焦点。
4.根据权利要求3所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，螺旋相位板(4)的厚度随着方位角的增大而线性增大，最厚部分的厚度比最薄部分的厚度厚整数倍激光波长。
5.根据权利要求2、3或4所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，发射系统(1)还包括：第五透镜(7)和偏转镜(8)，
携带轨道角动量的光束(6)透过第五透镜(7)入射至偏转镜(8)，偏转镜(8)将携带轨道角动量的光束(6)反射至被测目标(10)。
6.根据权利要求1所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，接收系统(13)包括：第三透镜(14)、反射镜(15)和第四透镜(16)，
激光回波信号(11)和杂散光(12)经第三透镜(14)透射至反射镜(15)，反射镜(15)将激光回波信号(11)和杂散光(12)反射至第四透镜(16)，激光回波信号(11)和杂散光(12)透过第四透镜(16)入射至光场过滤探测系统(17)，
第三透镜(14)、反射镜(15)和第四透镜(16)构成望远系统，使得激光回波信号(11)在其像面形成环状光斑、杂散光(12)在其像面形成类高斯分布的圆形光斑。
7.根据权利要求1所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，光场过滤探测系统(17)包括环状过滤装置(18)，
环状过滤装置(18)位于接收系统(13)的像面，环状过滤装置(18)能够分离激光回波信号(11)所在环形区域光场和环外光场，使得激光回波信号(11)与杂散光(12)分离。
8.根据权利要求7所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，光场过滤探测系统(17)还包括：第六透镜(19)、探测器(20)和处理器(21)，
探测器(20)位于第六透镜(19)的焦平面，
第六透镜(19)将环状过滤装置(18)过滤后的光场聚焦到探测器(20)的光敏面，探测器(20)将采集到的光信号转换为电信号并发送至处理器(21)，处理器(21)对接收到的电信号进行处理，获得被测目标信息。
9.根据权利要求1、2、3、4、6、7或8所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，杂散光(12)包括：环境中的背景光和发射系统(1)发出的光束(6)被大气(9)中的云雾散射形成的激光散射光。
10.根据权利要求1、2、3、4、6、7或8所述的基于光子轨道角动量提高激光雷达探测信噪比的滤噪系统，其特征在于，光束(6)的光场在垂直于光束传播方向的横截面上呈圆环形。
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